(57)【要約】【課題】  有機ハイドライドの脱水素反応又は水素化反応のプロセスを内部化した直接型燃料電池システムにおいて、被反応物質や反応後物質による高分子イオン交換膜の浸潤を防ぐとともに、効率的に高分子イオン交換膜に水分を供給することで、より効率的に発電する有機ハイドライド直接型燃料電池用の複合イオン交換電極を提供する。【解決手段】  触媒層と、パラジウム膜層と、イオン交換膜層と、正極電極とからなり、パラジウム膜層と正極電極とでイオン交換膜層を挟着するように積層された燃料電池用の複合イオン交換電極であって、パラジウム膜層は、イオン交換膜層に着接する面に、イオン交換膜層を加湿するための水又は水蒸気を供給するための水分供給路が形成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面状の多孔質基材（１１）に触媒金属（１２）を担持させてなる触媒層（１０）と、パラジウム膜層（２０）と、イオン交換膜層（３０）と、正極電極（４０）と、からなり、パラジウム膜層（２０）と正極電極（４０）とでイオン交換膜層（３０）を挟着するように積層された燃料電池用の複合イオン交換電極であって、
パラジウム膜層（２０）は、イオン交換膜層（３０）に着接する面には、イオン交換膜層（３０）を加湿するための水又は水蒸気を供給するための水分供給路（２５）が形成され、反対面には触媒層（１０）が着接されて、負極電極として外部回路により正極電極（４０）と接続され、
水分供給路（２５）に水分が供給されるとともに、負極電極側に水素イオン供給物質（５０）が、正極電極側（４０）には酸素イオンが供給されて、
水素イオン供給物質（５０）が触媒層（１０）内で触媒金属（１５）と接触し生成する水素イオンが、パラジウム膜層（２０）とイオン交換膜層（３０）とを連続的に透過するとともに、酸素イオンと反応して水が生成するとともに、電子が、負極電極であるパラジウム膜層（２０）から、外部回路の負荷を経て、正極電極（４０）側に移動することで電流が生じることを特徴とする、
複合イオン交換電極。
【請求項２】
前記多孔質基材（１１）は、活性炭素繊維、アルミナ、チタニア、ジルコニア、シリカ、ゼオライト、メソ多孔質材、ナノカーボン素材、パラジウム多孔材のいずれかであることを特徴とした、
請求項１に記載の複合イオン交換電極。
【請求項３】
前記導電性多孔質基材（１１）は、導電性を向上するための金属メッキ等の表面処理がなされていることを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池
【請求項４】
前記触媒金属（１２）は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、または銅から構成される群から選定された少なくとも１つ、またはそれらの化合物を含有するもののいずれかであることを特徴とした、
請求項１又は請求項３に記載の複合イオン交換電極。
【請求項５】
前記水素イオン供給物質（５０）は、水素ガス、一級アルコール類、二級アルコール類、水素化芳香族化合物、水素化金属錯体化合物、ジメチルエーテル、のいずれかを主成分とするものであることを特徴とした、
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の複合イオン交換電極。
【請求項６】
前記触媒層（１０）の内部又は表面に、水素イオン供給物質（５０）の供給のための流路（１３）が形成されていることを特徴とする、
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の複合イオン交換電極。
【請求項７】
触媒層（１０）は、反応熱供給用のヒーター（１３）を内臓又は外表面に密着して具備することを特徴とした、
請求項１から請求項６のいずれかに記載の複合イオン交換電極。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかの複合イオン交換電極を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、燃料電池用の複合イオン交換電極に関する。
【背景技術】
【０００２】  有機化合物の水素化物である有機ハイドライドの脱水素反応または水素化反応を用いて、燃料電池用の水素の供給または貯蔵を行う技術は、特開２００１−１１０４３７号公報、特開２００１−１９８４６９号公報、特開２００２−１３４１４１号公報、特開２００２−１８４４３６号公報、特開２００２−１８７７０２号公報、特開２００２−２７４８０１号公報、特開２００２−２７４８０２号公報、特開２００２−２７４８０３号公報、特開２００２−２７４８０４号公報に開示されている。【０００３】  燃料電池への水素供給源として有機ハイドライドを利用する方法の優れている点としては、有機ハイドライドの脱水素反応により生成される脱水素化合物が、触媒反応により容易に水素化して有機ハイドライドに再生できる点にあり、有機ハイドライドを利用する水素貯蔵・供給システムの確立により、多様な水素源（余剰電力による電気分解水素を含む）と燃料電池システムを結んだ循環型供給システムを構築することができる。このため、燃料電池システムへの水素供給方式における多様な技術的検討の進展が期待されているところである。【０００４】  中でも、従来技術が、分散型電源向け燃料電池システムや、自動車搭載用システム、水素供給ステーション用システムなど、大量の水素供給を要する燃料電池システム用の水素発生・貯蔵装置の高効率化にかかるものとなっているが、燃料電池システムの開発が期待される携帯電話やパソコン等の家電品、情報機器向けの水素発生・貯蔵装置の小型化に関する技術開発は十分になされていなかったため、有機ハイドライド利用の燃料電池システムの適用範囲は限定的なものとなってきていた。【０００５】  これに対し、燃料電池システムの構成に、有機ハイドライドの脱水素反応又は水素化反応のプロセスを内部化して組み込む技術が、特願２００３−４５４４９号公報、特願２００４−１９２８３４号公報、特願２００４−２４７０８０号公報において開示されている。これは、燃料電池の負極側に有機ハイドライドを供給又は保持して、脱水素化して、連続的に該水素を水素イオン化するものであり、脱水素触媒と水素イオン化触媒を一体化させることで極めて簡素な構成による有機ハイドライド直接型燃料電池システムを実現するというものである。該燃料電池システムは、簡素な構成により水素供給機能を内包することで、小型化することができ、上記の携帯電話やパソコン等の家電品、情報機器向け用途に適合することができるものである。【０００６】  発明者らは、上記の発明に関連して実証的な研究開発に取り組んできたが、上記技術によれば、有機ハイドライドからの連続的な水素イオン生成を行うことにより、脱水素物質が触媒金属を被覆し被反応物質の接触効率が低下したり、有機ハイドライドと接触する高分子イオン交換膜においてクロスオーバーや構成部材の劣化など見られ、発電効率に悪影響を及ぼすことが確認された。【０００７】  これに対し、メタノール等の反応後物質と高分子イオン交換膜とが直接に接触することによるクロスオーバを防ぐために水素イオンの透過性を有するパラジウム膜を高分子イオン交換膜に着接する技術が、特願２００２−２３１２６５号公報において開示されているが、この技術によれば負極側に接する面にパラジウム膜を着接すると、高分子イオン交換膜への水分供給が阻害され、発電効率が著しく低下するものとなっていた。逆に、正極側に接する面にパラジウム膜を着接した場合は、高分子イオン交換膜への反応物質の浸潤を防ぐことができないために技術の有効性が期待できないものであった。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明の目的は、このような従来技術の課題点に鑑み、有機ハイドライドの脱水素反応又は水素化反応のプロセスを内部化した直接型燃料電池システムにおいて、被反応物質や反応後物質による高分子イオン交換膜の浸潤を防ぐとともに、効率的に高分子イオン交換膜に水分を供給することで、より効率的に発電する有機ハイドライド直接型燃料電池用の複合イオン交換電極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本願発明者らは上記課題の解決のために鋭意研究開発を行い、負極側のイオン交換膜に着接する面に、イオン交換膜を加湿するための水分供給路を形成し、ここから水分を供給することで、被反応物質や反応後物質によるイオン交換膜への悪影響を防ぐとともに、イオン交換膜を加湿することができる複合イオン交換電極を発明するにいたった。
【００１０】  すなわち、本願請求項１の発明は、面状の多孔質基材１１に触媒金属１２を担持させてなる触媒層１０と、パラジウム膜層２０と、イオン交換膜層３０と、正極電極４０と、からなり、パラジウム膜層２０と正極電極４０とでイオン交換膜層３０を挟着するように積層された燃料電池用の複合イオン交換電極であって、パラジウム膜層２０は、イオン交換膜層３０に着接する面には、イオン交換膜層３０を加湿するための水又は水蒸気を供給するための水分供給路２５が形成され、反対面には触媒層１０が着接されて、負極電極として外部回路により正極電極４０と接続され、水分供給路２５に水分が供給されるとともに、負極電極側に水素イオン供給物質５０が、正極電極側４０には酸素イオンが供給されて、水素イオン供給物質５０が触媒層１０内で触媒金属１５と接触し生成する水素イオンが、パラジウム膜層２０とイオン交換膜層３０とを連続的に透過するとともに、酸素イオンと反応して水が生成するとともに、電子が、負極電極であるパラジウム膜層２０から、外部回路の負荷を経て、正極電極４０側に移動することで電流が生じることを特徴とする、複合イオン交換電極を提供する。
【００１１】  本願請求項２の発明は、前記多孔質基材１１は、活性炭素繊維、アルミナ、チタニア、ジルコニア、シリカ、ゼオライト、メソ多孔質材、ナノカーボン素材、パラジウム多孔材のいずれかであることを特徴とした、請求項１に記載の複合イオン交換電極を提供する。
【００１２】  本願請求項３の発明は、前記導電性多孔質基材１１は、導電性を向上するための金属メッキ等の表面処理がなされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池を提供する。
【００１３】  本願請求項４の発明は、前記触媒金属１２は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、または銅から構成される群から選定された少なくとも１つ、またはそれらの化合物を含有するもののいずれかであることを特徴とした、請求項１又は請求項３に記載の複合イオン交換電極を提供する。
【００１４】  本願請求項５の発明は、前記水素イオン供給物質５０は、水素ガス、一級アルコール類、二級アルコール類、水素化芳香族化合物、水素化金属錯体化合物、ジメチルエーテル、のいずれかを主成分とするものであることを特徴とした、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の複合イオン交換電極を提供する。
【００１５】  本願請求項６の発明は、前記触媒層１０の内部又は表面に、水素イオン供給物質５０の供給のための流路１３が形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の複合イオン交換電極を提供する。
【００１６】  本願請求項７の発明は、触媒層１０は、反応熱供給用のヒーター１３を内臓又は外表面に密着して具備することを特徴とした、請求項１から請求項６のいずれかに記載の複合イオン交換電極を提供する。
【００１７】  本願請求項８の発明は、請求項１から請求項７のいずれかの複合イオン交換電極を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  図１に、本願発明の基本構成を示す。本発明は、触媒層１０と、パラジウム膜層２０と、イオン交換膜層３０と、正極電極４０とからなり、パラジウム膜層２０と正極電極４０とでイオン交換膜層３０を挟着するように積層された燃料電池用の複合イオン交換電極であって、パラジウム膜層２０は、イオン交換膜層３０に着接する面に、イオン交換膜層３０を加湿するための水又は水蒸気を供給するための水分供給路２５が形成された構成をもつ。【００１９】  パラジウム膜層２０の水分供給路２５が形成された面の反対面に着接された触媒層１０には、本願請求項５の発明のような水素イオン供給物質５０が供給され、触媒層１０の触媒金属１２に接触し水素イオンを生成する。触媒層１０で生成した水素イオンは、パラジウム膜層２０を透過してイオン交換膜層３０に移動して、正極電極４０において酸化イオンと反応し燃料電池反応により電気が発生する。【００２０】  触媒層１０は、触媒金族１２としては、本願請求項４の発明のように、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、または銅から構成される群から選定された少なくとも１つ、またはそれらの化合物を含有するもののいずれかを選択でき、触媒担体の面状の多孔質基材１１としては、本願請求項２の発明のように、活性炭素繊維、アルミナ、チタニア、ジルコニア、シリカ、ゼオライト、メソ多孔質材、ナノカーボン素材、パラジウム多孔材のいずれかが選択できる。【００２１】  有機ハイドライドの脱水素化反応は、吸熱反応であり、反応温度により水素生成量が増減する。このため、本願請求項７の発明のように、ヒーター１３を触媒層１０に内臓又は外表面に密着させて具備させ、触媒層１０は概４０℃〜４００℃の範囲で加熱制御できるようしてもよい。ヒーター１３は、電気式の加熱ヒーターでもよいし、燃料等を燃焼させた燃焼ガスヒータでもよく、加熱温度を制御できるものであれば、任意の加熱装置を選択することができる。【００２２】  イオン交換膜層３０は、水素イオンを選択的に透過するものであれば任意のものを選択することができ、実用的には固体高分子膜が利用される。ただし、固体高分子膜の耐熱性が、高いものでも２００℃前後であるため、より高温の作動温度に耐える金属製やセラミックス製のイオン交換膜を利用することも可能である。【００２３】  燃料電池の電気化学反応は発熱反応となるため、イオン交換膜１０がより高温で作動することで、負極側反応容器３５内の有機ハイドライド脱水素触媒５０に伝熱させて、吸熱反応である有機ハイドライドの脱水素反応に熱を供給することができ、ヒーター１３による触媒層１０の消費エネルギー量を低減することができる。【００２４】  本願発明では詳細に触れていないが、本願発明の複合イオン交換電極によれば、正極電極４０側に水蒸気を供給し、正極電極４０、負極電極に通電することで、有機ハイドライドの脱水素化化合物の水素化反応が生じ、有機ハイドライドが生成されるため、バッテリーの充電のように、有機ハイドライドを交換することなく何度も発電させることができる。こうした技術的思想は、特開２００３−４５４９���公報の発明と同様である。
【発明の効果】
【００２５】  本発明によれば、有機ハイドライドの脱水素反応又は水素化反応のプロセスを内部化した直接型燃料電池システムにおいて、被反応物質や反応後物質による高分子イオン交換膜の浸潤を防ぐとともに、効率的に高分子イオン交換膜に水分を供給することで、より効率的に発電する有機ハイドライド直接型燃料電池用の複合イオン交換電極を提供することができる。
【００２６】  本発明は、上記の説明に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】  本願発明の複合イオン交換電極の基本構成を示した図。
【符号の説明】
【００２８】  １０  触媒層
２０  パラジウム膜層
２５  水分供給路
３０  イオン交換膜層
４０  正極電極
【図１】
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