(57)【要約】【課題】フッ素フリーな固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜と電極との間に触媒層が設けられた固体高分子形燃料電池であって、固体高分子電解質膜は、芳香族炭化水素系高分子樹脂を基材とし、触媒層は、芳香族炭化水素系高分子樹脂を基材とするアイオノマを含む。【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電極との間に触媒層が設けられた固体高分子形燃料電池であって、
前記固体高分子電解質膜は、芳香族炭化水素系高分子樹脂を基材とし、
前記触媒層は、前記芳香族炭化水素系高分子樹脂を基材とするアイオノマを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記芳香族炭化水素系高分子樹脂は、ポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記固体高分子電解質膜は、前記芳香族炭化水素系高分子樹脂にスルホ基をイオン交換基として導入したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記アイオノマは、前記芳香族炭化水素系高分子樹脂にスルホ基をイオン交換基として導入したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記非特許文献１には、固体高分子形燃料電池が開示されている。この固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）と触媒層とを備えるものであり、上記固体高分子電解質膜としてデュポン社のナフィオン（Nafion）に代表されるフッ素系高分子材料を用いるものである。このフッ素系高分子材料を用いた高分子電解質膜は、耐薬品性、強アルカリ耐性、強酸耐性などの化学的安定性に優れている。また、このような固体高分子形燃料電池では、触媒層に含まれるアイオノマ（プロトン伝導性を持つ合成樹脂）にもフッ素系高分子材料が使われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】河原和生、長野進、「高分子電解質型燃料電池」、豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー Ｖｏｌ.２９ Ｎｏ.４（１９９４.１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したフッ素系高分子材料は、フッ素を用いるためにコスト低減が難しく、廃棄処理においても取扱に注意が必要かつ費用が嵩むという問題点がある。したがって、固体高分子形燃料電池の技術分野では、フッ素フリーな材料で固体高分子形燃料電池を構成することが求められている。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、フッ素フリーな固体高分子形燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、固体高分子形燃料電池に係る第１の解決手段として、固体高分子電解質膜と電極との間に触媒層が設けられた固体高分子形燃料電池であって、前記固体高分子電解質膜は、芳香族炭化水素系高分子樹脂を基材とし、前記触媒層は、前記芳香族炭化水素系高分子樹脂を基材とするアイオノマを含む、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、固体高分子形燃料電池に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記芳香族炭化水素系高分子樹脂は、ポリエーテルエーテルケトンである、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、固体高分子形燃料電池に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記固体高分子電解質膜は、前記芳香族炭化水素系高分子樹脂にスルホ基をイオン交換基として導入したものである、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、固体高分子形燃料電池に係る第３の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記アイオノマは、前記芳香族炭化水素系高分子樹脂にスルホ基をイオン交換基として導入したものである、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フッ素フリーな固体高分子形燃料電池を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池Ａの要部（膜・電極接合体）の構成を示す分解図である。
【図２】本発明の一実施形態における固体高分子電解質膜１及び触媒層２Ａ，２Ｂの拡大模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池Ａの性能を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る固体高分子形燃料電池Ａは、固体高分子電解質膜１、一対の触媒層２Ａ，２Ｂ、一対の拡散層３Ａ，３Ｂからなる膜・電極接合体 (Membrane Electrode Assembly, MEA)を備える。この膜・電極接合体を構成する各構成要素のうち、一方の触媒層２Ａ、拡散層３Ａは、燃料極つまり負極を構成し、他方の触媒層２Ｂ及び拡散層３Ｂは、空気極つまり正極を構成している。
【００１３】
上記拡散層３Ａ、３Ｂの外側にはセパレータ４Ａ、４Ｂがそれぞれ配置されている。一方のセパレータ４Ａでは、燃料極に水素ガスを供給するための燃料極ガス流路が加工されている。また、他方のセパレータ４Ｂでは、空気極に空気を供給するための空気極ガス流路が加工されている。
【００１４】
固体高分子電解質膜１は、芳香族炭化水素系高分子樹脂を基材とする膜である。この芳香族炭化水素系高分子樹脂は、例えば熱可塑性の超耐熱高分子樹脂であるポリエーテルエーテルケトン（PEEK：Poly Ether Ether Ketone）である。固体高分子電解質膜１は、このような芳香族炭化水素系高分子樹脂にイオン交換基を導入することによりイオン交換性能（イオン伝導性能）を付与したものである。このイオン交換基は、例えばスルホ基（−ＳＯ３Ｈ）である。
【００１５】
このような固体高分子電解質膜１は、電子線や放射線を用いたグラフト重合（Graft Polymerization）によって芳香族炭化水素系高分子樹脂にイオン交換基を導入することによって製造される。このようにして製造された固体高分子電解質膜１は、従来のフッ素系高分子材料を基材とするものとの比較において、耐高温性に優れ、ガス遮断性も高い。また引っ張り強度等の機械的性能においても優れている。
【００１６】
一対の触媒層２Ａ，２Ｂは、このような固体高分子電解質膜１の表面に設けられている。すなわち、一対の触媒層２Ａ，２Ｂのうち、一方の触媒層２Ａは、固体高分子電解質膜１の一方の面に接触した状態で配置され、他方の触媒層２Ｂは、固体高分子電解質膜１の他方の面に接触した状態で配置されている。
【００１７】
このような各触媒層２Ａ，２Ｂは、図２に模式的に示すように、炭素２ａに白金２ｂを担持させたＰｔ／Ｃ触媒とアイオノマ２ｃとの混合層であり、Ｐｔ／Ｃ触媒とアイオノマ２ｃとの比率は例えば１対１である。また、Ｐｔ／Ｃ触媒における白金２ｂの含有量は、例えば約５０ｗｔ％である。このような各触媒層２Ａ，２Ｂは、所定の溶材と共に固体高分子電解質膜１の表面に塗布・乾燥されることにより、固体高分子電解質膜１の表面に一体形成される。
【００１８】
また、上記アイオノマ２ｃは、上述した固体高分子電解質膜１と同様に芳香族炭化水素系高分子樹脂を基材とし、当該基材にイオン交換基（スルホ基）が導入された電解質である。このアイオノマ２ｃは、芳香族炭化水素系高分子樹脂を硫酸中で化学的に処理する方法などによって製造されるものであり、固体高分子電解質膜１と同様にイオン伝導性を有する。
【００１９】
一対の拡散層３Ａ，３Ｂは、電気伝導性を有する多孔質材から形成されており、ガス拡散性能を有する。すなわち、一対の拡散層３Ａ，３Ｂのうち、燃料極（負極）を構成する一方の拡散層３Ａは、一方の触媒層２Ａを挟んだ状態で固体高分子電解質膜１に対峙するように設けられており、水素ガス（Ｈ２）を拡散させる機能を有する。
【００２０】
一方、空気極（正極）を構成する他方の拡散層３Ｂは、他方の触媒層２Ｂを挟んだ状態で固体高分子電解質膜１に対峙するように設けられており、空気を効果的に拡散させる機能を有する。
【００２１】
一対のセパレータ４Ａ，４Ｂは、電気伝導性を有する材料から構成されており、水素ガスあるいは空気を膜・電極接合体（ＭＥＡ）に供給するためのガス流路を有する。すなわち、一対のセパレータ４Ａ，４Ｂのうち、一方のセパレータ４Ａは、一方の触媒層２Ａ及び一方の拡散層３Ａを挟んだ状態で固体高分子電解質膜１に対峙するように設けられており、背面から供給された水素ガスは、セパレータ４Ａ内の流路を通して拡散層３Ａ、触媒層２Ａに供給される。
【００２２】
一方、他方のセパレータ４Ｂは、他方の触媒層２Ｂ及び他方の拡散層３Ｂを挟んだ状態で固体高分子電解質膜１に対峙するように設けられており、背面から供給された空気は、セパレータ４Ｂ内の流路を通して拡散層３Ｂ、触媒層２Ａに供給される。拡散層３Ａ内で生成した水（Ｈ２Ｏ）は、拡散層３Ｂを通過し、セパレータ４Ｂの流路を通して外部に排出される。
【００２３】
このような一対のセパレータ４Ａ，４Ｂは、外部導線に接続されており、固体高分子形燃料電池Ａの集電体として機能する。すなわち、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池Ａは、固体高分子電解質膜１と一方の電極である一方のセパレータ４Ａとの間に一方の触媒層２Ａが設けられると共に、固体高分子電解質膜１と他方の電極である他方のセパレータ４Ｂとの間に他方の触媒層２Ｂが設けられている。
【００２４】
次に、このように構成された固体高分子形燃料電池Ａの動作及び性能について、図３をも参照して詳しく説明する。
【００２５】
固体高分子形燃料電池Ａでは、一方のセパレータ４Ａの背面つまり燃料極（負極）に水素等の燃料が供給され、他方のセパレータ４Ｂの背面つまり空気極（正極）に空気が供給される。そして、上記燃料は一方のセパレータ４Ａ及び一方の拡散層３Ａを介して一方の触媒層２Ａに流入し、Ｐｔ／Ｃ触媒の触媒作用によって水素イオンＨ＋（プロトン）と電子ｅ−とに分解される。すなわち、燃料として水素を用いた場合に燃料極（負極）では下式（１）の酸化反応が起こる。
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−                            （１）
【００２６】
そして、水素イオンＨ＋は、固体高分子電解質膜１を通過して空気極（正極）に移動し、電子ｅ−は、一方のセパレータ４Ａから外部導線を介して空気極（正極）に移動する。すなわち、触媒層２Ａにおいて発生した水素イオンＨ＋は、アイオノマ２ｃを構成する芳香族炭化水素系高分子樹脂のイオン交換基（スルホ基）内を順次移動して固体高分子電解質膜１に到達し、固体高分子電解質膜１を構成する芳香族炭化水素系高分子樹脂のイオン交換基（スルホ基）内を順次移動して空気極（正極）に至る。
【００２７】
空気極（正極）では下式（２）の還元反応が起こる。すなわち、空気極（正極）における他方の触媒層２Ｂでは、固体高分子電解質膜１を通して移動してきた水素イオンＨ＋と上記外部導線から進入して来た電子ｅ−が他方のセパレータ４Ｂ及び拡散層３Ｂを介して外部から供給された空気中の酸素Ｏ２と反応して水が生成される。他方の触媒層２Ｂに含まれるＰｔ／Ｃ触媒は、上記還元反応を促進するように機能する。
２Ｈ+＋１／２Ｏ２＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ            （２）
【００２８】
すなわち、この固体高分子形燃料電池Ａでは、燃料極（負極）における酸化反応と空気極（正極）における還元反応とからなる全体的な化学反応として下式（３）で示す反応が起こる。そして、このような化学反応は、一対の触媒層２Ａ，２Ｂにそれぞれ含まれるＰｔ／Ｃ触媒によって促進される。
Ｈ２＋１／２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                    （３）
【００２９】
このような固体高分子形燃料電池Ａは、図３に示すように、固体高分子電解質膜１としてナフィオン（Nafion）を用いた場合（参考例）と同等あるいはそれ以上の電気的特性を有する。すなわち、固体高分子電解質膜１の湿度を１００％とした状態で固体高分子電解質膜１の温度を９０°、９５°、１００°、１０５°及び１１０°に設定した場合における電圧（電池電圧）は、０〜１．３（Ａ／ｃｍ２）の電流密度範囲においてナフィオン（Nafion）を用いた場合（参考例）よりも高いことが確認された。
【００３０】
このような固体高分子形燃料電池Ａによれば、固体高分子電解質膜１の基材として芳香族炭化水素系高分子樹脂を用い、またアイオノマ２ｃの基材として芳香族炭化水素系高分子樹脂を用いるので、従来のナフィオン（Nafion）を用いた固体高分子形燃料電池とは異なり、フッ素フリーな固体高分子形燃料電池Ａを提供することが可能である。
【００３１】
また、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池Ａによれば、芳香族炭化水素系高分子樹脂として高い耐熱性を有するポリエーテルエーテルケトン（熱可塑性樹脂）を用いるので、より高温で作動し得る固体高分子形燃料電池を提供することが可能である。すなわち、従来のナフィオン（Nafion）を用いた固体高分子形燃料電池では作動温度が８０〜９０℃であるが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池Ａによれば、図３に示すように１００℃を越える作動温度を実現することが可能である。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、固体高分子電解質膜１及びアイオノマ２ｃの基材（芳香族炭化水素系高分子樹脂）としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を採用したが、本発明はこれに限定されない。
【００３３】
（２）上記実施形態では、固体高分子電解質膜１及びアイオノマ２ｃの基材（芳香族炭化水素系高分子樹脂）に導入するイオン交換基としてスルホ基を用いたが、本発明はこれに限定されない。
【００３４】
（３）上記実施形態では、一対の触媒層２Ａ，２ＢにＰｔ／Ｃ触媒を用いたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、担体は炭素（Ｃ）に限定されず、触媒物質は白金（Ｐｔ）に限定されない。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ  固体高分子形燃料電池
１  固体高分子電解質膜
２Ａ，２Ｂ  触媒層
２ａ  炭素
２ｂ  白金
２ｃ  アイオノマ
３Ａ，３Ｂ  拡散層
４Ａ，４Ｂ  セパレータ（ガス流路付き）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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