(57)【要約】【課題】プロトン抵抗が低く、耐久性に優れた燃料電池用触媒層を提供する。【解決手段】カソード触媒層５は、導電性担体１にＰｔ触媒２を担持した触媒６と、触媒６を被覆する第１のアイオノマー３と、第１のアイオノマー３を被覆する第２のアイオノマー４を備える。そして、第２のアイオノマー４のイオン交換基当量ＥＷが第１のアイオノマー３のイオン交換基当量ＥＷより大きく、第２のアイオノマー４の側鎖の炭素の数が第１のアイオノマー３の側鎖の炭素の数より少ない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性担体に金属触媒粒子を担持した触媒と、前記触媒を覆う第１のアイオノマーと、前記第１のアイオノマーの外表面を覆う第２のアイオノマーと、を備え、
前記第２のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷは前記第１のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷよりも大きく、
前記第２のアイオノマーの側鎖の炭素の数が、前記第１のアイオノマーの側鎖の炭素の数より少ないことを特徴とする燃料電池用触媒層。
【請求項２】
前記第１のアイオノマーおよび前記第２のアイオノマーが、パーフルオロスルフォン酸からなるアイオノマーであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒層。
【請求項３】
電解質膜と、前記電解質膜の両主面に配置される触媒層と、を有する電解質膜−電極接合体であって、前記電解質膜の少なくとも一方の主面に配置される触媒層が、請求項１または２に記載の燃料電池用触媒層である、電解質膜−電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の主面に電極として形成される触媒層と、その触媒層を電極として電解質膜の主面に配置した電解質膜−電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素などの燃料ガスと、空気中の酸素などの酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させて発電する。この燃料電池では、固体高分子膜などからなる電解質膜の両主面をアノードとカソードになる一対の電極で挟み、両電極の外側にガス拡散層を積層しており、ガス拡散層を介して、水素などの燃料ガスはアノードとなる電極に、空気中の酸素などの酸化剤ガスはカソードとなる電極に、それぞれ供給される。
【０００３】
これら電極は、カーボン粒子等の導電性担体に金属触媒粒子を担持した触媒とプロトン伝導性を有するアイオノマーとが混在して触媒層を形成している。
【０００４】
このような電極においては、触媒を介して電気化学反応を起こしており、電気化学反応効率を高くするために触媒層のプロトン伝導性を高めることと、触媒層の耐久性を高めることが重要である。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池用の触媒層であって、触媒を被覆する化学的安定性および機械的安定性が低い第１のアイオノマーの外表面の全てが、化学的安定性および機械的安定性の高い第２のアイオノマーで覆われており、第１のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷが第２のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷよりも小さい、という構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１３４７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の構成では、プロトンは第２のアイオノマーを必ず通過するため、触媒層のプロトン抵抗を十分下げることができないという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、この従来の課題を解決するもので、第２のアイオノマーの機械的安定性を維持しつつ、プロトン抵抗の低い燃料電池用触媒層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】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用触媒層は、導電性担体に金属触媒粒子を担持した触媒と、触媒を覆う第１のアイオノマーと、第１のアイオノマーの外表面を覆う第２のアイオノマーとを備え、第２のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷは第１のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷよりも大きく、第２のアイオノマーの側鎖の炭素の数が、第１のアイオノマーの側鎖の炭素の数より少ないことを特徴としたものである。
【００１０】
ここで、イオン交換基当量ＥＷは、イオン交換基１モル当たりのアイオノマーの質量である。
【００１１】
また、側鎖の炭素の数とは、例えば主鎖骨格からエーテル基を介して付随している側鎖の炭素数であり、枝分かれ構造や環状構造、枝分かれ無しの直線構造など複数の構造があるが、それらの炭素数のことである。
【００１２】
一般的にアイオノマーは、側鎖があることにより、物理的に主鎖骨格が並べなくなるので、結晶性が低下し、非晶質を示すようになる。つまり、側鎖の炭素の数が多いと、側鎖長が長くなったり、枝分かれ構造や環状構造になったりして非晶質な傾向を示しやすく、化学的安定性および機械的安定性が低くなる。
【００１３】
逆に、側鎖の炭素数が少なくなると、側鎖長が短くなったりすることにより、相対的に結晶性を示しやすく、化学的安定性および機械的安定性が高くなる傾向にある。化学的安定性及び機械的安定性が高くなることで、耐久性が高くなる。
【００１４】
さらに、一般的には、アイオノマーのプロトン抵抗は、イオン交換基当量ＥＷと相関があり、プロトン抵抗を低くするにはイオン交換基当量ＥＷが小さいアイオノマーを使う必要があるが、イオン交換基当量ＥＷが小さいということはイオン交換基が多いということで、それに比例して含水率も高くなる。
【００１５】
また、同じイオン交換基当量ＥＷであれば側鎖の炭素数が少ない方がプロトン抵抗は低くなることが知られている。
【００１６】
以上のことから、本発明の燃料電池用触媒層は、第２のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷを第１のアイオノマーに比べて大きく、かつ、側鎖の炭素の数が少ないアイオノマーとすることで、触媒層の機械的安定性を維持しつつ、プロトン抵抗を低くすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池用触媒層は、触媒層の機械的安定性を維持しつつ、プロトン抵抗を低くすることができ、耐久性に優れる。また、これを用いて高耐久で高効率な燃料電池や燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるカソード触媒層の拡大模式図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池の断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
第１の発明は、導電性担体に金属触媒粒子を担持した触媒と、触媒を覆う第１のアイオノマーと、第１のアイオノマーの外表面を覆う第２のアイオノマーと、を備え、第２のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷは第１のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷよりも大きく、第２のアイオノマーの側鎖の炭素の数が、第１のアイオノマーの側鎖の炭素の数より少ない燃料電池用触媒層とすることにより、プロトン抵抗が低く、かつ、耐久性に優れた燃料電池用触媒層とすることができる。
【００２０】
第２の発明は、特に第１の発明の、第１のアイオノマーおよび第２のアイオノマーをパーフルオロスルフォン酸からなるアイオノマーとすることにより、化学的安定性を維持できる燃料電池用触媒層とすることができる。
【００２１】
第３の発明は、特に第１または第２の発明の燃料電池用触媒層を、電解質膜の少なくとも一方の主面に配置して電解質膜−電極接合体を構成することにより、安定して高効率な運転ができる触媒層を有する電解質膜−電極接合体を実現できる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるカソード触媒層の拡大模式図である。図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池の断面模式図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態のカソード触媒層５は、導電性担体１にＰｔ触媒２を担持した触媒６と、触媒６を被覆する第１のアイオノマー３と、第１のアイオノマー３の外表面を覆う第２のアイオノマー４を備える。
【００２５】
なお、第２のアイオノマー４のイオン交換基当量ＥＷは、第１のアイオノマー３のイオン交換基当量ＥＷより大きく、第２のアイオノマー４の側鎖の炭素の数は、第１のアイオノマー３の側鎖の炭素の数より少ない。
【００２６】
ここで、第１のアイオノマー３として用いたＮａｆｉｏｎ（登録商標、Ｃｈｅｍｏｕｒｓ）の構造式を（化１）に示す。
【００２７】
【化１】
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Ｎａｆｉｏｎはポリテトラフルオロエチレンの骨格を持ち、末端にスルフォン酸を持つパーフルオロエーテルペンダント側鎖からなる。
【００２８】
（化１）が示す通り、第１のアイオノマー３（Ｎａｆｉｏｎ）の側鎖の炭素の数は５である。このように側鎖の炭素の数が４以上のアイオノマーを長側鎖アイオノマーという。
【００２９】
次に第２のアイオノマー４として用いたＡｑｕｉｖｉｏｎ（登録商標、Ｓｏｌｖａｙ）の構造式を（化２）に示す。
【００３０】
【化２】
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Ａｑｕｉｖｉｏｎはフルオロエーテル基を持たないペンダント側鎖からなり、側鎖の炭素の数が２の短側鎖アイオノマーである。
【００３１】
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池１０は、電解質膜１１の両主面がカソード触媒層５とアノード触媒層１２とで挟まれた電解質膜−電極接合体１３を、アノードガス拡散層１４とカソードガス拡散層１５とで挟み、電解質膜−電極接合体１３、アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５をアノードガスセパレータ１６およびカソードガスセパレータ１７で狭持した構成になっている。
【００３２】
アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５は、ガス透過性を有する導電性部材であるカーボンペーパーによって形成されている。このようなアノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５は、電気化学反応に供されるガスをアノード触媒層１２およびカソード触媒層５に導くとともに、集電を行う。
【００３３】
アノードガスセパレータ１６およびカソードガスセパレータ１７は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって形成される。アノードガスセパレータ１６およびカソードガスセパレータ１７は、それぞれ所定の凹凸形状を有している。
【００３４】
この凹凸形状によって、アノードガスセパレータ１６とアノードガス拡散層１４との間には、水素が流れる燃料ガス流路１８が形成される。また、上記凹凸形状によって、カソードガスセパレータ１７とカソードガス拡散層１５との間には、空気が流れる酸化ガス流路１９が形成される。
【００３５】
以上のように構成されたカソード触媒層５、およびカソード触媒層５を備える電解質膜−電極接合体１３および燃料電池１０について、以下その動作、作用について説明する。
【００３６】
まず、Ｐｔ触媒２に接する第１のアイオノマー３は、第２のアイオノマー４よりもイオン交換基当量ＥＷが小さく側鎖の炭素の数が多いため、プロトン抵抗が低くなる。また、第２のアイオノマー４は第１のアイオノマーよりもイオン交換基当量ＥＷが大きく、側鎖の炭素の数が少ないため、結晶性を示しやすく、化学的安定性および機械的安定性が高くなる。
【００３７】
また同じイオン交換基当量ＥＷであれば、側鎖の炭素数が少ない方がプロトン抵抗は低くなるため、従来技術に比べて第２のアイオノマーのプロトン抵抗が低くなる。
【００３８】
以上のことから、カソード触媒層５は、第２のアイオノマーを、イオン交換基当量ＥＷが第１のアイオノマーのイオン交換基当量ＥＷよりも大きく、かつ、側鎖の炭素の数が第１のアイオノマーの側鎖の炭素の数より少ないアイオノマーとすることで、化学的安定性および機械的安定性を維持しつつ、プロトン抵抗を低くすることができる。これにより、耐久性に優れ、プロトン抵抗が低いカソード触媒層５とすることができる。
【００３９】
このようなカソード触媒層５を備える電解質膜−電極接合体１３は、高湿度から低湿度まで広い湿度環境で運転が可能であり、これを用いた燃料電池１０は安定して高効率な発電が可能となる。
【００４０】
なお、本実施の形態の第１のアイオノマー３の側鎖の炭素の数を５、および第２のアイオノマー４の側鎖の炭素の数を２としたが、これに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明にかかる燃料電池用触媒層、電解質膜−電極接合体は、触媒層の機械的安定性を維持しつつ、プロトン抵抗を低くすることができ、耐久性に優れるので、固体高分子形電解質を用いた燃料電池および水電解の電極等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４２】
１  導電性担体
２  Ｐｔ触媒
３  第１のアイオノマー
４  第２のアイオノマー
５  カソード触媒層
６  触媒
１０  燃料電池
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３  電解質膜−電極接合体
【図１】
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【図２】
2019204652.tif 000006