(57)【要約】【課題】  固体高分子電解質膜を薄くすることができるとともに、強度を維持し、電解効率を高めることが可能な燃料改質装置を提供する。【解決手段】  パーフルオロスルホン酸系電解質材料等の陽イオン交換樹脂２４を、有機多孔質薄膜２０の空隙２２中に充填された電解質膜１４を備える。電解質膜１４の両面には、電極触媒層の電極１６，１８を形成してなる。有機多孔質薄膜２０は、ポリテトラフルオロエチレン等の３次元の連通した空隙構造を有する材料である。電極触媒層の電極１６，１８は、陽極、陰極ともＰｔ：Ｒｕ＝１：１〜１．５の範囲で含有する合金である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽イオン交換樹脂を有機多孔質薄膜の空隙中に充填して電解質膜を形成し、この電解質膜の両面に、陽極と陰極の電極触媒層を形成してなる反応装置を設けたことを特徴とする燃料改質装置である。
【請求項２】
上記有機多孔質薄膜は、３次元の連通した空隙構造を有する網目状の多孔体薄膜であるポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
上記陽イオン交換樹脂は、パーフルオロスルホン酸系電解質材料であることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項４】
上記電極触媒は、陽極、陰極ともＰｔ：Ｒｕ＝１：１〜１．５の範囲で含有する合金を用いることを特徴とする請求項１または２記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解質膜を挟んで陽極側電極と陰極側電極が設けられ、燃料としてメタノール等の炭化水素燃料が直接供給される燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、メタノールから水素を得るメタノール改質装置は、３００℃程度の温度で水蒸気とメタノールを反応させ、水素と二酸化炭を得る反応を利用する。しかしながら、この反応は３００℃程度の高温が必要であり、装置の安全性やそれに伴う装置の複雑さがが問題であり、さらに、得られた水素には二酸化炭素や一酸化炭素といった不純物が混じっており、その除去装置も必要なものであった。
【０００３】
そこで、より効率的に且つ安全に炭化水素燃料から水素を得る装置として、固体高分子電解質膜を挟んで、陽極側電極と陰極側電極とを設けた燃料改質装置が提案されている。この燃料改質装置として、例えば特許文献１に開示されている水素発生装置は、陽極にガス拡散電極を用い、該陽極と陰極との間に固体電解質膜を介在させ、該陽極のガス拡散電極に水蒸気とメタンガスの混合ガスを供給し、陰極側から水素を得るように形成している。そして、固体電解質膜には、陽極と陰極が密着しており、固体電解質膜として陽イオン交換膜を使用するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１７４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の水素発生装置は、メタンと水蒸気を反応させるもので、エネルギーロスが大きく、メタンの供給量や保存にも制約がある。そこで、メタンの代わりに反応性の高いメタノールをこの水素発生装置に利用することが考えられるが、ここで用いる陽イオン交換膜は、内部に親水性のクラスター領域を有し、水やメタノールで膨潤し易いものである。さらに膨潤すると、機械的強度が弱くなり変形や破損が生じやすくなるものである。さらに、膨潤により水やアルコールが、陽イオン交換膜を通って陽極側に透過してしまうと言う問題もあり、メタノール水溶液を用いた水素発生装置には利用できないものであった。また、強度を上げるためにこの陽イオン交換膜の膜厚を厚くすると、電気抵抗が上がるため、薄くした方が好ましく、陽イオン透過抵抗を下げるためにも膜厚を薄くしたいものである。
【０００６】
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みて成されたもので、固体高分子電解質膜を薄くすることができるとともに、強度を維持し、電解効率を高めることが可能な燃料改質装置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】
【０００７】
この発明は、パーフルオロスルホン酸系電解質材料等の陽イオン交換樹脂が、有機多孔質薄膜の空隙中に充填されて電解質膜を形成し、この電解質膜の両面に、電極触媒層を形成してなる反応装置を設けた燃料改質装置である。
【０００８】
上記有機多孔質薄膜は、ポリテトラフルオロエチレン等の３次元の連通した空隙構造を有する網目状の多孔体薄膜である。上記電極触媒には、陽極、陰極ともＰｔ：Ｒｕ＝１：１〜１．５の範囲で含有する合金を用いる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の燃料改質装置は、電解質膜の薄膜化が容易であり、機械的強度も高い。従って、電解質膜の膨潤による変形や破損が生じにくいものであるとともに、陽イオン透過性がよいものである。さらに、メタノール等の燃料成分や二酸化炭素が透過することも抑え、不純物の増加を抑えエネルギー効率の高い処理を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の第一実施形態の燃料改質装置１０は、図１に示すように、反応装置１２に固体高分子電解質膜１４と、この電解質膜１４を挟んでその両面に形成された電極触媒層である陰極側電極１６および陽極側電極１８を備える。電解質膜１４は、一方の表面に陰極側電極１６が積層され、他方の面に陽極側電極１８が積層されている。
【００１１】
電解質膜１４は、図２（ａ）に示す有機多孔質薄膜２０の薄いシート状体で構成されている。有機多孔質薄膜２０は、ポリテトラフルオロエチレン系の絶縁材料であって、６０〜１０μｍ程度の薄膜で、好ましくは２０〜３０μｍ程度の薄膜である。その空隙２２は、３次元構造の網目状に形成され、空隙２２が表裏に連通している。この空隙２２には、パーフルオロスルホン酸系電解質材料の陽イオン交換樹脂２４が充填されている。
【００１２】
この実施形態の燃料改質装置１０の反応装置１２の製造方法は、先ず有機多孔質薄膜２０に、パーフルオロスルホン酸系電解質材料の陽イオン交換樹脂２４を充填する。陽イオン交換樹脂２４は、５重量％のパーフルオロスルホン酸系電解質材料溶液を、有機多孔質薄膜２０に含浸させ、乾燥させて作る。
【００１３】
陽イオン交換樹脂２４が乾燥した後、有機多孔質薄膜２０の表裏面に電極材料を塗布する。電極材料は、陽極及び陰極とも、Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１〜１．５の範囲で含有し、５重量％のパーフルオロスルホン酸系電解質溶液に混ぜる。そして、パーフルオロスルホン酸系電解質とカーボンが同量になるように調整し、ｌ−イソプロパノールで希釈する。この液を、有機多孔質薄膜２０の陽イオン交換樹脂２４が乾燥した後、有機多孔質薄膜２０の表裏面に吹き付けにより、薄く均一に塗布する。
【００１４】
この後、有機多孔質薄膜２０の電極材料が乾燥した後、例えば１２０〜１６０℃、３〜１０ＭＰａ、好ましくは５ＭＰａで適宜の時間、例えば３〜７分好ましくは５分間ホットプレスする。
【００１５】
この実施形態の燃料改質装置１０の反応装置１２は、パーフルオロスルホン酸系電解質の陽イオン交換樹脂２４が、有機多孔質薄膜２０の空隙２２中に確実に保持され、陽イオン交換樹脂２４の薄膜化が容易である。特に、陽イオン交換樹脂２４を、メタノール等の液体中で使用しても膨潤が生じにくいものである。またそれに伴い、陽イオン交換樹脂２４を透過して、メタノール等が陽極側に浸透することを抑制する。
【００１６】
特に、陰極側電極１６や陽極側電極１８は、電解質膜の膨潤に伴い割れや剥離が生じやすく、この割れにより、電解質膜１４を透過してメタノールや二酸化炭素が陽極側に浸透し、発生する水素に対して不純物の増加の原因となるものであるが、有機多孔質薄膜２０に含浸させた陽イオン交換樹脂２４は、膨潤を抑制されているため、電極の割れや剥離が防止され、高純度の水素を得ることができる。
【００１７】
なお、この発明の燃料改質装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、有機多孔質薄膜は、絶縁性の薄膜であって、貫通孔を有した多孔体で有れば良く、適宜の材料を利用することができる。また、陽イオン交換樹脂も適宜のイオン交換樹脂を利用することができる。使用する燃料はメタノールの他、ジメチルエーテルやその他使用可能な炭化水素燃料を用いることができる。
【実施例１】
【００１８】
次にこの発明の一実施例について説明する。ここで用いた有機多孔質薄膜２０は、図２、図３に示すように、厚さが２５μｍ、空隙の平均内径が０．２μｍである。
【００１９】
そして、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂２４を、ポリテトラフルオロエチレンの有機多孔質薄膜２０に含浸させ、乾燥した。この後、陰極側電極１６及び陽極側電極１８とも電極面積を１０ｃｍ２として、Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１の組成の合金組織を含有した電極触媒層を形成した。これを、１４０℃、５ＭＰａで５分間ホットプレスした。
【００２０】
この条件で製造した燃料改質装置１０を用いて、２５℃で６ｍｏｌ％メタノール水溶液を電気分解して水素を発生させた時の、電気分解電流と電極１６，１８間にかけた電圧の特性を図４に示す。このときの改質反応は、以下の通りである。
【００２１】
ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ → ＣＯ2 ＋６Ｈ
また、この反応装置１２を用いた燃料改質装置１０の、水素ガス移動量と電流の実測値と理論値のグラフを図５に示す。図５に示す通り、実測値において理論値とほぼ同様の値が得られ、良好な結果であった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の一実施形態の燃料改質装置の概略図である。
【図２】この発明の実施例１の燃料改質装置の有機多孔質薄膜の縦断面図である。
【図３】このこの発明の実施例１の燃料改質装置の有機多孔質薄膜の顕微鏡写真のスケッチである。
【図４】この発明の実施例１の燃料改質装置の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図５】この発明の実施例１の燃料改質装置の電流−水素ガス移動量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１０  燃料改質装置
１２  反応装置
１４  電解質膜
１６  陰極側電極
１８  陽極側電極
２０  有機多孔質薄膜
２２  空隙
２４  陽イオン交換樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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