(57)【要約】燃料電池用の電解質は、金属薄膜、高分子電解質材料、並びに金属薄膜と高分子電解質材料との間に配置された少なくとも１つの親水性層を含んで成り、それにより金属薄膜と高分子電解質材料との接着が促進される。複合電解質、燃料電池、及び電子装置を製造し使用するための方法を開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄膜；
高分子電解質材料；及び
前記金属薄膜と前記高分子電解質材料との間に配置された少なくとも１つの親水性層、を含んで成る、燃料電池用の電解質。
【請求項２】
前記高分子電解質材料が、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を含む、請求項１に記載の電解質。
【請求項３】
前記少なくとも１つの親水性層が、前記高分子電解質材料と前記金属薄膜との間に接着性をもたらすように構成されている、請求項１又は２に記載の電解質。
【請求項４】
前記少なくとも１つの親水性層が、酸性基の枝を有する高分子を含む、請求項１〜３の何れか１項に記載の電解質。
【請求項５】
酸性基の枝を有する前記高分子が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、及びセルロースから成る群から選択される高分子を含み、選択された高分子が、酸性基の枝を有するように変性されている、請求項４に記載の電解質。
【請求項６】
前記酸性基の枝が、スルホン酸基を含む、請求項４に記載の電解質。
【請求項７】
前記燃料電池が燃料を使用し、且つ前記金属薄膜が、プロトンは透過させるが前記燃料は透過させない金属を含む、請求項１〜６の何れか１項に記載の電解質。
【請求項８】
燃料極、空気極、及び請求項１の電解質を含んで成る燃料電池。
【請求項９】
燃料電池用の電解質を製造する方法であって、
金属薄膜を設けるステップ；
或る量の高分子電解質材料を設けるステップ；及び
親水性層が前記金属薄膜及び前記高分子電解質材料の両方と接して配置されるように、前記高分子電解質材料を前記金属薄膜に付着させるステップ
を包含する方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法により製造された複合電解質。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には複合電解質を備える燃料電池構造並びに関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラップトップコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯用ディジタルカメラやビデオカメラ、携帯用音楽プレーヤ、携帯用電子ゲーム機、携帯電話や他の無線装置のような種々の携帯用装置は、携帯可能な電源を必要とする。使い捨て電池や充電式電池の重さと不便さによって、そのような電源を携帯用に置き換えようとする努力が払われてきた。このように、そのような用途並びに他の多くの用途においても、軽量で再利用でき効率的で信頼性の高い電源への要求が高まっている。そのような要求に応える試みにおいて、セラミックスを利用した固体電解質燃料電池、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システム、メタノール改質による水素燃料電池（ＲＭＨＦＣ）システム、他のプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池システムのような、種々の携帯用燃料電池が開発されてきた。出力密度と効率を改善し且つコストを削減するために、携帯用燃料電池の設計に微小規模設計の原理が応用されてきた。短い起動時間と高い効率を有する改善された実用的な小型携帯式燃料電池は、依然として必要とされており、また見込まれる市場も大きい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
改善された電解質部分を有する小型携帯式燃料電池が特に必要とされている。特にＤＭＦＣ燃料電池において、燃料クロスオーバ、即ち、燃料極側から空気極側へと未反応メタノールが電解質を透過すること、が少ない燃料電池が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本開示の特徴及び利点は、図面と共に以下の詳細な説明を読む際に、当業者に容易に理解されよう。
【０００６】
本明細書及び添付の特許請求の範囲にわたって、用語「燃料電池」は、その通常の意味の燃料電池、即ち、燃料極、空気極及び電解質を有する電池を意味する。用語「ＭＥＭＳ」は、マイクロエレクトロメカニカルシステムというその従来の意味を有する。燃料電池に関していう用語「燃料極反応」及び「空気極反応」は、燃料電池の燃料極又は空気極においてそれぞれ生じる電気化学反応を意味する。（燃料極反応の１例は、燃料極の白金によって触媒されるメタノールから二酸化炭素及び水素イオンへの変換であり、空気極反応の１例は、空気極において水を生成するプロトンの酸化である。）
【０００７】
説明を分かりやすくするために、図面は規則正しい縮尺では描かれていない。詳細には、縦と横の縮尺は、互いに異なる場合があり、また図面によって異なる場合がある。この点において、「上」、「下」、「前」、「後」、「前方（ｌｅａｄｉｎｇ）」、「後方（ｔｒａｉｌｉｎｇ）」などの向きを示す用語は、示している図面の向きを基準にして用いている。本発明の構成要素は、多くの異なる向きに配置することができるため、向きを示す用語は、例示目的で使用され、限定する意はない。
【０００８】
本発明の一態様では、複合電解質２０、燃料極３０、及び空気極４０を含んで成る燃料電池１０が提供される。図１には、本発明に従って製造された複合電解質２０を含んで成る燃料電池１０の第１の実施形態を概略的に示す分解斜視図を示している。図２は、図１の実施形態で用いた電解質の側面断面図を示している。図１及び図２の実施形態において示すように、複合電解質２０は、金属薄膜７０と、その両側にそれぞれ１つある２つの親水性層６０と、各側に１つずつある２つの高分子電解質材料５０とを含むことができる。親水性層６０はそれぞれ、金属薄膜７０と高分子電解質材料層５０との間に接着性をもたらすように構成されている。
【０００９】
燃料電池１０は、ＭＥＭＳ型単位セルであり、これは、例えば、導電性集電電極、単位セル間のインターコネクタ、燃料及び酸化物を供給するマニホールドなどのさらに他の設備を含んで成るところの燃料電池アセンブリ（図示せず）を構成する単位セルスタックの１要素を構成する。複合電解質２０は、高分子電解質材料５０、少なくとも１つの金属薄膜７０、及び金属薄膜７０と高分子電解質材料５０との間の少なくとも１つの薄い親水性層６０を含んで成る。親水性層６０は、金属薄膜７０と高分子電解質材料５０との間に高い接着性をもたらす。図１及び図２に示す実施形態においては、２つの高分子電解質材料層５０を有しているが、以下に示す他の実施形態においては、１つ又は複数の高分子電解質材料層５０を有する。同様に、種々の実施形態は、様々な数の金属薄膜層と親水性層とを有する。親水性層は、親水性面（一般に、表面の水滴により測定される濡れ角によって特徴付けられる）を有するものである。濡れ角は、一般に、液滴が載っている固体面に対して、固体面と接触している液滴の外形の接線で測定される。慣例的に、９０°より大きい濡れ角は疎水性面を特徴付ける。９０°より小さい濡れ角は、慣例的に、親水性面を特徴付け、その結果、濡れ角が小さいほど濡れが多くなり、即ち、より親水性になる。
【００１０】
燃料電池の電解質として、パーフルオロスルホン酸樹脂プロトン交換膜（例えば、デラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．  ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの一部門であるＤｕＰｏｎｔ  Ｆｌｕｏｒｏｐｒｏｄｕｃｔｓから市販されているＮａｆｉｏｎ（商標））などのイオン伝導性高分子を使用することは、当分野において既知である。Ｎａｆｉｏｎ（商標）樹脂は、酸（Ｈ＋）形態のパーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥコポリマーである。Ｎａｆｉｏｎ（商標）膜は、高いプロトン伝導性と優れた機械化学的安定性を有する。
【００１１】
直接メタノール燃料電池では、未反応のメタノール燃料が、電解質を通って燃料極側から空気極側にクロスオーバする可能性がある。そのようなクロスオーバを防ぐ１つの方法は、プロトンは通すがメタノールは通さないパラジウム金属などの材料から成る薄層を、電解質内又は電解質上に使用することである。しかしながら、Ｎａｆｉｏｎ（商標）などの安定な不活性高分子電解質材料への金属の接着は問題になる場合があり、またそのような金属薄膜近傍の高分子電解質材料の膨潤によって層間剥離が生じる場合がある。
【００１２】
本発明に従って製造した複合電解質２０は、高分子電解質材料５０として、パーフルオロスルホン酸樹脂プロトン交換膜などのイオン伝導性高分子を使用することができる。
【００１３】
当業者であれば、本発明の実施形態に様々な高分子電解質材料を利用し得ることは理解されよう。例えば、用途及び燃料電池動作時の到達温度に応じて、Ｎａｆｉｏｎ（商標）以外の高分子電解質材料を用いることができる。種々の燃料電池用途に用い得る他の高分子膜電解質材料としては、ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ  Ｐｌａｓｔｉｃｓから入手可能な、部分的にスルホン化されたエチレン−スチレンインターポリマー（ＥＳＩ）；サウスカロライナ州グリーンビルのＶｉｃｔｒｅｘ  ＵＳＡから入手可能な、スルホン化ポリアリールエーテルケトン樹脂；及びドイツ国フランクフルトのＣｅｌａｎｅｓｅ  Ｖｅｎｔｕｒｅｓ  ＧｍｂＨから入手可能な、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）がある。
【００１４】
当業者であれば、本発明の実施形態における燃料極３０及び空気極４０として、様々な導電性材料を使用できることは理解されよう。例えば、燃料極３０及び空気極４０は、適切な金属触媒、例えばニッケルや白金、白金合金など、から成る適切な金属板又は薄膜とし得る。図１では燃料極３０と空気極４０を隣接する層として示しているが、炭素粉末によって担持された白金又は白金合金ナノ粒子触媒を両方の電極（燃料極３０と空気極４０）として用いることもでき、電極から電流を収集するために、グラファイト又はステンレス鋼から成る導電コレクタ３５及び４５を用いることもできる。集電体３５及び４５は、固体の板として形成することができる。電極（燃料極３０と空気極４０）と集電体３５及び４５の何れかを薄膜として形成する場合、これらは、蒸着、スパッタリング、あるいはＭＥＭＳ構造や半導体集積回路を製造するために当分野で知られている多くの付着方法の何れかによって付着させることができる。
【００１５】
図３は、本発明に従って製造した電解質の第２の実施形態の側面断面図であり、図１及び図２に示した第１の実施形態といくつかの仕様が異なる。図３記載の複合電解質２０は、金属薄膜７０と、その両側に隣接する親水性層６０と、上下両方の親水性層に隣接する高分子電解質材料層５０とを有する。図１との対応において、図３の上部は、燃料極３０に隣接する電解質の燃料極側であり、図３の下部は、空気極４０に隣接する空気極側である。図３は、２つの親水性層６０と２つの高分子電解質材料層５０を示しているが、複合電解質２０は、当該高分子電解質材料層のうちの（例えば、空気極側の）１つを省略して製造することもできる。対応する親水性層６０を省略することもでき、即ち、そのような実施形態では、複合電解質の片側にしか金属薄膜７０がなくてもよい。金属薄膜７０の一部のみを覆う親水性層６０が十分な接着性を有する用途に用いる場合、親水性層６０は開口６５を有してもよい。
【００１６】
金属薄膜７０は、白金、パラジウム、タンタル、ニオブ、ニッケルなどの遷移金属、あるいはこれらの金属の合金若しくは混合物とし得る。金属薄膜７０を構成する金属は、プロトンは透過させるが、燃料電池に用いられる燃料（例えば、メタノール）は透過させない。複合電解質２０の燃料極側の金属薄膜７０は、燃料電池の燃料極反応のための触媒として機能する金属とし得る。同様に、複合電解質２０の空気極側の金属薄膜７０は、燃料電池の空気極反応のための触媒として機能する金属とし得る。金属薄膜７０が、複合電解質の燃料極側と空気極側の両方にある場合は、２つの金属薄膜の組成は異なってもよい。いくつかの実施形態で有用な他の種類の金属薄膜７０は、金属炭素複合材料である。
【００１７】
親水性層６０は、高分子電解質材料５０と金属薄膜７０との間の接着性をもたらすように構成される。したがって、親水性層６０は、酸性基の枝（ａｃｉｄ  ｇｒｏｕｐ  ｂｒａｎｃｈ）を有する高分子から構成することができる。いくつかの適切な高分子は、ポリスルホン、ポリエチルスルホン、及びセルロースであり、これらはそれぞれ、酸性基の枝を有するように変性されている。酸性基の枝は、例えばスルホン酸基である。そのような高分子を酸性基の枝を有するように変性する方法は、当分野において既知である。一般に、高分子電解質材料５０と金属薄膜７０との所望の接着をもたらすためには、親水性層６０は厚い層である必要はない。その厚さは、約１０マイクロメートル以下とし得、あるいは約１マイクロメートル以下ともし得る。
【００１８】
ほとんどの実施形態において、親水性層は、金属薄膜及び高分子電解質材料の両方に付着するように構成される。しかしながら、いくつかの実施形態では、親水性層を金属薄膜に付着するように構成すると共に、高分子電解質材料を親水性層に付着するように構成することもできる。
【００１９】
図４は、本発明に従って製造された電解質の第３の実施形態の側面断面図である。図４の実施形態に示すように、金属薄膜７０は、小さい開口７５を有するという意味で不連続とし得る。この小さい開口７５によって、（連続的な金属薄膜で行われるプロトン拡散に加え）さらなるプロトン流が金属薄膜７０を通過させつつ、より大きな燃料分子を遮断することができるため、燃料電池のプロトン伝導性が改善される。小さい開口７５は、金属薄膜７０の付着の最中に、付着材料からなるアイランドが表面を完全に覆う前に付着及びアニールを止めるか、又は高分子電解質材料５０の表面に形成された段の全体に斜めに金属を付着させることによって製造することができる。Ｘ線、電子ビーム、イオンビームリソグラフィなどのきわめて高分解能のリソグラフィを用いて、プロトンの流れは許容するがメタノールなどの非常に小さい燃料分子は阻止できる非常に小さい開口７５を形成することができる。金属薄膜７０と高分子電解質材料５０との間の界面にのみあるため、図４においては親水性層６０もまた不連続である。図４は、高分子電解質材料５０の両側に金属薄膜７０及び親水性層６０を有する複合電解質２０を示しているが、やはり、片側の金属薄膜７０及び対応する親水性層６０（例えば、空気極側）を必要に応じて省略することができる。一般に、燃料クロスオーバを防ぐにあたり、連続的な金属薄膜７０が不連続の薄膜よりも有効であることは理解されよう。
【００２０】
図４に示した複合電解質２０は、高分子電解質材料５０と、その両側に隣接する親水性層６０と、上下両方の親水性層に隣接する金属薄膜７０とを有する。図１及び図３に対応して、図４の上部は電解質の燃料極側とし得、図４の下部は空気極側とし得る。図４においては２つの親水性層６０と２つの金属薄膜７０が示されているが、複合電解質２０は、一方の金属薄膜（例えば、空気極側）を省略して製造することもできる。対応する親水性層６０を省略することもでき、即ち、そのような実施形態では、複合電解質は燃料極側だけに金属薄膜７０を有することができる。
【００２１】
図５は、本発明に従って製造された複合電解質２０の第４の実施形態の側面断面図である。図５においては、親水性層６０が連続的であり、両方の親水性層６０は、金属薄膜７０と高分子電解質材料５０との間の境界領域並びに開口７５全体にわたって延在している。他の点では、本実施形態は、図４に示したものに類似する。図面においては、高分子電解質材料５０の反対側の開口７５が位置合わせされているように見えるが、これらの開口７５は、通常、実際にはそのように位置合わせされておらず、互いに無作為に配置し得る。
【００２２】
図６は、本発明に従って製造された複合電解質２０の第５の実施形態の側面断面図である。図６の比較的単純な実施形態は、高分子電解質材料５０からなる単一中間層と、その両側に隣接する連続的な親水性層６０と、上下両方の親水性層６０に隣接する連続的な金属薄層７０とを有する。この実施形態においても、親水性層６０は、金属薄膜７０と高分子電解質材料５０の両方に付着するように構成されている。しかしながら、類似の実施形態において、親水性層を金属薄膜に付着するように構成すると共に、高分子電解質材料を親水性層に付着するように構成することもできる。
【００２３】
製造
本発明による複合燃料電池電解質２０の製造は容易である。様々な構成材料の組成は先に示している。一般に、或る量の高分子電解質材料５０と共に、適切な金属薄膜７０を設ける。高分子電解質材料５０は、金属薄膜７０及び高分子電解質材料５０の両方と接触するように配置された親水性層６０を用いて、金属薄膜７０に付着させる。例えば、図２の実施形態を製造する場合、或る量の高分子電解質材料５０をキャストするか、又はプレキャストされたシート若しくはロールから切り取る。高分子親水性層６０の薄層を、溶液からのキャスティング、テープキャスティング、又はスピンコーティングによって、高分子電解質材料５０の片側又は両側に付着させる。いくつかの用途では、高分子親水性層６０は、噴霧によって適用することができる。金属薄膜７０は、例えば、金属源からの蒸着又はスパッタリング、ラミネーション転写、無電解めっき、電解めっきによって、親水性層６０の片側又は両側に付着させる。開口７５を用いる場合、その形成は、先に示している。当業者であれば、類似のステップに従って他の実施形態を製造することができ、したがって操作の順序を変更し得ることは理解されよう。
【００２４】
よって、本発明の一形態は、金属薄膜を設けるステップ、或る量の高分子電解質材料を設けるステップ、親水性層が金属薄膜及び高分子電解質材料の両方と接して配置されるように高分子電解質材料を金属薄膜に付着させるステップを包含する、燃料電池用電解質の製造法である。
【００２５】
本発明の他の形態は、金属薄膜と、高分子電解質材料と、金属薄膜と高分子電解質材料との間に配置された少なくとも１つの親水性層とを含んで成る構造体である。当該構造体は、金属薄膜、高分子電解質材料、並びに金属薄膜と高分子電解質材料との間に配置された少なくとも１つの親水性層を含んで成る複合電解質を利用する燃料電池に用いることができる。イオンを伝導させるための高分子材料は、燃料をろ過するために用いられる金属薄膜と、高分子材料を金属薄膜に接着するための親水性層の両方と組み合わせて用いられる。金属薄膜は、複数の機能を実行することができる。未反応燃料のクロスオーバを防ぐことによって、即ち、未反応燃料が燃料極側から空気極側へと電解質を通るのを防ぐことによって、燃料をろ過することができる。また、不純物や汚染物質が電解質材料を通るのを防ぐことによって、燃料をろ過することができる。金属薄膜は、燃料をろ過するのに加えて、電気化学反応を触媒するよう機能することもできる。
【００２６】
別の視点から見ると、本発明の他の形態は、貴金属と疎水性高分子面との間の接着性を促進する方法である。貴金属と疎水性高分子面との間に実質的に親水性の物質から成る薄層を配置し、貴金属及び疎水性高分子面の両方に実質的に親水性の物質を付着させる。前述のように、疎水性高分子面は、高分子電解質材料面、具体的にはＮａｆｉｏｎ（商標）などのパーフルオロスルホン酸樹脂膜などのフッ素系高分子面とし得る。疎水性高分子と実質的に親水性の物質の一方又は両方をスルホン化することができる。
【００２７】
さらに別の視点から、前述の接着促進法は、金属薄膜及び高分子電解質材料を設け、親水性高分子材料を設け、そして金属薄膜と高分子電解質材料との間に配置される親水性高分子材料から成る薄層を用いて高分子電解質材料を金属薄膜に付着させることにより複合電解質を形成することで、燃料電池用の複合電解質に親水性高分子材料を用いる方法を提供する。
【００２８】
産業上の利用可能性
本発明に従って製造された複合電解質は、燃料電池の製造に有用である。本発明の方法によって製造された燃料電池及び当該燃料電池を含む電子機器は、多数の電気的及び電子的用途、特に携帯装置を要する用途に適用可能である。以上、特定の実施形態に関して本発明を説明、例示してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、様々な修正並びに変更を実施することができる。例えば、様々な実施形態に用いられる金属薄膜は、電極と同様に、適切な金属微粉末層又は適切な金属／炭素複合物の微粒子層を用いることによって、不連続な形態として製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に従って製造された電解質を含んで成る燃料電池の第１の実施形態の分解斜視図
【図２】図１記載の実施形態の電解質の側面断面図
【図３】本発明に従って製造された電解質の第２の実施形態の側面断面図
【図４】本発明に従って製造された電解質の第３の実施形態の側面断面図
【図５】本発明に従って製造された電解質の第４の実施形態の側面断面図
【図６】本発明に従って製造された電解質の第５の実施形態の側面断面図
【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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【図６】
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【国際調査報告】
2006522446.tif 000009
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