(57)【要約】【目的】メタノールのクロスオーバーが抑えられた、発電効率および燃料効率の高い燃料電池を提供することを目的とする。【構成】フッ化スルホン酸高分子膜とハイブリッド化させた無機化合物を重合し、架橋させることで、メタノールのクロスオーバーを著しく低減した電解質膜を用いる燃料電池。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナフィオンなどの高分子膜と無機物とのハイブリッド電解質を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
高分子膜内部に、無機成分の前駆体を浸透させ，高分子膜内部で前駆体を加水分解，重合させてハイブリッドにした有機・無機ハイブリッド膜を電解質にすることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２の無機成分としてSiO2， TiO2， ZrO2， P2O5，及びAl2O3の少なくとも一種を用いたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池電解質膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境調和の観点から，クリーンエネルギー源としての燃料電池が注目され、車両、定置形燃料電池や各種携帯機器の電源として、ナフィオン膜に代表される、フッ化スルホン酸高分子膜を電解質に用いた燃料電池が実用化レベルのものとして開発されてきている。
そして、燃料電池の中でも、水素の持ち運びは困難であるために、携帯機器等の電気製品用の電源としては、メタノールを燃料にしたものが、有力候補になっている。また、電解質膜は、燃料電池のなかでも、最も重要な部材であり、ナフィオン膜に代表されるフッ化スルホン酸高分子膜が、電解質として応用されようとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記従来技術のフッ化スルホン酸高分子膜は、高いプロトン伝導性を示すことから、有力な材料ではあるが、熱的安定性や化学耐久性に問題があるという欠点があった。
【０００４】
また、フッ化スルホン酸高分子膜が燃料であるメタノールに接触すると、著しく膨潤する性質があり、膜が膨潤するとメタノールが未反応のまま容易に膜に浸透し、膜内を透過する現象(メタノールクロスオーバー)が生じ，そのために燃料電池の発電効率および燃料効率は著しく低下するという欠点があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、メタノールのクロスオーバーを解決し得る電解質により直接メタノール型燃料電池を実現することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明の燃料電池は、ナフィオンなどの高分子膜と無機物とのハイブリッド電解質にすることを特徴とする燃料電池である。
【０００７】
第１発明の燃料電池によれば、ナフィオンなどのフッ化スルホン酸高分子膜とハイブリッド化させた無機化合物を重合し、架橋させハイブリッド膜にすることで、メタノールのクロスオーバーを著しく低減できることができ、上記従来技術の欠点であるメタノールのクロスオーバーを克服することができる。
第2発明の燃料電池は、高分子膜内部に、無機成分の前駆体を浸透させ，高分子膜内部で前駆体を加水分解，重合させてハイブリッドにした有機・無機ハイブリッド膜を電解質にすることを特徴とする燃料電池である。
第2発明の燃料電池の有機・無機ハイブリッド膜は、ナフィオンなどのフッ化スルホン酸高分子膜の内部に、最終的には無機酸化物になる無機成分の前駆体としての金属アルコキシドを浸透させた後、加水分解と重合反応によってハイブリッド化させた新規の有機・無機ハイブリッド膜である。得られた膜は、高いプロトン伝導性を示すとともに、メタノールの膜内への浸透を抑える性質を有しており、燃料電池の電解質としての優れた性質を示している。
第３発明の燃料電池は、第2発明の無機成分としてSiO2， TiO2， ZrO2， P2O5，及びAl2O3の少なくとも一種を用いたことを特徴とする燃料電池である。
【０００８】
これらの無機成分は、一般的に用いられる無機酸化物であり、またプロトン伝導体としての活用も可能であり、これらの無機成分によりプロトン伝導性を示す高分子膜が強化される。本発明では、酸化物自体にもプロトン伝導性を持たせることが重要であり、これらの無機酸化物は、材料設計に対して制御しやすいものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、第１〜３発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００１０】
・  前駆体溶液Si(OC2H5)4，Ti(OC4H9)4およびn-ブタノールを混合して前駆体溶液を調合する。Si(OC2H5)4: Ti(OC4H9)4: n-ブタノール ＝ 1.0 : X : 2.3 (X=0.11〜0.25のときxTiO2・(100-x)SiO2(x=10〜20までの組成に対応)
・  洗浄処理後真空乾燥したナフィオン膜を所定時間(1)の溶液に浸漬して，その後HCl溶液
(5.5×10-2 M，50℃)およびNH4OH溶液(1.0×10-2 M，70℃)を用いた二段階の反応によりナフィオン膜内で無機成分の加水分解・重合反応を行う。
(3) 乾燥後，70℃の4%リン酸溶液に5時間浸漬してさらにリン成分を付加する。
・  水洗して未反応のリン酸成分を取り除いて、本発明を完成させる。
このようにして有機・無機ハイブリッド化によって、ナフィオンに導入した酸化物重量は、
ナフィオンへの浸漬時間を変えることで調整でき、時間の経過とともに、多量の酸化物を
導入することが可能である。
導入した酸化物と、作製したハイブリッド膜へのメタノール吸着量（この値が、クロスオ
ーバーするメタノール量に等しい）の関係を図1に示す。
ナフィオン膜単独では、1ｇのナフィオンに対して、0.6ｇのメタノールが吸着することに
なる。無機酸化物を導入することで、吸着量が著しく低下し、0.3ｇの導入で吸着量が二分の一以下になり、大きな効果が認められた。また、0.55ｇの無機酸化物の導入で、吸着量が0.14ｇと五分の一にまで下げることができている。
これ以上の酸化物を導入することは、できないし、できたとしても効果がこれ以上によ
くなることがない。
また、図２に示すように、酸化物を導入することにより電解質の膨潤が抑えられることも、メタノールのクロスオーバーを低下させる効果があり、その役割は、図１の現象と同じように説明することができる。
この有機無機ハイブリッド膜を用いて発電実験を行った。アノードには白金ルテニウム合金担持カーボン，カソードには白金担持カーボンを触媒に用いて触媒担持量が4.5mg/cm2になるようにカーボンクロスに触媒を塗布した。触媒のバインダにはNAFION溶液を用いた。燃料に2Mのメタノール溶液および純酸素を用いて発電特性を評価した。図３は、2Mのメタノール溶液および純酸素を燃料に用いて評価したナフィオン膜およびハイブリッド膜の電流電圧特性を示す。図３は発電試験の結果を表したものである。無機酸化物の導入されたハイブリッド膜の方が1.5倍程度高い電流を取り出すことができた。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
本発明は、メタノールのクロスオーバーが抑えられた、発電効率および燃料効率の高い燃料電池として車両、定置形燃料電池や各種携帯機器の電源等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ナフィオンに導入した酸化物重量と溶媒吸着量の関係を示した図である。
【図２】ナフィオンに導入した酸化物重量と電解質の膨潤比の関係を示した図である。
【図３】2Mのメタノール溶液および純酸素を燃料に用いて評価したナフィオン膜およびハイブリッド膜の電流電圧特性をした図である。
【図４】発電試験の結果を表したものである。
【図１】
2007018778.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年9月13日(2005.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】ナフィオンに導入した酸化物重量と溶媒吸着量の関係を示した図である。
【図２】ナフィオンに導入した酸化物重量と電解質の膨潤比の関係を示した図である。
【図３】2Mのメタノール溶液および純酸素を燃料に用いて評価したナフィオン膜およびハイブリッド膜の電流電圧特性をした図である。