(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池に関し、電解質膜、および触媒担体に同一の成分を含む材料を使用することで接合強度を高め、接合面での剥離を防止し、さらには電解質−電極間の抵抗の低減を可能とする燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】プロトン伝導性、および絶縁性を有する電解質１０と、前記電解質と主要成分が同様の多孔質体であって、導電性、および触媒作用を有するアノード触媒電極１２ａ、及びカソード触媒電極１２ｂと、を備えることを特徴とする燃料電池。【選択図】図２
2007184201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性、および絶縁性を有する電解質と、
前記電解質と主要成分が同様の多孔質体であって、
導電性、および触媒作用を有する触媒電極と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質は、多孔質ガラスを含み、
前記触媒電極は、前記多孔質ガラスに含まれる主成分を含むガラスであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質は、プロトン伝導ガラスであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電解質は、シリカを含み、
前記触媒電極は、前記電解質に含まれるシリカと同様の主成分を含むシリカであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００３−３３１８６２号公報には、ガラス電解質膜を備えた板状電解質体が開示されている。この板状電解質体は、具体的には、ガラス電解質膜と多孔質材料によって構成された一対の板状の支持体により構成されている。支持体上には、各々触媒が塗布され触媒層が形成される。そして、前記触媒層の間にガラス電解質ゾルを挟持し焼成することにより、ガラス電解質体が形成される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３３１８６２号公報
【特許文献２】特開２００３−３３１８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来のガラス電解質体においては、上記支持体は多孔質カーボンや、金属酸化物により構成される。このため、上記支持体の間にガラス電解質膜を挟持し焼成する場合においては、異種材料を接合させる事となるため、十分な接合強度を確保することができず剥離等が発生する可能性があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電解質膜、および触媒電極に同一の成分を含む材料を使用することで接合強度を高め、接合面での剥離を防止し、さらには電解質−電極間の抵抗の低減を可能とする燃料電池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】
【０００６】
第１の発明は、燃料電池であって、
プロトン伝導性、および絶縁性を有する電解質と、
前記電解質と主要成分が同様の多孔質体であって、
導電性、および触媒作用を有する触媒電極と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記電解質は、多孔質ガラスを含み、
前記触媒電極は、前記多孔質ガラスに含まれる主成分を含むガラスであることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記電解質は、プロトン伝導ガラスであることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第１の発明において、
前記電解質は、シリカを含み、
前記触媒電極は、前記電解質に含まれるシリカと同様の主成分を含むシリカであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、触媒電極には、前記電解質と主要成分が同様の多孔質体が使用される。このため、前記触媒電極は、前記電解質と類似する骨格構造を備えることとなる。同種の骨格構造を有する材料の結合は、異種材料の結合に比して強い。したがって、前記電解質と前記触媒担体を接合する場合においては、高い接合強度を確保することができる。
【００１１】
第２の発明によれば、前記電解質には多孔質ガラスが使用される。そして、前記触媒電極には、同じ主成分を含む多孔質ガラスが使用される。このため、前記触媒電極は、前記電解質と類似するガラス骨格構造を備えることとなる。したがって、前記電解質と前記触媒電極を接合する場合においては、高い接合強度を確保することができる。
【００１２】
第３の発明によれば、前記電解質、および前記触媒電極にはプロトン伝導ガラスが使用される。プロトン伝導ガラスは、プロトン伝導性を有するガラスである。このため、前記電解質、および前記触媒電極は、後にプロトン伝導材料を含浸させる工程を行う必要がなく、プロトン伝導性を確保することができる。
【００１３】
第４の発明によれば、前記電解質にはシリカが使用される。そして、前記触媒担体には、同じ主成分を含むシリカが使用される。このため、前記触媒電極は、前記電解質と類似する骨格構造を備えることとなる。したがって、前記電解質と前記触媒電極を接合する場合においては、高い接合強度を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態の燃料電池は電解質１０を備えている。電解質１０の両側には、アノード触媒電極１２ａ、およびカソード触媒電極１２ｂが配置されている。そして、これらが接合され、膜電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）１４が構成される。ＭＥＡ１４の外側には、セパレータ１６ａ、１６ｂがそれぞれ配置され、単位セル１８が構成される。単位セルから発電される電力は微量であるため、通常、単位セルを複数積層したセルスタックを構成し、必要とされる電力を確保することとしている。
【００１５】
[実施の形態１の特徴]
次に、図２を参照して、本発明の実施形態１の特徴について説明する。図２に示すように、本実施の形態の電解質１０は多孔質ガラスにより構成されている。多孔質ガラスには、例えば、１種類のガラス成分からなるケイ酸ガラス、リン酸ガラス、ホウ酸ガラス、２種類以上のガラスを混合したリンケイ酸ガラス、ホウリン酸ガラス、ケイホウ酸ガラス等の多孔体が使用される。また、多孔質ガラスは絶縁体であるため、電解質１０内部の電子の通過を遮断する役割を果たす。
【００１６】
次に、アノード触媒電極１２ａ、およびカソード触媒電極１２ｂは、前述したガラス電解質１０と同様の多孔質ガラスによって構成される。ここで、前述のとおり、多孔質ガラスは絶縁体であるため、このままでは電極としての役割を果たすことができない。そこで、触媒電極の多孔質ガラスには、生成時にカーボン（Ｃ）等の導電性物質が混ぜられ、導電性を確保することとしている。
【００１７】
また、触媒電極１２ａ、および１２ｂには化学反応を促進させるための触媒物質が必要となる。触媒物質には、主に白金（Ｐt）が使用される。ここで、白金（Ｐt）は高価な物質であることから、消費量が少ないほど好ましい。そこで、経済性を考慮し、化学反応が主に行われる電解質側から濃度勾配を付けて、徐々に含有量を減少させるように含浸させることとすると好適である。
【００１８】
次いで、本実施の形態においては、アノード触媒電極１２ａ、およびカソード触媒電極１２ｂの間に前記ガラス電解質１０を挟み、加熱することにより両電極が電解質に接合され、ＭＥＡ１４が形成される。ここで、前述のとおり、上記ガラス電解質１０と、触媒電極１２は同じガラス成分を含有する。このため、前記触媒担体は、前記電解質と高い接合強度で接合される。また、同種の材料は比較的容易に接合することが可能であるため、接合工程を簡素化することができる。
【００１９】
次いで、前記ガラス電解質１０にプロトン伝導材料が含浸される。ここでプロトン伝導材料とは、プロトン（Ｈ＋）が内部を伝導することのできる材料を言う。ここでは、例えばＣsＨＳＯ４、ＣsＨ２ＰＯ４、Ｈ２Ｗ１２ＰＯ４０等が使用される。これにより、電解質１０の内部をプロトン（Ｈ＋）が通過することができることとなる。以上により、本実施の形態のＭＥＡ１４が形成される。
【００２０】
次に、本実施の形態の燃料電池の動作を説明する。アノード触媒電極３４に供給された水素ガス（Ｈ２）は、アノード電極１２ａ内部に混入された触媒の作用によって原子間の結合が弱められ、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分離される。そしてプロトンはプロトン伝導材料が含浸されたガラス電解質１０内部をカソード触媒電極１２ｂに向かって移動し、電子は図示しない負荷を通ってカソード電極１２ｂに向かって移動する。カソード触媒電極１２ｂに供給される空気に含まれる酸素（Ｏ２）、負荷を通った電子、及びガラス電解質１０内部を移動したプロトンは、カソード電極１２ｂ内部に混入された触媒の作用によって水分子（Ｈ２Ｏ）を生成する。燃料電池では、このような一連の反応が行われ、空気、及び水素が連続的に供給されることによって発電を行い、負荷で電力が取り出される。
【００２１】
以上、説明したとおり、本実施形態の燃料電池においては、触媒電極１２ａ、および１２ｂが、ガラス電解質１０と同じ成分を含むガラスによって形成される。このため、前記ガラス電解質と前記触媒電極との接合強度が強く、接合面においての剥離等を効果的に防止することができる。また、接合面を境とした急激な材質変化がないため、前記触媒電極から前記電解質へ、プロトンが伝導する際の抵抗が低減され、燃料電池出力低下を軽減することができる。
【００２２】
また、本実施の形態においては、多孔質ガラスによって形成されている各触媒電極が、電極内部に浸入する反応ガスを拡散させる。このため、別途ガス拡散層を電極外側に設置することなく、ガス拡散機能を果たすことができる。
【００２３】
ところで、上述した実施の形態１においては、電極での化学反応を促進するために触媒電極１２ａ、および１２ｂに白金等の触媒を含浸させることとしている。これは、化学反応が起こるためには、プロトン伝導性を有するエリアに触媒物質、及び反応ガスが存在していることが必要となるためである。このため、接合面だけでなく前記触媒電極内部にプロトン伝導エリアを形成することで、さらに化学反応を促進させる構成も可能である。すなわち、電極内部にプロトン伝導体を含浸させることにより、化学反応を更に促進させる構成としてもよい。
【００２４】
また、上述した実施の形態１においては、ガラス多孔体により、ＭＥＡ１４を形成することとしているが、材質はガラスのみに限られない。すなわち、多孔質ガラスと同様の効果を有するのであれば、例えば、シリカ等に代表される非ガラスの多孔体であってもよい。
【００２５】
また、上述した実施の形態１においては、触媒電極１２ａ、および１２ｂに白金等の触媒物質を含浸させる際に、化学反応が主に行われる電解質側から濃度勾配を付けて徐々に含有量を減少させることしている。しかしながら、触媒物質を前記触媒電極に付与する形態はこれに限られない。すなわち、前記触媒物質が均一に含有された多孔質ガラスと、前記触媒物質が含まれない多孔質ガラスとを別途形成し、化学反応が主に行われる電解質側に触媒物質を含む多孔質ガラスが配置されるように両ガラスを張り合わせて、前記触媒電極を形成することとしてもよい。また、前記触媒物質が均一に含有された多孔質ガラスのみにより前記触媒電極を構成することとしてもよい。また、触媒物質を多孔質ガラスに均一に含有させる手法に関しては、ガラス生成後に含浸させる方法であっても、ガラス生成時に混ぜる方法であってもよい。
【００２６】
また、上述した実施の形態１においては、アノード触媒電極１２ａ、およびカソード触媒電極１２ｂは、前述したガラス電解質１０と同様の多孔質ガラスによって構成されることとしているが、前記触媒電極の材質はこれに限られない。すなわち、前記触媒電極の材質がガラス電解質１０に含まれる主成分を含むガラスであれば、材料骨格が類似するため本発明の効果を有する。例えば、前記電解質がケイ酸ガラスである場合、前記触媒電極は、ケイ酸を主成分とし他のガラス成分を混合した、リンケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス等であってもよい。
【００２７】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
上述した実施の形態１では、多孔質ガラスにプロトン伝導材料を含浸させることによりガラス電解質を形成することとしている。しかしながら、ガラス電解質内部は常に水分に浸されており、またプロトン伝導材料は含浸されているため、プロトン伝導材料が水分と共に徐々に流出する恐れがある。そこで、ＭＥＡの材料として、プロトン伝導ガラスを使用することも可能である。
【００２８】
プロトン伝導ガラスとは、プロトン伝導性を有するガラス材料であり、例えば、ＳiＯ２−Ｐ２Ｏ５、ＰbＯ−ＳrＯ−Ｐ２Ｏ５、ＰbＯ−ＳrＯ−ＢaＯ−Ｐ２Ｏ５、ＳiＯ２−ＺrＯ２−Ｐ２Ｏ５等が該当する。これらのガラス材料は、後からプロトン伝導材料を含浸させる必要が無く、また、伝導材が流れ出る恐れも無いため好適である。
【００２９】
[実施の形態２の特徴]
次に、図３を参照して、本実施形態の特徴であるプロトン伝導ガラスを使用したＭＥＡの構成について説明する。先ず、図３に示すように、本実施の形態のＭＥＡ３４は、電解質膜３０、アノード触媒電極３２ａ、およびカソード触媒電極３２ｂから構成されている。先ず、電解質３０は上記プロトン伝導ガラスにより形成されている。このため、プロトン伝導材料を含浸させる必要がなく、ガラス電解質３０内部をプロトンが通過することができる。
【００３０】
次に、触媒電極３２ａ、および３２ｂには、前述したガラス電解質３０と同じプロトン伝導ガラスが使用される。ここで、プロトン伝導ガラスは絶縁体であるため、このままでは触媒電極としての役割を果たすことができない。そこで、前述した実施の形態１と同様に、触媒電極のプロトン伝導ガラスには、カーボン（Ｃ）等の導電性物質が混ぜられ、導電性を確保することとしている。また、触媒には、前述した実施の形態１と同様に、白金（Ｐt）等が含浸され、触媒性能を確保することとしている。
【００３１】
次いで、本実施の形態では、アノード触媒電極３２ａ、およびカソード触媒電極３２ｂの間に前記ガラス電解質３０を挟み、加熱することにより両電極がガラス電解質に接合され、ＭＥＡ３４が形成される。ここで、前述のとおり、上記ガラス電解質３０と、触媒電極３２は同じ成分を有するプロトン伝導ガラスである。このため、これらは高い接合強度で接合される。また、比較的容易に接合することが可能であるため、接合工程を簡素化することができる。
【００３２】
以上、説明したとおり、本実施形態の燃料電池においては、触媒電極３２ａ、３２ｂが、ガラス電解質３０と同じ成分を含むプロトン伝導ガラスによって形成される。このため、ガラス電解質３０と触媒電極３２との接合強度が強く、接合面においての剥離等を効果的に防止することができる。また、接合面を境とした急激な材質変化がないため、電極から電解質へプロトンが伝導する際の抵抗が低減され、燃料電池出力低下を軽減することができる。
【００３３】
また、本実施の形態においては、多孔質ガラスによって形成されている各触媒電極が、電極内部に浸入する反応ガスを拡散させる。このため、別途ガス拡散層を電極外側に設置することなく、ガス拡散機能を果たすことができる。
【００３４】
ところで、上述した実施の形態２においては、触媒電極３２ａ、および３２ｂに白金等の触媒物質を含浸させる際に、化学反応が主に行われる電解質側から濃度勾配を付けて徐々に含有量を減少させることしている。しかしながら、触媒物質を前記触媒電極に付与する形態はこれに限られない。すなわち、前記触媒物質が均一に含有されたプロトン伝導ガラスと、前記触媒物質が含まれないプロトン伝導ガラスとを別途形成し、化学反応が主に行われる電解質側に触媒物質を含むプロトン伝導ガラスが配置されるように両ガラスを張り合わせて、前記触媒電極を形成することとしてもよい。また、前記触媒物質が均一に含有されたプロトン伝導ガラスのみにより前記触媒電極を構成することとしてもよい。また、触媒物質をプロトン伝導ガラスに均一に含有させる手法に関しては、ガラス生成後に含浸させる方法であっても、ガラス生成時に混ぜる方法であってもよい。
【００３５】
また、上述した実施の形態２においては、アノード触媒電極３２ａ、およびカソード触媒電極３２ｂは、前述したガラス電解質３０と同様のプロトン伝導ガラスによって構成されることとしているが、前記触媒電極の材質はこれに限られない。すなわち、前記触媒電極の材質がガラス電解質１０に含まれる主成分を含むプロトン伝導ガラスであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のＭＥＡの構成を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態２のＭＥＡの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０、３０      電解質
１２ａ、３２ａ  アノード触媒電極
１２ｂ、３２ｂ  カソード触媒電極
１４、３４      ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）            
１６ａ、１６ｂ  セパレータ
１８            単位セル
【図１】
2007184201.tif 000003
【図２】
2007184201.tif 000004
【図３】
2007184201.tif 000005