(57)【要約】【課題】構造の複雑化を抑制しつつ、低コストで発電性能の高い燃料電池を提供する。【解決手段】アノード極とカソード極と、アノード極とカソード極との間に配置された電解質膜を備える燃料電池において、電解質膜を、水素イオンを伝導するプロトン交換膜と、水酸化物イオンを伝導するアニオン交換膜と、プロトン交換膜とアニオン交換膜との間に配置された多孔質膜とを備える構造とする。あるいは、他の燃料電池として、電解質膜を、水素イオンを伝導するプロトン交換膜と、プロトン交換膜に接して配置された多孔質膜とを備える構造とする。この場合、カソード極は、触媒粒子と、水酸化物イオン伝導性を有する電解質溶液とを混合した溶液を、多孔質膜の、プロトン交換膜と接する面とは反対側の面側に塗布したものとする。【選択図】図１
2009193788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極と、
カソード極と、
前記アノード極と前記カソード極との間に配置された電解質膜と、を備え、
前記電解質膜は、
水素イオンを伝導するプロトン交換膜と、
水酸化物イオンを伝導するアニオン交換膜と、
前記プロトン交換膜と前記アニオン交換膜との間に配置された多孔質膜とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード極は、酸素と水とから水酸化物イオンを生成する反応に対して触媒作用を有する触媒粒子として、非白金系の酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで配置された、アノード極とカソード極と、を備え、
前記電解質膜は、
水素イオンを伝導するプロトン交換膜と、
前記プロトン交換膜に接して配置された多孔質膜と、を備え、
前記カソード極は、触媒粒子と、水酸化物イオン伝導性を有する電解質溶液とを混合した溶液を、前記多孔質膜の、前記プロトン交換膜と接する面とは反対側の面側に塗布したものであることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記カソード極は、酸素と水とから水酸化物イオンを生成する反応に対して触媒作用を有する触媒粒子として、非白金系の酸化物を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【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。更に具体的には、燃料と酸化剤とにより発電する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池として、プロトン交換膜である固体高分子型電解質膜として用いた燃料電池が知られている。この燃料電池は水素イオンを伝導体とするものであり、アノード極で水素イオンと電子が生成され、水素イオンがプロトン交換膜を通過してカソード極に移動する。また、電子はアノード極内を経由して外部電気回路を通ってカソード極に移動し、この間外部電気回路の負荷に対して仕事を行い、その結果、エネルギーが取り出されることとなる。
【０００３】
また、他の燃料電池として、アニオン交換膜を電解質膜として用いたアルカリ型の燃料電池が知られている。この燃料電池は水酸化物イオンを伝導体とするものであり、カソード極では、外部電気回路を介して電子が受け取られて水酸化物イオンが生成され、水酸化物イオンが電解質膜中を通ってアノード極側に移動する。一方、アノード極では、水素が水酸化物イオンと反応して水が生成される。また電子は、アノード極中を経由して外部電気回路を通ってカソード極に移動し、この間外部電気回路の負荷に対して仕事を行い、その結果、エネルギーが取り出されることとなる。
【０００４】
更に、特許文献１では、電解質膜として、プロトン交換膜（酸性膜）とアニオン交換膜（塩基性膜）とを接するように配置した膜を用い、プロトン交換膜側にアノード極を配置し、アニオン交換膜側にカソード極を配置した燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、アノード極で生成された水素イオンがプロトン交換膜中を移動し、一方、カソード極で生成された水酸化物イオンがアニオン交換膜中を移動する。各膜中を移動した水素イオンと水酸化物イオンは、プロトン交換膜とアニオン交換膜との境界部で反応し、その結果、水が生成される。生成された水は両膜に戻されると共に、両膜の境界部に形成された排水用の毛管から外部に排出される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９０９７０号公報
【特許文献２】特開２００６−２６０７９７号公報
【特許文献３】特開２００７−１２３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、例えば、プロトン交換膜を電解質膜とする燃料電池においては、アノード極及びカソード極が強酸性の環境に晒されることとなる。このため電極触媒の材料選択肢は狭く、一般的には酸性環境下でも腐食しにくい白金が用いられている。しかしながら、白金の総埋蔵量や燃料電池の生産コストを考慮すれば、燃料電池における白金の使用量を小さく抑えることが望まれる。
【０００７】
一方、アルカリ型燃料電池では、アノード極及びカソード極はアルカリ性の環境に晒されることとなる。このため電極触媒の材料選択肢は比較的広く、非白金系の触媒を用いることができる。しかしながら、アルカリ型燃料電池はアノード極の過電圧が高く、また、アニオン交換膜のイオン伝導率が低い。このためアノード極での反応及びイオン伝導率に燃料電池の電気化学反応全体が律速されることとなり、高い発電性能を発揮させることが難しい。
【０００８】
また、上記特許文献１の従来技術においては、プロトン交換膜とアニオン交換膜との界面において生成される水の排水のため毛管を形成する必要があり、単電池の構造が複雑となる。また、アニオン交換膜のイオン伝導率が低いため、燃料電池の電気化学反応が律速され、高い発電性能を得られないことが考えられる。
【０００９】
この発明は、上記の課題を解決することを目的として、構造の複雑化を抑制しつつ、低コストで発電性能の高い燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
アノード極と、
カソード極と、
前記アノード極と前記カソード極との間に配置された電解質膜と、を備え、
前記電解質膜は、
水素イオンを伝導するプロトン交換膜と、
水酸化物イオンを伝導するアニオン交換膜と、
前記プロトン交換膜と前記アニオン交換膜との間に配置された多孔質膜とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記カソード極は、酸素と水とから水酸化物イオンを生成する反応に対して触媒作用を有する触媒粒子として、非白金系の酸化物を含むことを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、上記目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで配置された、アノード極とカソード極と、を備え、
前記電解質膜は、
水素イオンを伝導するプロトン交換膜と、
前記プロトン交換膜に接して配置された多孔質膜と、を備え、
前記カソード極は、触媒粒子と、水酸化物イオン伝導性を有する電解質溶液とを混合した溶液を、前記多孔質膜の、前記プロトン交換膜と接する面とは反対側の面側に塗布したものであることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明において、前記カソード極は、酸素と水とから水酸化物イオンを生成する反応に対して触媒作用を有する触媒粒子として、非白金系の酸化物を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、燃料電池の電解質膜は、プロトン交換膜とアニオン交換膜と、この両膜の間に配置された多孔質膜とを有する。これにより、プロトン交換膜とアニオン交換膜との間で生成される水を多孔質膜内に保持しつつ、この生成水をプロトン交換膜側とアニオン交換膜側との双方に戻すことができる。従って、複雑な加湿のためのシステムを用いてアノード極及びカソード極を加湿する必要がなく、燃料電池の構造を単純化させることができる。
【００１５】
第２の発明によれば、カソード極は、酸素と水とから水酸化物イオンを生成する反応に対して触媒作用を有する触媒粒子として、非白金系の酸化物を含む。この燃料電池においては、カソード極側にはアニオン交換膜が配置されており、カソード極付近はアルカリ環境にある。従って非白金系の触媒を用いることができ、これにより、燃料電池のコストダウンを図ることができる。
【００１６】
第３の発明によれば、燃料電池の電解質膜は、プロトン交換膜と多孔質膜とを有する。これにより生成される水を多孔質膜内に保持しつつ、この生成水をアノード極側及びカソード極側の双方に戻すことができる。従って、複雑な加湿のためのシステムを用いてアノード極及びカソード極を加湿する必要がなく、燃料電池の構造を単純化させることができる。また、この発明によれば、カソード極は、触媒粒子と電解質溶液とを混合した溶液を多孔質膜表面に塗布することで形成されている。つまり、多孔質膜とカソード極との間にアニオン交換膜を有しておらず、カソード極では電解質溶液のみがイオン伝導体として機能する。従って、カソード極側のイオン伝導率を向上させることができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１７】
第４の発明によれば、カソード極は、酸素と水とから水酸化物イオンを生成する反応に対して触媒作用を有する触媒粒子として、非白金系の酸化物を含む。これにより、燃料電池のコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１９】
実施の形態．
図１はこの発明の燃料電池の発電部について説明するための模式図である。図１の発電部２（単電池）は、電解質膜１０を有している。電解質膜１０は、水素イオンを伝導するプロトン交換膜１２（プロトン膜）と、水酸化物イオンを伝導するアニオン交換膜１４（アルカリ膜）とを有している。アニオン交換膜１４は、プロトン交換膜１２に比べて薄く形成されている。プロトン交換膜１２とアニオン交換膜１４との境界部には、両膜１２、１４に挟持されて、ポーラス膜１６（多孔質膜）が配置されている。電解質膜１０のプロトン交換膜１２側にはアノード極２０が配置されている。一方、電解質膜１０のアニオン交換膜１４側にはカソード極３０が配置されている。
【００２０】
また、図示を省略するが、この燃料電池は、以上のような発電部２が積層されたスタック構造を有し、外部から燃料として水素を供給するための燃料供給系と、酸化ガスとしての大気を供給するための大気供給系とを有している。
【００２１】
各発電部２のアノード極２０には、燃料供給系からの燃料が供給される。アノード極２０では、次式（１）のように水素が分解されて水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが発生する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・・（１）
【００２２】
一方、各発電部２のカソード極３０には、大気供給系からの大気が供給される。カソード極３０では、次式（２）のように、酸素と水と電子とが反応して水酸化物イオン（ＯＨ−）が発生する。
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−      ・・・・（２）
【００２３】
ここでアノード極２０において発生した水素イオンはプロトン交換膜１２中を伝導してプロトン交換膜１２とアニオン交換膜１４との境界部のポーラス膜１６側に移動する。一方、カソード極３０で発生した水酸化物イオンはアニオン交換膜１４中を伝導して両膜１２、１４の境界部のポーラス膜１６側に移動する。ポーラス膜１６内には両膜１２、１４をそれぞれ移動して到達した水素イオン又は水酸化物イオンが存在し、これらが次式（３）のように反応して、水が生成される。
Ｈ＋＋ＯＨ−→Ｈ２Ｏ      ・・・（３）
【００２４】
このときアノード極２０で発生した電子は、アノード極２０を経由して外部電気回路（図示せず）からカソード極３０に移動する。この間、外部電気回路の負荷に対して仕事を行い、これにより、エネルギーが取り出されることとなる。
【００２５】
ところで、この燃料電池において、電解質膜１０は、プロトン交換膜１２とアニオン交換膜１４と、この両膜１２、１４の間に挟まれたポーラス膜１６とにより構成されている。ここで、アニオン交換膜１４はプロトン交換膜１２よりも薄くなっている。また、ポーラス膜１６は、具体的に例えば、ポリミドやポリエチレン等の高分子材料を構成材料とし、直径数μm〜０．１μm程度の多数の細孔を有している。また、ポーラス膜１６は撥水処理されている。これにより、式（３）の反応によって生成された水を、ポーラス膜１６の細孔内にある程度滞留させることができる。ポーラス膜１６中に滞留する生成水は、ポーラス膜１６の両側に接するプロトン交換膜１２とアニオン交換膜１４との両膜に徐々に戻される。
【００２６】
これにより、プロトン交換膜１２とアニオン交換膜１４との両膜側に十分な水分を保持させることができる。従って、アノード極２０及びカソード極３０を加湿するための特別なシステムを配置することなく、アノード極２０側及びカソード極３０側を十分な湿潤状態に保持することができる。従って、この実施の形態の燃料電池によれば、燃料電池及びその発電部の構造を単純化し、燃料電池の小型化を図ることができる。
【００２７】
また、この電解質膜１０の構造によれば、アノード極２０側にはプロトン交換膜１２が配置される。これにより、アノード極がアニオン交換膜に接する構造となる従来のアルカリ型燃料電池と比較して、アノード極２０側の過電圧を低くすることができる。また、カソード極３０側には薄いアニオン交換膜１４が配置される。従って、カソード極がプロトン交換膜に接する構造となる従来のプロトン型の燃料電池と比較して、カソード極３０側の過電圧を低くすることができる。従って、この実施の形態によれば、全体として燃料電池の高い性能を実現することができる。
【００２８】
また、この燃料電池のアノード極２０の触媒としては、低白金量触媒を用いている。一方、カソード極３０の触媒としては、ランタン−鉄の酸化物等の非白金系触媒を用いている。このように、低白金量触媒及び非白金系触媒を、各電極２０、３０の触媒とすることで、白金量を大幅に削減することができ、燃料電池のコストダウンを図ることができる。
【００２９】
なお、アノード極２０の触媒は低白金量触媒に限られるものではなく、上記式（１）の反応に対し触媒作用を有するものであればよい。但し、アノード極２０はプロトン交換膜１２に接しており、酸性環境下に晒される。従って、アノード極２０の触媒としては、酸性環境下でも腐食しにくい触媒材料を用いることが望まれる。具体的に、アノード極２０の他の触媒材料としては、白金、白金ルテニウム等を用いることが考えられる。
【００３０】
また、カソード極３０の触媒は非白金系触媒に限られるものではなく、上記式（２）の反応に対し触媒作用を有するものであればよい。特に、この燃料電池においてカソード極３０はアニオン交換膜１４に接する構造となっている。従って、カソード極３０の周囲はアルカリ環境となる。このため、カソード極３０の触媒は白金等の酸に溶けない材料に限られず、材料の選択肢の幅を広く確保することができる。具体的に、カソード極３０の他の触媒材料としては、上記酸化物の他に、鉄、コバルト、ニッケル触媒等を用いることが考えられる。
【００３１】
なお、この実施の形態の燃料電池において、電解質膜１０はアニオン交換膜１４を有し、カソード極３０はアニオン交換膜１４に接するようにして配置されていることを説明した。ここでカソード極３０は、例えば、触媒粒子（非白金系触媒）をアイオノマー（電解質溶液）に混合した電極形成用インクを形成し、これをアニオン交換膜１４表面に塗布して乾燥させることで形成される。
【００３２】
しかし、この発明の燃料電池は、例えば、電解質膜１０にはアニオン交換膜１４を形成せず、カソード極３０に含まれるアイオノマーを、水酸化物イオンの伝導体とするものとしてもよい。このような他の例では、例えば、電解質膜１０のポーラス膜１６表面に直接、電極形成用インクを塗布して乾燥させることにより、イオン伝導体を含むカソード極３０が形成される。このように、カソード極３０のアイオノマーをイオン伝導体とし、アニオン交換膜１４を形成しない構造とすることで、アニオン交換膜によるイオン伝導性の低下を抑え、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００３３】
また、実施の形態では、アノード極２０側には水素を供給し、カソード極３０側には酸素を供給する隔膜型の発電部２を用いた燃料電池について説明した。しかし、この発明の発電部２の構造は隔膜型に限るものではなく、燃料と酸素とを混合して供給する単室型燃料電池に適用することもできる。この場合には、燃料としてはアルコール等を供給し、アノード極には改質触媒を用い、カソード極としては燃料の改質反応を触媒しない触媒を用いる。
【００３４】
以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池について説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
２  発電部
１０  電解質膜
１２  プロトン交換膜
１４  アニオン交換膜
１６  ポーラス膜
２０  アノード極
３０  カソード極
【図１】
2009193788.tif 000003