(57)【要約】【課題】アルカリ型燃料電池のアノード反応を促進させるために、触媒量の増加と、燃料およびＯＨ−イオンの拡散性向上という相反する課題を解決することができるアルカリ型燃料電他用膜電極接合体を提供する。  【解決手段】本発明によるアルカリ型燃料電他用膜電極接合体は、多孔体上に金属あるいは金属化合物を担持させてなる触媒担持体層と、金属メッシュからなり厚みが１００〜１０００μｍである燃料拡散層とが交互に積層されてなるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔体上に金属あるいは金属化合物を担持させてなる触媒担持体層と、金属メッシュからなり厚みが１００〜１０００μｍである燃料拡散層とが交互に積層されてなるアルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体。
【請求項２】
前記多孔体が、カーボンクロス、カーボンペーパー、ニッケル繊維、ニッケル多孔体、ニッケルメッシュおよび銀メッシュからなる群から選択される請求項１に記載のアルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体。
【請求項３】
前記金属あるいは金属化合物が、白金、ロジウム、ルテニウム、金、鉄、コバルト、ニッケル、銅、錫および鉛からなる群から選択される金属あるいはその化合物である、請求項２または３に記載のアルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体。
【請求項４】
前記触媒担持体層が２層以上である、請求項１〜３のいずれか１つに記載のアルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のアルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体をアノードとして用いたアルカリ型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体およびそれをアノードとして用いたアルカリ型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料電池として、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型等の多様な方式のものが知られている。
【０００３】
特許文献１には、苛性アルカリ水溶液を電解液とし、アノードに燃料水素ガスを、カソードに酸素ガスを供給するアルカリ型燃料電池の一般的な構造が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、アノードにメタノールを供給する直接メタノール燃料電池に使用される電極拡散層が開示されている。この電極拡散層は、液状のメタノールの通路となる親水性多孔質凝集体と、アノード反応により生成した二酸化炭素を排出する疎水性多孔質凝集体とを含んでいる。
【０００５】
特許文献３および４には、一対のガス拡散電極を電解質の両面に接合されて有する燃料電池が開示されている。このガス拡散電極は、電解質側の触媒層と、その反対側の金属メッシュ等からなる拡散層とを備えている。
【０００６】
従来型のアルカリ型燃料電池の膜電極の構造を図２に示す。
【０００７】
このような構造の膜電極接合体では、燃料として例えばＮａＨ２ＰＯ３を用いると、アノードおよびカソードにおいて下記に示す反応が起こり、ＯＨ−イオンがイオン伝導体となる：
アノード：ＨＰＯ３２−＋３ＯＨ−→ＰＯ４３−＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
カソード：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−
ここでアノード反応に着目すると、多孔質担体に触媒金属が担持されてなるアノードでは、触媒への燃料（ＮａＨ２ＰＯ３）のＨＰＯ３２−の移動およびイオン伝導体であるＯＨ−の移動の両方がアノード反応の律速となっていた。すなわち、アノード反応は、アノードの多孔質担体中を拡散する燃料およびＯＨ−イオンの両方の速度によって決まる。他方、アノードの多孔質担体に担持される触媒量を多くすることによってもアノード反応は促進される。
【０００８】
ところが、アノードの単位体積当たりの触媒担持量が多すぎると、燃料およびＯＨ−イオンの移動が阻害されるようになるため、アノード反応が促進されない。そのため触媒を担持できる量には限界があった。
【０００９】
また、アノードの単位体積当たりの触媒担持量を維持したまま、アノードの厚みを増加させることにより触媒担持量を増加させようとした場合には、燃料の拡散性が悪化するという問題があった。
【特許文献１】特開２００２−８７０６号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８８３７号公報
【特許文献３】特開２０００−５８０７２号公報
【特許文献４】特表２００５−５１５６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のような実状に鑑み、アルカリ型燃料電池のアノード反応を促進させるために、触媒量の増加と、燃料およびＯＨ−イオンの拡散性向上という相反する課題を解決することができるアルカリ型燃料電他用膜電極接合体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】
【００１１】
本発明は、多孔体上に金属あるいは金属化合物を担持させてなる触媒担持体層と、金属メッシュからなり厚みが１００〜１０００μｍである燃料拡散層とが交互に積層されてなるアルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体である。
【００１２】
本発明において、前記多孔体は、好ましくは、カーボンクロス、カーボンペーパー、ニッケル繊維、ニッケル多孔体、ニッケルメッシュおよび銀メッシュからなる群から選択される。
【００１３】
前記金属あるいは金属化合物は、好ましくは、白金、ロジウム、ルテニウム、金、鉄、コバルト、ニッケル、銅、錫および鉛からなる群から選択される金属あるいはその化合物である。該金属は、例えば白金、ロジウム、ルテニウム、金、鉄、コバルト、ニッケル、銅、錫および鉛からなる群から選択される金属の合金であってもよい。金属化合物は、例えば白金、ロジウム、ルテニウム、金、鉄、コバルト、ニッケル、銅、錫および鉛からなる群から選択される金属の複合化合物であってもよい。
【００１４】
前記触媒担持体層は好ましくは２層以上であり、より好ましくは２〜５層である。
【００１５】
本発明によるアノード膜電極接合体を用いて構成したアルカリ型燃料電池は、高い最大出力を示すことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、アノードを触媒担持体の層と燃料拡散層とを交互に積層する構成とすることにより、触媒量の増加と燃料、ＯＨ−イオンの拡散性向上という相反する課題を同時に解決することができる。したがって、本発明によるアノード膜電極接合体を用いて構成したアルカリ型燃料電池は、高い最大出力を示すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施例およびこれとの比較のための比較例を幾つか示す。
【００１８】
実施例１
工程１
カーボンペーパー（東レ社製、型番：ＴＧＰＨ−１２０、厚み：０．３５ｍｍ）を硝酸コバルトＣｏ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏを０．６ｇ含む水溶液１００ｍｌに浸潰し、水素還元により、７ｍｇＣｏ／ｃｍ２の触媒担持カーボンペーパーを調製した。これを３６ｍｍ×３６ｍｍに切断し、複数枚の触媒担持体（アノード構成部材）を調製した。
【００１９】
工程２
カーボンペーパー（東レ社製、型番：ＴＧＰＨ−１２０、厚み：０．３５ｍｍ）に、銀粉末（粒径：２μｍ）と、ポリ−４−ビニルピリジンを四級化処理して調製したアニオン交換樹脂と、バインダ（ダイキン社製、ＰＯＬＹＦＬＯＮ（ＴＭ）ＰＴＦＥ、型番：Ｄ−２ＣＥ）とからなる組成物を塗布し、乾燥することにより、２ｍｇＡｇ／ｃｍ２の銀担持カーボンペーパーを調製した。これを３６ｍｍ×３６ｍｍに切断し、触媒担持体（カソード）を調製した。
【００２０】
工程３
７０ｍｍ×７０ｍｍに切断したアニオン交換膜（トクヤマ社製：ＡＨＡ）の片面の中央部に、図１に示すように、工程１で調製した触媒担持体、その上に３６ｍｍ×３６ｍｍに切断したニッケルメッシュ（桂田グレイチング社製、線径：０．１ｍｍ、厚み：２００μｍ）、さらにその上に触媒担持体というように、３層の触媒担持体と２層のニッケルメッシュを交互に積層し、アノードを作製した。アニオン交換膜の他方の面、すなわちアノードの反対側の面にてその中央に工程２で調製したカソードを設置した。こうして、アノード膜電極接合体を作製した。
【００２１】
実施例２
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００２２】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００２３】
工程３
２層の触媒担持体と１層のニッケルメッシュを交互に積層し、アノードを作製した点以外、実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００２４】
実施例３
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００２５】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００２６】
工程３
４層の触媒担持体と３層のニッケルメッシュを交互に積層し、アノードを作製した点以外、実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００２７】
実施例４            
工程１
硝酸コバルト水溶液の代わりにＮｉ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏを０．６ｇ含む水溶液１００ｍｌを用い、水素還元により、７ｍｇＮｉ／ｃｍ２の触媒担持カーボンペーパーを調製した。
【００２８】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００２９】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００３０】
実施例５
工程１
硝酸コバルト水溶液の代わりに硝酸コバルトＣｏ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏを０．３ｇと硝酸ニッケルＮｉ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏを０．３ｇ含む水溶液１００ｍｌを用い、水素還元により、７ｍｇＣｏ−Ｎｉ／ｃｍ２の触媒担持カーボンペーパーを調製した。
【００３１】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００３２】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００３３】
実施例６
工程１
硝酸コバルト水溶液の代わりにＨ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏを０．３２ｇ含む水溶液１００ｍｌを用い、水素還元により、７ｍｇＰｔ／ｃｍ２の触媒担持カーボンペーパーを調製した。
【００３４】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００３５】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００３６】
実施例７
工程１
硝酸コバルト水溶液の代わりにＨ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏを０．１６ｇとＳｎＣｌ２・２Ｈ２Ｏを０．１２ｇ含む水溶液１００ｍｌを用い、水素還元により、７ｍｇＰｔ−Ｓｎ／ｃｍ２の触媒担持カーボンペーパーを調製した。
【００３７】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００３８】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００３９】
実施例８
工程１
硝酸コバルト水溶液の代わりにＰｂ（ＮＯ３）２を０．２ｇ含む水溶液１００ｍｌを用い、水素還元により、７ｍｇＰｂ／ｃｍ２の触媒担持カーボンペーパーを調製した。
【００４０】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００４１】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００４２】
実施例９
工程１
カーボンペーパーの代わりにカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ社製、型番：Ｂ１、厚み：０．３５ｍｍ）を用いた点以外、実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００４３】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００４４】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００４５】
実施例１０
工程１
カーボンペーパーの代わりにニッケル繊維（日本精線社製、厚み：０．３５ｍｍ）を用いた点以外、実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００４６】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００４７】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００４８】
実施例１１
工程１
カーボンペーパーの代わりにニッケル多孔体（エース工業社製、型番：ＮＦ、厚み：０．３５ｍｍ）を用いた点以外、実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００４９】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００５０】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００５１】
実施例１２
工程１
カーボンペーパーの代わりにニッケルメッシュ（桂田グレイチング社製、厚み：０．３５ｍｍ）を用いた点以外、実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００５２】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００５３】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００５４】
実施例１３
工程１
カーボンペーパーの代わりに銀メッシュ（桂田グレイチング社製、厚み：０．３５ｍｍ）を用いた点以外、実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００５５】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００５６】
工程３
実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００５７】
実施例１４
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００５８】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００５９】
工程３
ニッケルメッシュとして、線径：０．２５ｍｍ、厚み：３５０μｍのものを用いた点以外、実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００６０】
実施例１５
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００６１】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００６２】
工程３
ニッケルメッシュとして、線径：０．２５ｍｍ、厚み：５００μｍのものを用いた点以外、実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００６３】
実施例１６
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００６４】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００６５】
工程３
ニッケルメッシュとして、線径：０．５ｍｍ、厚み：１０００μｍのものを用いた点以外、実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００６６】
実施例１７
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００６７】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００６８】
工程３
ニッケルメッシュとして、線径：０．１ｍｍ、厚み：１５０μｍのものを用いた点以外、実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００６９】
実施例１８
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００７０】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００７１】
工程３
ニッケルメッシュとして、線径：０．１ｍｍ、厚み：１００μｍのものを用いた点以外、実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００７２】
比較例１
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００７３】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００７４】
工程３
７０ｍｍ×７０ｍｍに切断したアニオン交換膜（トクヤマ社製：ＡＨＡ）の片面の中央部に、図２に示すように、工程１で調製した触媒担持体を設置し、アノードを作製した。アニオン交換膜の他方の面、すなわちアノードの反対側の面にてその中央に工程２で調製したカソードを設置した。こうして、アノード膜電極接合体を作製した。
【００７５】
比較例２
工程１
実施例１の工程１と同じ操作を行った。
【００７６】
工程２
実施例１の工程２と同じ操作を行った。
【００７７】
工程３
ニッケルメッシュとして、線径：０．５ｍｍ、厚み：１３００μｍのものを用いた点以外、実施例１の工程３と同じ操作を行った。
【００７８】
性能評価試験
実施例および比較例で得られたアノード膜電極接合体を用いて構成したアルカリ型燃料電池について、下記の条件で最大出力を測定した。その結果を表１に示す。
【００７９】
燃料：２ＮのＮａＨ２Ｐ０３＋１ＮのＫＯＨ
カソードガス：空気（１３０ｍｌ／ｍｉｎ）
圧力：常圧
測定温度：５０℃
湿度：１００％
【表１】
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【００８０】
表１中、ＣＰはカーボンペーパー、ＣＣはカーボンクロス、ＮＦはニッケル繊維、ＮＰニッケル多孔体、ＮＭはニッケルメッシュ、ＳＭは銀メッシュをそれぞれ意味する。
【００８１】
表１から明らかなように、実施例のアノード膜電極接合体を用いたアルカリ型燃料電池は、比較例のアノード膜電極接合体を用いたものに比べ、格段に高い最大出力を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は本発明によるアルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体を示す断面図である。
【図２】図２は従来のアルカリ型燃料電池用アノード膜電極接合体を示す断面図である。
【図１】
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【図２】
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