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公開番号2024113581
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-22
出願番号2023018667
出願日2023-02-09
発明の名称燃料電池用電極、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池
出願人国立大学法人九州大学,日産化学株式会社
代理人個人,個人
主分類H01M 4/86 20060101AFI20240815BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】固体高分子形燃料電池に適した燃料電池用電極を提供する。
【解決手段】電子伝導性を有する触媒担体と、前記触媒担体の表面に分散担持された電極触媒粒子と、前記触媒担体及び電極触媒粒子の表面を被覆する電解質材料と、からなる電極触媒層を有し、前記電解質材料が、非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーと、プロトン伝導性ポリマーとを混合したブレンドイオノマーとからなり、前記非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーが、スピロ骨格及びジベンゾジオキシン骨格を有する固有微多孔性高分子である燃料電池用電極。当該電極は、高いガス透過性を有し、固体高分子形燃料電池の電極として使用した際に優れた発電性能を有する。
【選択図】図8
特許請求の範囲【請求項１】
電子伝導性を有する触媒担体と、前記触媒担体の表面に分散担持された電極触媒粒子と、前記触媒担体及び電極触媒粒子の表面を被覆する電解質材料と、からなる電極触媒層を有し、
前記電解質材料が、非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーと、プロトン伝導性ポリマーとを混合したガス透過性ブレンドイオノマーとからなり、
前記非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーが、スピロ骨格及びジベンゾジオキシン骨格を有する固有微多孔性高分子であることを特徴とする燃料電池用電極。
続きを表示（約 580 文字）【請求項２】
非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーが、下記式（１ａ）又は式（２ａ）で表されるテトラヒドロキシ化合物、及び式（１ｂ）、式（２ｂ）、式（３ｂ）、式（４ｂ）、式（５ｂ）、式（６ｂ）又は式（７ｂ）で表されるテトラフルオロ化合物との反応に由来する構造を繰り返し単位として含む請求項１に記載の燃料電池用電極。
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【請求項３】
非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーが、下記式（１ｃ）で表される構造を繰り返し単位として含む請求項１に記載の燃料電池用電極。
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【請求項４】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードとを有する膜電極接合体であって、前記カソード及びアノードの少なくとも一方が、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用電極である膜電極接合体。
【請求項５】
請求項４に記載の膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池に適した燃料電池用電極及び膜電極接合体、これに使用されるガス透過性ポリマーを含有するブレンドイオノマーに関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の電極は、電極材料及び電解質材料からなる電極触媒層と、ガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層とから構成される。
ＰＥＦＣ電極（アノード及びカソード）の電極触媒層として、触媒担体に炭素系材料を使用し、当該触媒担体の表面に電極触媒粒子（典型的にはＰｔ粒子）を担持した電極材料と電解質材料とを含む電極が広く使用されている（例えば、特許文献１）。また、より優れた電極性能を与えることができる電極触媒層として、炭素系担体に代えて、ＰＥＦＣ作動条件（強酸性、高電位）で熱力学的に安定な酸化スズ（ＳｎＯ
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）等の電子導電性酸化物を触媒担体に使用した電極材料及び電解質材料を含む電極触媒層が開発されている（例えば、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１１－２８９７８号公報
特許第５３２２１１０号公報
特許第６５９８１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＰＥＦＣの電極反応は、Ｐｔ等の電極触媒粒子、電解質材料（イオノマー）、反応ガス（酸素又は水素）が共存するいわゆる三相界面で進行する。電極触媒層において、触媒担体の表面に担持された電極触媒粒子は電解質材料によって被覆され、電解質材料を介して電極触媒粒子にプロトンが供給されているが、三相界面における電極反応を促進させるためには、電解質材料には、プロトン伝導性に優れると共に、三相界面への酸素（空気）又は水素ガスをスムーズに供給できることが望ましい。
【０００５】
しかしながら、電極触媒層を構築する材料のうち、電極触媒や触媒担体については、改善が図られているが、電極触媒層に含まれる電解質材料についてはほとんど注目されず、抜本的な課題解決はなされていないのが実情である。
現在、電極触媒層における電解質材料として、電解質膜と同様にフッ素系イオノマー（典型的にはＮａｆｉｏｎやＡｑｕｉｖｉｏｎ）を、電極材料と混合させて電極材料表面に物理的にコーティングする形で吸着させているものがほとんどである。電解質膜に使用されるイオノマーはガス透過性が乏しい（ガスバリア性を有する）ため、電極に含まれるイオノマーによって電極触媒粒子（電極反応場）へのガス供給を阻害されるという問題が生じていた。
【０００６】
このように、ＰＥＦＣのさらなる高性能化のためには、電極触媒層における電解質材料のガス透過性の改善の余地があるのが実情である。
かかる状況下、本発明は、ガス透過性に優れた電極触媒層を備えた電極を提供することを目的とする。さらには、当該電極を備えた膜電極接合体、及び固体高分子形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】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、以下の発明の電極及び膜電極接合体に係るものである。
＜１＞電子伝導性を有する触媒担体と、前記触媒担体の表面に分散担持された電極触媒粒子と、前記触媒担体及び電極触媒粒子の表面を被覆する電解質材料と、からなる電極触媒層を有し、
前記電解質材料が、非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーと、プロトン伝導性ポリマーとを混合したガス透過性ブレンドイオノマーとからなり、
前記非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーが、スピロ骨格及びジベンゾジオキシン骨格を有する固有微多孔性高分子であることを特徴とする燃料電池用電極。
＜２＞非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーが、下記式（１ａ）又は式（２ａ）で表されるテトラヒドロキシ化合物、及び式（１ｂ）、式（２ｂ）、式（３ｂ）、式（４ｂ）、式（５ｂ）、式（６ｂ）又は式（７ｂ）で表されるテトラフルオロ化合物との反応に由来する構造を繰り返し単位として含む＜１＞に記載の燃料電池用電極。
【０００９】
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【００１０】
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＜３＞非プロトン伝導性ガス透過性ポリマーが、下記式（１ｃ）で表される構造を繰り返し単位として含む＜１＞に記載の燃料電池用電極。
（【００１１】以降は省略されています）

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