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公開番号2024148519
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-18
出願番号2023061716
出願日2023-04-05
発明の名称膜電極接合体、その製造方法及び燃料電池
出願人国立大学法人金沢大学,株式会社ジェイテクト
代理人弁理士法人あいち国際特許事務所
主分類H01M 8/1004 20160101AFI20241010BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】液体燃料を用いる燃料電池の出力を向上させることができる膜電極接合体、その製造方法及びこの膜電極接合体を備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体1は、電解質膜2と、導電性繊維311から構成され、電解質膜2の両面上に設けられた拡散層3と、触媒を含み、電解質膜2と拡散層3を構成する導電性繊維311との間に介在する触媒膜4と、を有している。拡散層3における電解質膜2側の第一表面32には、周方向における半分以上の領域が触媒膜4によって覆われている導電性繊維311aが存在している。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
液体燃料を用いて発電可能に構成された燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
前記膜電極接合体は、電解質膜と、
導電性繊維から構成され、前記電解質膜の両面上に設けられた拡散層と、
触媒を含み、前記電解質膜と前記拡散層を構成する前記導電性繊維との間に介在する触媒膜と、を有し、
前記拡散層における前記電解質膜側の第一表面に、周方向における半分以上の領域が前記触媒膜によって覆われている前記導電性繊維を有している、膜電極接合体。
続きを表示（約 930 文字）【請求項２】
前記拡散層における前記電解質膜側の表面に存在する前記導電性繊維のうち、少なくとも一部の導電性繊維の周方向における全面が前記触媒膜によって覆われている、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記触媒膜は、前記拡散層における、前記第一表面から前記拡散層の厚み方向の中央までの領域に存在する前記触媒膜の量が、前記第一表面の背面である第二表面から前記拡散層の厚み方向における中央までの領域に存在する前記触媒膜の量よりも多くなるような分布を有している、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記触媒膜は、前記拡散層をその厚み方向において３つ以上の領域に区画した際に、前記第一表面に最も近い領域内に存在する前記触媒膜の量が最も多く、前記第一表面からの距離が大きい領域ほど、当該領域内に存在する前記触媒膜の量が少なくなるような分布を有している、請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記拡散層がカーボンクロスである、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
前記カーボンクロスが導電性炭素繊維の撚糸から構成されている、請求項５に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記触媒膜と前記電解質膜との界面が、前記導電性繊維の表面に沿った凹凸を有している、請求項５に記載の膜電極接合体。
【請求項８】
請求項１～７のいずれか１項に記載の膜電極接合体を備えた燃料電池。
【請求項９】
前記液体燃料としてギ酸を使用することができるように構成されている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
請求項１～７のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記拡散層の片面上に前記触媒を含む触媒粒子を堆積させて前記触媒膜を形成し、
その後、前記触媒膜と前記電解質膜とが接触するようにして前記拡散層と前記電解質膜とを重ね合わせて積層体を形成し、
前記積層体のヒートプレスを行うことにより前記膜電極接合体を得る、膜電極接合体の製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体、その製造方法及び燃料電池に関する。
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等の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面上に設けられたカソードと、を含む膜電極接合体を有している。燃料電池は、膜電極接合体のアノードに燃料を供給するとともに、カソードに酸化剤を供給することにより、アノードとカソードとの間に起電力を生じさせ、発電を行うことができる。また、膜電極接合体には、燃料や酸化剤を拡散させ、アノードやカソードにおける電極反応を促進する目的で、導電性多孔質からなる拡散層が設けられていることがある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、触媒層、電解質膜及び触媒層が順次積層された触媒層－電解質膜積層体の片面又は両面に、燃料電池用ガス拡散層が積層されている燃料電池用膜－電極接合体が記載されている。燃料電池用膜－電極接合体における前記燃料電池用ガス拡散層は、導電性多孔質層を有し、且つ、前記触媒層と前記導電性多孔質層とが接するように前記触媒層－電解質膜積層体上に積層されている。前記導電性多孔質層は、少なくとも導電性炭素粒子、並びにガラス転移温度が、触媒層中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質のガラス転移温度以下、及び電解質膜を構成する水素イオン伝導性樹脂のガラス転移温度以下の少なくとも１つを満たす高分子重合体を含んでいる。前記導電性多孔質層中の前記高分子重合体は、触媒層と接しない表面よりも触媒層と接する表面に密に存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１２－１９９２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、直接メタノール形燃料電池や直接ギ酸形燃料電池などの、液体燃料を用いる燃料電池が開発されている。液体燃料は水素ガス等の気体に比べて、取り扱いが容易であり、単位体積当たりエネルギー密度を高くすることができるため、極めて有用である。しかし、特許文献１の燃料電池用膜－電極接合体を、液体燃料を用いる燃料電池に適用しようとすると、燃料電池の出力が低くなるという問題がある。そのため、液体燃料を用いる燃料電池に適した構造を有し、燃料電池の出力を向上させることができる膜電極接合体が望まれている。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、液体燃料を用いる燃料電池の出力を向上させることができる膜電極接合体、その製造方法及びこの膜電極接合体を備えた燃料電池を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、液体燃料を用いて発電可能に構成された燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
前記膜電極接合体は、電解質膜と、
導電性繊維から構成され、前記電解質膜の両面上に設けられた拡散層と、
触媒を含み、前記電解質膜と前記拡散層を構成する前記導電性繊維との間に介在する触媒膜と、を有し、
前記拡散層における前記電解質膜側の第一表面に、周方向における半分以上の領域が前記触媒膜によって覆われている前記導電性繊維を有している、膜電極接合体にある。
【０００８】
本発明の他の態様は、前記の態様の膜電極接合体を備えた燃料電池にある。
【０００９】
本発明のさらに他の態様は、前記の態様の膜電極接合体の製造方法であって、
前記拡散層の片面上に前記触媒を含む触媒粒子を堆積させて前記触媒膜を形成し、
その後、前記触媒膜と前記電解質膜とが接触するようにして前記拡散層と前記電解質膜とを重ね合わせて積層体を形成し、
前記積層体のヒートプレスを行うことにより前記膜電極接合体を得る、膜電極接合体の製造方法にある。
【発明の効果】
【００１０】
前記膜電極接合体における拡散層は、導電性繊維から構成されており、触媒膜は、電解質膜と拡散層を構成する導電性繊維との間に介在している。また、拡散層における電解質膜側の第一表面に、周方向における半分以上の領域が触媒膜によって覆われている導電性繊維が存在している。このように、拡散層の第一表面に存在する導電性繊維の、周方向における半分以上の領域を触媒膜で被覆することにより、触媒膜の比表面積を広くすることができる。その結果、液体燃料と触媒膜とがより接触しやすくなり、比較的拡散性の低い液体燃料を用いる場合に液体燃料と触媒とをより効率よく反応させることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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