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公開番号2025099432
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2023216092
出願日2023-12-21
発明の名称固体高分子電解質形燃料電池
出願人学校法人上智学院
代理人個人
主分類H01M 8/1004 20160101AFI20250626BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】燃料電池の耐久性を向上する。
【解決手段】燃料電池100は、電解質膜107の両面に電極が接合された膜電極接合体115と、担体およびセリウムを含むセリウム複合体と、を備え、セリウム複合体中のセリウムの含有量に対する担体の含有量の質量比が15以上100以下である。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体と、
担体およびセリウムを含むセリウム複合体と、
を備え、
前記セリウム複合体中の前記セリウムの含有量に対する前記担体の含有量の質量比が１５以上１００以下である、固体高分子電解質形燃料電池。
続きを表示（約 790 文字）【請求項２】
前記セリウム複合体が前記電極の少なくとも一方に設けられている、請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記電極の単位面積当たりのセリウム含有量が２．０μｇ／ｃｍ
2
以上１０μｇ／ｃｍ
2
以下である、請求項２に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記担体がリン酸ジルコニウムである、請求項１乃至３いずれか一項に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記担体がホスホン酸ジルコニウムおよび包接化合物からなる群から選択される少なくとも一種である、請求項１乃至３いずれか一項に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
触媒および高分子電解質を含む触媒層ならびに拡散層を有する電極と、
電解質膜と、
担体およびセリウムを含むセリウム複合体と、
を有し、
前記セリウム複合体中の前記セリウムの含有量に対する前記担体の含有量の質量比が１５以上１００以下である、固体高分子電解質形燃料電池用の膜電極接合体。
【請求項７】
前記セリウム複合体が前記電極の少なくとも一方に設けられている、請求項６に記載の膜電極接合体。
【請求項８】
前記電極の単位面積当たりのセリウム含有量が２．０μｇ／ｃｍ
2
以上１０μｇ／ｃｍ
2
以下である、請求項７に記載の膜電極接合体。
【請求項９】
前記セリウム複合体が前記電解質膜に設けられている、請求項６に記載の膜電極接合体。
【請求項１０】
前記担体がリン酸ジルコニウムである、請求項６乃至９いずれか一項に記載の膜電極接合体。
（【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、固体高分子電解質形燃料電池に関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質形燃料電池では、副反応による過酸化水素およびラジカルの発生により、経時的に電解質膜の劣化が進行する。かかる膜の劣化の抑制に関する技術として、セリウムイオンをラジカルクエンチャーとして用いる方法がある。
【０００３】
たとえば、特許文献１（特開２０１９－５０２０７号公報）には、液状媒体と、スルホン酸基および環構造を有する含フッ素ポリマーと、フッ素ポリマーを有するスルホン酸基に対して特定量の３価または４価のセリウムイオンとを含む液状組成物を用いてカソードおよびアノードの少なくとも一方の触媒層を形成する、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法について記載されており（請求項１、９）、セリウムイオンを得るためにセリウム塩を用いることができるとされている（段落０１７８）。そして、同文献に記載の製造方法によれば、過酸化水素または過酸化物ラジカルに対する耐性に優れた触媒層を備え、出力電圧がさらに高く、かつ高い出力電圧を長期間にわたって維持できる膜電極接合体を製造できるとされている（段落００１７）。
【０００４】
また、特許文献２（特開２０１２－７９６２１号公報）には、過酸化物分解触媒を担体に固定化することで、長期的な耐久性を向上させた燃料電池を提供することを目的とする技術として（段落００１５）、高分子電解質膜と該電解質膜の両側に配置された電極層と該電極層の該電解質膜とは反対側に配置されたガス拡散層とを含む膜電極接合体、該膜電極接合体の周囲に配置されたガスシール材、およびこれらを挟持するセパレータから構成される燃料電池であって、担体に固定化された過酸化物分解触媒を含んでなる燃料電池について記載されている（請求項１）。さらに具体的には、特定の構造を有するリン酸ジルコニウムに特定量のセリウムを固定化したセリウム担持リン酸ジルコニウムを用意し、これを固体電解質膜中に配合したことが記載されている（実施例１～３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０１９－５０２０７号公報
特開２０１２－７９６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のようにセリウム化合物由来のセリウムイオンを用いる場合、燃料電池の発電中にセリウムイオンの移動が生じ、クエンチャーの効果が低下するという点で改善の余地があった。
また、特許文献２では、セリウム化合物を担体に固定化している。かかる技術について本発明者らが検討したところ、担体に対してセリウムを多量に配合しており、セリウムを多く用いているものの、燃料電池の耐久性において依然として改善の余地があることが明らかになった。
【０００７】
本発明は、燃料電池の耐久性を向上する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、以下の固体高分子電解質形燃料電池および膜電解質接合体が提供される。
［１］電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体と、
担体およびセリウムを含むセリウム複合体と、
を備え、
前記セリウム複合体中の前記セリウムの含有量に対する前記担体の含有量の質量比が１５以上１００以下である、固体高分子電解質形燃料電池。
［２］前記セリウム複合体が前記電極の少なくとも一方に設けられている、［１］に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
［３］前記電極の単位面積当たりのセリウム含有量が２．０μｇ／ｃｍ
2
以上１０μｇ／ｃｍ
2
以下である、［２］に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
［４］前記担体がリン酸ジルコニウムである、［１］乃至［３］いずれか一つに記載の固体高分子電解質形燃料電池。
［５］前記担体がホスホン酸ジルコニウムおよび包接化合物からなる群から選択される少なくとも一種である、［１］乃至［３］いずれか一つに記載の固体高分子電解質形燃料電池。
［６］触媒および高分子電解質を含む触媒層ならびに拡散層を有する電極と、
電解質膜と、
担体およびセリウムを含むセリウム複合体と、
を有し、
前記セリウム複合体中の前記セリウムの含有量に対する前記担体の含有量の質量比が１５以上１００以下である、固体高分子電解質形燃料電池用の膜電極接合体。
［７］前記セリウム複合体が前記電極の少なくとも一方に設けられている、［６］に記載の膜電極接合体。
［８］前記電極の単位面積当たりのセリウム含有量が２．０μｇ／ｃｍ
2
以上１０μｇ／ｃｍ
2
以下である、［７］に記載の膜電極接合体。
［９］前記セリウム複合体が前記電解質膜に設けられている、［６］乃至［８］いずれか一つに記載の膜電極接合体。
［１０］前記担体がリン酸ジルコニウムである、［６］乃至［９］いずれか一つに記載の膜電極接合体。
［１１］前記担体がホスホン酸ジルコニウムおよび包接化合物からなる群から選択される少なくとも一種である、［６］乃至［９］いずれか一つに記載の膜電極接合体。
【０００９】
なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。
たとえば、本発明によれば、
固体高分子電解質形燃料電池に用いられる触媒電極であって、
触媒および高分子電解質を含む触媒層と、
拡散層と、
担体およびセリウムを含むセリウム複合体と、
を有し、
前記セリウム複合体中の前記セリウムの含有量に対する前記担体の含有量の質量比が１５以上１００以下である、燃料電池用触媒電極を提供することもできる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記本発明における燃料電池用触媒電極を用いて膜電極接合体を形成する工程を含む、固体高分子形燃料電池の製造方法を提供することもできる。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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