JP4752216B2 - チューブ型燃料電池用膜電極複合体 - Google Patents

Description

本発明は、多層カーボンナノチューブを用いて形成されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体に関する。

従来の平板構造の固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。

上記燃料電池の小型化のため、および、単位体積当たりの発電反応面積を大きくするためには、燃料電池の上記構成部材の厚さを薄くする必要がある。しかしながら、このような従来の平板構造の燃料電池においては、各構成部材の厚さをある一定以下の値にすることは、機能面や強度面から好ましくなく、設計限界に近づきつつある。例えば、現在汎用されているナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）の膜は厚さが一定以下になるとガス透過性が大きくなりすぎ、セル内でガスのクロスリークが生じて発電電圧が低下する等の問題がある。このようなことから、従来の平板構造の燃料電池の単位体積当たりの出力密度を一定以上に向上させることは構造上困難である。

そこで、中空糸等を用い、その内面および外面に電解質膜や触媒電極層等を積層したチューブ形状の膜電極複合体を用いて燃料電池を構成することにより出力密度を高める研究が行なわれている。しかしながら、径の極めて小さなチューブ状に膜を精度よく形成することは容易ではないため、従来の平板構造では問題にならなかったことがチューブ形状の膜電極複合体において問題となる場合がある。

例えば、チューブ型の燃料電池においては、発電反応により発生した電力はチューブの軸方向に流し、集電されるが、効率よく集電するためにはチューブ形状の固体電解質膜の内側および外側に配置された触媒電極層と集電体とを密着させる必要がある。従来の平板構造の燃料電池においては、平板形状であることから触媒電極層と集電体とを密着させることは容易であるためそのことは問題にはならなかった。しかしながらチューブ形状の燃料電池においては、特に、チューブの内側の集電体をその外側に位置する触媒電極層に圧力をもって密着させることが困難であるため、集電を効率よく行うことが困難であった。

なお、特許文献１には、中空形状のガス拡散電極層上に固体高分子電解質層、さらにガス拡散電極層が形成された固体高分子型燃料電池、およびその製造方法が開示されている。しかしながら、特許文献１においては、上記ガス拡散電極層をガスの流路のみならず集電体としても用いる旨が記載されており、このような方法では効率的な集電は困難であることが考えられる。

特開２００２−１２４２７３公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型化が可能であり、単位体積当たりの出力密度が高く、かつ、高い集電効率を有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体を提供することを主目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、多層カーボンナノチューブを用いて形成されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、上記多層カーボンナノチューブの内側層と、上記内側層の外側に形成された外側層との間にチューブ形状の固体電解質膜が形成されており、上記内側層および外側層には触媒が担持されていることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体を提供する。

チューブ型燃料電池用膜電極複合体（以下、単に膜電極複合体と称する場合がある。）を上記構成にすることにより、チューブ型膜電極複合体の小型化が可能である。また、カーボンナノチューブは極めて導電性が高いため、集電体としても適しており、発電反応により発生した電力を効率よく集電することができる。

上記発明においては、上記多層カーボンナノチューブは、２つの層により形成されていることが好ましい。２つの層を有する多層カーボンナノチューブを用い、その内側の層と外側の層との間に固体電解質膜を形成することにより、上記２層以外の層がガスや生成水の通流を妨げる等の不具合を防止することができるからである。

本発明は、小型化が可能であり、単位体積当たりの出力密度が高く、かつ、高い集電効率を有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体を得ることができるといった効果を奏する。

以下、本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体について詳細に説明する。
本発明の膜電極複合体は、多層カーボンナノチューブを用いて形成されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、上記多層カーボンナノチューブの内側層と、上記内側層の外側に形成された外側層との間にチューブ形状の固体電解質膜が形成されており、上記内側層および外側層には触媒が担持されていることを特徴とするものである。

本発明の膜電極複合体は、多層カーボンナノチューブのサイズの膜電極複合体であり、狭い空間に極めて高い密度で配置することが可能である。そのため、上記膜電極複合体を用いて燃料電池を形成することにより、単位体積当たりの発電反応面積を大幅に向上させることができ、単位体積当たりの出力密度の高い燃料電池を得ることができる。また、単位体積当たりの出力密度を向上させることができるので、小型の燃料電池でも高い出力を得ることができ、燃料電池の小型化も可能である。さらに、多層カーボンナノチューブの内側層と外側層とに触媒を担持して、上記内側層と外側層との間に固体電解質膜を形成しており、従来の触媒電極層に相当する部材を設ける必要がないため、膜電極複合体を単純な構造のものにすることができる。

加えて、本発明の膜電極複合体においては、担体である多層カーボンナノチューブが集電体として機能するため、発生した電子は従来のように触媒電極層内を集電体へと移動する必要がなく、電子が移動することによる損失を低減することができる。さらに、多層カーボンナノチューブは導電性が極めて高いため、多層カーボンナノチューブを集電体として用いることにより集電効率を向上させることができる。

まず、本発明の膜電極複合体の構造について図を用いて説明する。
図１は、本発明の膜電極複合体の一例を示す概略構造図である。図１に示すように、本発明の膜電極複合体１には多層カーボンナノチューブが用いられており、その内側に位置する内側層２と、上記内側層２の外側に位置する外側層３との間に固体電解質膜４が形成されている。

本発明においては、多層カーボンナノチューブの最外層以外の１つの層を内側層とし、上記内側層の外側に位置する１つの層を外側層とする。例えば、多層カーボンナノチューブが３つの層より形成されている場合、最内層を内側層とし、最外層を外側層としてもよいし、最内層を内側層とし、中間に位置する層を外側層としてもよく、また、中間に位置する層を内側層とし、最外層を外側層としてもよい。

本発明の膜電極複合体に用いられる多層カーボンナノチューブの層の数は、２層以上であれば特に限定されるものではないが、中でも上記多層カーボンナノチューブが２つの層により形成されていることが好ましい。２つの層を有する多層カーボンナノチューブを用い、その内側層と外側層との間に固体電解質膜を形成することにより、上記２層以外の層がガスや生成水の通流を妨げる等の不具合を防止することができるからである。なお、上記のように多層カーボンナノチューブが２つの層により形成されている場合は、内側に位置する層を内側層、外側に位置する層を外側層とする。

上述したような、多層カーボンナノチューブの外径は特に限定されるものではないが、１０〜１０００ｎｍの範囲内、中でも１００〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。外径が上記範囲に満たないと、小さすぎて膜電極複合体を精度よく形成できない可能性がある。一方、上記範囲を超える外径を有する多層カーボンナノチューブは、製造が困難である可能性がある。

本発明の膜電極複合体においては、触媒は上記多層カーボンナノチューブの内側層の内側面および外側層の外側面、つまり、上記内側層および外側層が固体電解質膜と接触している面とは反対側の面に担持されている。従来の膜電極複合体においては、触媒は電解質材料と接触する状態で配置されるのが一般的であるが、本発明の膜電極複合体においては、触媒と電解質材料は接触していない。それは以下の理由からである。

多層カーボンナノチューブの各層は、炭素が完全な配列で配置されたものではなく、通常は随所に欠陥である微細な孔を有する。このような微細な孔は小さすぎてガスが通過することはできないが、イオンは通過できる程度の大きさである。このような特性を有する内側層の内側および外側層の外側に触媒を担持し、内側層の内側および外側層の外側に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ通流させることにより、ガスは触媒と接触してイオンになるため、上記微細な孔を通過することができる。つまり、燃料ガスは、触媒と接触してプロトンになり、そのプロトンは内側層または外側層の微細な孔を通過して固体電解質膜へと到達する。また、酸化剤ガスは、触媒と接触して酸素イオンになり、固体電解質膜により伝導されたプロトンと反応する。

上記内側層の内側および外側層の外側に担持される触媒は特に限定されるものではなく、例えば、白金や白金合金など、燃料電池に通常用いられている触媒を用いることができる。その担持方法は特に限定されるものではない。

また、本発明の膜電極複合体においては、上記多層カーボンナノチューブの内側層と外側層との間にチューブ形状の固体電解質膜が形成されている。このような固体電解質膜を形成する電解質材料は、上記内側層と外側層との間に層を形成できるものであれば特に限定されるものではなく、中でも単分子膜を形成できる電解質材料が好ましい。このような電解質材料としては、ナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系のもの、または、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系のもの等を挙げることができ、中でもケイ素酸化物を主成分とするものが好ましい。

上記固体電解質膜の厚さ、つまり、多層カーボンナノチューブの内側層と外側層との間の距離は特に限定されるものではないが、５〜５０ｎｍの範囲内、中でも１０〜２０ｎｍの範囲内であることが好ましい。固体電解質膜の厚さが上記範囲に満たないと、薄すぎて固体電解質膜を精度よく均一に形成できない可能性がある。一方、固体電解質膜の厚さ、つまり内側層と外側層との間の距離が上記範囲を超える場合は、そのような多層カーボンナノチューブの製造が困難である可能性がある。

本発明の膜電極複合体においては、多層カーボンナノチューブの内側層および外側層が集電体として機能するため、発電反応により発生した電力は上記内側層および外側層を介して集電される。これらの内側層および外側層から電力を取り出す方法は特に限定されるものではないが、例えば、内側層と外側層との軸方向の長さを異なる長さに形成し、それらの端部から電力を取り出すことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の膜電極複合体の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ … 膜電極複合体
２ … 内側層
３ … 外側層
４ … 固体電解質膜

Claims (2)

1. 多層カーボンナノチューブを用いて形成されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、
   前記多層カーボンナノチューブの内側層と、前記内側層の外側に形成された外側層との間にチューブ形状の固体電解質膜が形成されており、
   前記内側層および外側層には触媒が担持されていることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体。
2. 前記多層カーボンナノチューブは、２つの層により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のチューブ型燃料電池用膜電極複合体。
   

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