JP2000243413A - 固体高分子型燃料電池用電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池用電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 発電効率を低下させることなく、強度を高め
た電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池を提
供する。 【解決手段】 電解質膜10は、アノード20及びカソード
22の両電極が形成される電極形成領域12と、電極が形成
されない外周領域14を有する固体高分子型燃料電池用電
解質膜であって、電極形成領域12の膜厚を、外周領域(1
4)の膜厚よりも薄くなるように形成する。また、固体高
分子型燃料電池60は、上記電解質膜10の一方の電極形成
領域12にアノード20、他方の電極形成領域12にカソード
22を形成したセル24に対し、アノード側に燃料室30、カ
ソード側に酸化剤室34を形成してなるセルユニット26を
複数積層してなる。
た電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池を提
供する。 【解決手段】 電解質膜10は、アノード20及びカソード
22の両電極が形成される電極形成領域12と、電極が形成
されない外周領域14を有する固体高分子型燃料電池用電
解質膜であって、電極形成領域12の膜厚を、外周領域(1
4)の膜厚よりも薄くなるように形成する。また、固体高
分子型燃料電池60は、上記電解質膜10の一方の電極形成
領域12にアノード20、他方の電極形成領域12にカソード
22を形成したセル24に対し、アノード側に燃料室30、カ
ソード側に酸化剤室34を形成してなるセルユニット26を
複数積層してなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発電効率及び耐久
性にすぐれた固体高分子型燃料電池用電解質膜と、これ
を用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
性にすぐれた固体高分子型燃料電池用電解質膜と、これ
を用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池(60)は、図１及び
図１０に示すように、電解質膜(10)の一方の側にアノー
ド(20)、他方の側にカソード(22)の両電極を配したセル
(24)を、片面に燃料室(30)が形成された燃料プレート(3
2)と、片面に酸化剤室(34)が形成された酸化剤プレート
(36)によって挟持したセルユニット(26)を多数積層して
構成される。なお、図では１つのセルユニットのみを示
している。燃料室(30)には、純水素ガス又は改質器で改
質された水素リッチガスなどの燃料ガスが供給される。
また、酸化剤室(34)には、ファンなどによって送給され
た酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。燃料ガスと
酸化剤ガスが供給されると、アノード側では、燃料ガス
中の水素ガスがＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応によってプロ
トンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜
を通ってカソードに進み、電子は外部回路(図示せず)を
流れる。カソードでは、酸化剤中の酸素ガスと、固体高
分子電解質膜を通って移動したプロトン、及び外部回路
を通って流入した電子が、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→
Ｈ2Ｏの反応により、水を生ずるとともに起電力を発生
する。
図１０に示すように、電解質膜(10)の一方の側にアノー
ド(20)、他方の側にカソード(22)の両電極を配したセル
(24)を、片面に燃料室(30)が形成された燃料プレート(3
2)と、片面に酸化剤室(34)が形成された酸化剤プレート
(36)によって挟持したセルユニット(26)を多数積層して
構成される。なお、図では１つのセルユニットのみを示
している。燃料室(30)には、純水素ガス又は改質器で改
質された水素リッチガスなどの燃料ガスが供給される。
また、酸化剤室(34)には、ファンなどによって送給され
た酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。燃料ガスと
酸化剤ガスが供給されると、アノード側では、燃料ガス
中の水素ガスがＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応によってプロ
トンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜
を通ってカソードに進み、電子は外部回路(図示せず)を
流れる。カソードでは、酸化剤中の酸素ガスと、固体高
分子電解質膜を通って移動したプロトン、及び外部回路
を通って流入した電子が、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→
Ｈ2Ｏの反応により、水を生ずるとともに起電力を発生
する。
【０００３】電解質膜(10)は、図１０に示すように、膜
厚Ｃが全面に亘ってほぼ均一に形成されており、アノー
ド(20)及びカソード(22)の両電極は、図１に示すよう
に、燃料室(30)、酸化剤室(34)と対向する領域(以下
「電極形成領域」という)に形成されている。電解質膜
(10)の電極の形成されない外周領域(14)と、燃料プレー
ト(32)及び酸化剤プレート(36)の外周部分との間には、
反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材(40)が、図
１及び図１０に示すように、燃料室(30)及び酸化剤室(3
4)の外側を夫々一周して装着されている。
厚Ｃが全面に亘ってほぼ均一に形成されており、アノー
ド(20)及びカソード(22)の両電極は、図１に示すよう
に、燃料室(30)、酸化剤室(34)と対向する領域(以下
「電極形成領域」という)に形成されている。電解質膜
(10)の電極の形成されない外周領域(14)と、燃料プレー
ト(32)及び酸化剤プレート(36)の外周部分との間には、
反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材(40)が、図
１及び図１０に示すように、燃料室(30)及び酸化剤室(3
4)の外側を夫々一周して装着されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電解質膜(10)は、電気
抵抗を低減すると共に、膜中の水移動を活発化させ、さ
らに湿潤状態を容易に維持するために、薄く形成するこ
とが望ましい。しかしながら、電解質膜(10)を薄くする
と、外周シール部分での強度が低下して、電解質膜(10)
が破損することがある。シール部分で電解質膜(10)が破
損すると、反応ガスが漏洩するため、燃料ガスや酸化剤
ガスの利用率が低下し、発電効率が低下してしまう。
抵抗を低減すると共に、膜中の水移動を活発化させ、さ
らに湿潤状態を容易に維持するために、薄く形成するこ
とが望ましい。しかしながら、電解質膜(10)を薄くする
と、外周シール部分での強度が低下して、電解質膜(10)
が破損することがある。シール部分で電解質膜(10)が破
損すると、反応ガスが漏洩するため、燃料ガスや酸化剤
ガスの利用率が低下し、発電効率が低下してしまう。
【０００５】本発明の目的は、発電効率を低下させるこ
となく、強度を高めた電解質膜及びこれを用いた固体高
分子型燃料電池を提供することである。
となく、強度を高めた電解質膜及びこれを用いた固体高
分子型燃料電池を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の固体高分子型燃料電池用電解質膜(10)は、
アノード(20)及びカソード(22)の両電極が形成される電
極形成領域(12)と、電極が形成されない外周領域(14)を
有する固体高分子型燃料電池用電解質膜であって、電極
形成領域(12)の膜厚を、外周領域(14)の膜厚よりも薄く
なるように形成したものである。
に、本発明の固体高分子型燃料電池用電解質膜(10)は、
アノード(20)及びカソード(22)の両電極が形成される電
極形成領域(12)と、電極が形成されない外周領域(14)を
有する固体高分子型燃料電池用電解質膜であって、電極
形成領域(12)の膜厚を、外周領域(14)の膜厚よりも薄く
なるように形成したものである。
【０００７】また、本発明の固体高分子型燃料電池(60)
は、電解質膜(10)の一方の電極形成領域(12)にアノード
(20)、他方の電極形成領域(12)にカソード(22)を形成し
たセル(24)に対し、アノード側に燃料室(30)、カソード
側に酸化剤室(34)を形成してなるセルユニット(26)を複
数積層した固体高分子型燃料電池において、電解質膜(1
0)として、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の電解
質膜を用いているものである。
は、電解質膜(10)の一方の電極形成領域(12)にアノード
(20)、他方の電極形成領域(12)にカソード(22)を形成し
たセル(24)に対し、アノード側に燃料室(30)、カソード
側に酸化剤室(34)を形成してなるセルユニット(26)を複
数積層した固体高分子型燃料電池において、電解質膜(1
0)として、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の電解
質膜を用いているものである。
【０００８】
【作用及び効果】本発明の電解質膜(10)は、アノード(2
0)及びカソード(22)の両電極が形成される電極形成領域
(12)の膜厚を薄く形成しているから、電気抵抗が小さ
く、また、電解質膜中での水移動を活発化でき、さらに
電解質膜の湿潤状態を容易に維持することができる。ま
た、両電極が形成されない外周領域(14)の膜厚を厚くし
ているから、強度が高く、シール部材(40)が強く押し当
てられても破損することはない。従って、反応ガスの漏
洩は防止され、燃料ガスや酸化剤ガスについての所定の
利用率を確保することができる。
0)及びカソード(22)の両電極が形成される電極形成領域
(12)の膜厚を薄く形成しているから、電気抵抗が小さ
く、また、電解質膜中での水移動を活発化でき、さらに
電解質膜の湿潤状態を容易に維持することができる。ま
た、両電極が形成されない外周領域(14)の膜厚を厚くし
ているから、強度が高く、シール部材(40)が強く押し当
てられても破損することはない。従って、反応ガスの漏
洩は防止され、燃料ガスや酸化剤ガスについての所定の
利用率を確保することができる。
【０００９】本発明の電解質膜(10)を利用した固体高分
子型燃料電池(60)は、高いセル性能を有すると共に、長
寿命化を達成できる。
子型燃料電池(60)は、高いセル性能を有すると共に、長
寿命化を達成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】電解質膜(10)は、パーフルオロカ
ーボンスルホン酸などの高分子材料から形成することが
できる。電解質膜(10)は、電極形成領域(12)の膜厚を薄
くするために、図３(ｂ)に示すように、電極形成領域(1
2)に対応する部分が中央に向けて漸次盛り上がっている
膜型(50)や、図４(ｂ)に示すように、電極形成領域(12)
に対応する部分が凸形状に張り出した膜型(52)に、イオ
ン交換樹脂溶液(例えば、Nafion溶液：アルドリッチケ
ミカル社製)を流し込み、溶媒を揮発させることによっ
て作製することができる。膜型(50)(52)を用いて作製さ
れた電解質膜(10)を夫々図３(ａ)、図４(ａ)に示してい
る。また、作製された凹形状の電解質膜を張り合わせた
り、凸形状の膜型(52)(52)を２個準備し、両面から押し
当てることによって、両面が凹んだ電解質膜を作製する
こともできる。また、図５に示すように、膜厚がほぼ均
一な電解質材(11)の片面又は両面に、電極形成領域に相
当する部分が切り取られた電解質材(11a)(11a)を配置
し、ホットプレスなどによって、これら電解質材(11)(1
1a)(11a)を接合して、電解質膜(10)を作製することもで
きる。
ーボンスルホン酸などの高分子材料から形成することが
できる。電解質膜(10)は、電極形成領域(12)の膜厚を薄
くするために、図３(ｂ)に示すように、電極形成領域(1
2)に対応する部分が中央に向けて漸次盛り上がっている
膜型(50)や、図４(ｂ)に示すように、電極形成領域(12)
に対応する部分が凸形状に張り出した膜型(52)に、イオ
ン交換樹脂溶液(例えば、Nafion溶液：アルドリッチケ
ミカル社製)を流し込み、溶媒を揮発させることによっ
て作製することができる。膜型(50)(52)を用いて作製さ
れた電解質膜(10)を夫々図３(ａ)、図４(ａ)に示してい
る。また、作製された凹形状の電解質膜を張り合わせた
り、凸形状の膜型(52)(52)を２個準備し、両面から押し
当てることによって、両面が凹んだ電解質膜を作製する
こともできる。また、図５に示すように、膜厚がほぼ均
一な電解質材(11)の片面又は両面に、電極形成領域に相
当する部分が切り取られた電解質材(11a)(11a)を配置
し、ホットプレスなどによって、これら電解質材(11)(1
1a)(11a)を接合して、電解質膜(10)を作製することもで
きる。
【００１１】セル(24)は、電解質膜(10)の電極形成領域
(12)に、図２に示すように、白金担持カーボンを材料と
するアノード(20)及びカソード(22)を、ホットプレスに
より接合して作製される。
(12)に、図２に示すように、白金担持カーボンを材料と
するアノード(20)及びカソード(22)を、ホットプレスに
より接合して作製される。
【００１２】セル(24)を挟持するプレート(32)(36)は、
カーボン多孔体から作製され、図１に示すように、両プ
レートの内、アノード側の燃料プレート(32)には、アノ
ードに対向して燃料室(30)が形成され、カソード側の酸
化剤プレート(36)には、カソードに対向して酸化剤室(3
4)が形成されている。なお、図では、燃料プレート(32)
と酸化剤プレート(36)を夫々別部材で形成しているが、
燃料室の裏面に酸化剤室を形成した所謂バイポーラプレ
ート(図示せず)から構成することもできる。
カーボン多孔体から作製され、図１に示すように、両プ
レートの内、アノード側の燃料プレート(32)には、アノ
ードに対向して燃料室(30)が形成され、カソード側の酸
化剤プレート(36)には、カソードに対向して酸化剤室(3
4)が形成されている。なお、図では、燃料プレート(32)
と酸化剤プレート(36)を夫々別部材で形成しているが、
燃料室の裏面に酸化剤室を形成した所謂バイポーラプレ
ート(図示せず)から構成することもできる。
【００１３】セルユニット(26)は、図１に示すように、
上記セル(24)の外周領域の両面に夫々シール部材を配
し、アノードと燃料室(30)、カソードと酸化剤室(34)が
対向するように、両プレートでセルを挟持することによ
って作製される。図２は、セルユニット(26)の断面図で
ある。図に示すように、本発明の電解質膜(10)は、外周
領域の膜厚Ｂを電極形成領域の膜厚Ａよりも厚くしてい
るから、図１０に示すように、膜厚Ｃが全面に亘ってほ
ぼ同じである従来の電解質膜(10)を使用した場合に比べ
て、外周領域の強度を高めることができる。
上記セル(24)の外周領域の両面に夫々シール部材を配
し、アノードと燃料室(30)、カソードと酸化剤室(34)が
対向するように、両プレートでセルを挟持することによ
って作製される。図２は、セルユニット(26)の断面図で
ある。図に示すように、本発明の電解質膜(10)は、外周
領域の膜厚Ｂを電極形成領域の膜厚Ａよりも厚くしてい
るから、図１０に示すように、膜厚Ｃが全面に亘ってほ
ぼ同じである従来の電解質膜(10)を使用した場合に比べ
て、外周領域の強度を高めることができる。
【００１４】上記構成のセルユニット(26)を多数積層す
ることによって固体高分子型燃料電池(60)が作製され、
作製された固体高分子型燃料電池(60)の燃料室(30)に燃
料ガス、酸化剤室(34)に酸化剤ガスを供給することによ
って発電を行なうことができる。
ることによって固体高分子型燃料電池(60)が作製され、
作製された固体高分子型燃料電池(60)の燃料室(30)に燃
料ガス、酸化剤室(34)に酸化剤ガスを供給することによ
って発電を行なうことができる。
【００１５】
【実施例】＜実施例１＞図３(ｂ)に示す膜型(50)を用い
て、電極形成領域(12)の膜厚Ａ(最小値)に対する外周領
域(14)の膜厚Ｂ(平均値)を、種々変えた電解質膜(10)を
準備し(表１参照)、これら電解質膜(10)に電極を形成し
たセル１乃至セル４を用いた固体高分子型燃料電池(60)
を組み立てて、セル性能の比較を行なった。膜厚の比Ａ
／Ｂを併せて表１に示す。
て、電極形成領域(12)の膜厚Ａ(最小値)に対する外周領
域(14)の膜厚Ｂ(平均値)を、種々変えた電解質膜(10)を
準備し(表１参照)、これら電解質膜(10)に電極を形成し
たセル１乃至セル４を用いた固体高分子型燃料電池(60)
を組み立てて、セル性能の比較を行なった。膜厚の比Ａ
／Ｂを併せて表１に示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】なお、電解質膜(10)(図３(ａ)参照)は、イ
オン交換樹脂溶液(Nafion溶液：アルドリッチケミカル
社製)を、図３(ｂ)に示すように、中央に向けて漸次盛
り上がっている膜型(50)に流し込み、溶媒を揮発させる
ことによって作製した。アノード(20)及びカソード(22)
の両電極は、カーボンペーパーからなる電極基材に、白
金担持カーボン６０重量％、Nafion溶液２０重量％、Ｐ
ＴＦＥ２０重量％からなる触媒層をスクリーン印刷する
ことによって作製した。得られた両電極を、電解質膜の
電極形成領域(12)に、１５０℃、５０ｋｇ／ｃｍ2の条
件で、６０秒間ホットプレスして、セル１及びセル４を
作製した。作製されたセルを用いてセルユニット(26)を
組み立て、運転開始直後と、５００時間運転後のセル電
圧を測定した。なお、運転条件は、電流密度０.５Ａ／
ｃｍ2、セル温度８０℃、燃料ガス利用率７０％、酸化
剤ガス(空気)利用率２０％である。
オン交換樹脂溶液(Nafion溶液：アルドリッチケミカル
社製)を、図３(ｂ)に示すように、中央に向けて漸次盛
り上がっている膜型(50)に流し込み、溶媒を揮発させる
ことによって作製した。アノード(20)及びカソード(22)
の両電極は、カーボンペーパーからなる電極基材に、白
金担持カーボン６０重量％、Nafion溶液２０重量％、Ｐ
ＴＦＥ２０重量％からなる触媒層をスクリーン印刷する
ことによって作製した。得られた両電極を、電解質膜の
電極形成領域(12)に、１５０℃、５０ｋｇ／ｃｍ2の条
件で、６０秒間ホットプレスして、セル１及びセル４を
作製した。作製されたセルを用いてセルユニット(26)を
組み立て、運転開始直後と、５００時間運転後のセル電
圧を測定した。なお、運転条件は、電流密度０.５Ａ／
ｃｍ2、セル温度８０℃、燃料ガス利用率７０％、酸化
剤ガス(空気)利用率２０％である。
【００１８】結果を図６に示す。図６を参照すると、電
池運転開始直後のセル電圧は、外周領域(14)の膜厚Ｂの
厚さに拘わらず、ほぼ同じであった。これは、運転開始
直後は、電解質膜(10)の外周領域(14)における劣化が生
じていないためである。一方、５００時間運転後は、外
周領域(14)の膜厚Ｂが厚いほど、高いセル電圧を示して
おり、外周領域(14)の膜厚Ｂが薄いセル、つまり、膜厚
の比Ａ／Ｂが大きいセルほど、セル電圧の減少が大きい
ことがわかる。これは、外周領域(14)の膜厚Ｂが薄いほ
ど、電解質膜(10)の外周シール部分における強度が低い
ためであり、長時間の運転によって、シール部分が破損
して、ガスリークを生じ、セル電圧が低下したためであ
る。逆に、外周領域(14)の膜厚Ｂが厚いセル、つまり、
膜厚の比Ａ／Ｂが小さいセルは、外周シール部分におけ
る強度が高いため、長時間の運転後も、シール部分から
のガスリークはほとんど生じず、高いセル電圧を維持し
ている。これらの結果より、膜厚の比Ａ／Ｂは、０.７
以下とすることが望ましい。
池運転開始直後のセル電圧は、外周領域(14)の膜厚Ｂの
厚さに拘わらず、ほぼ同じであった。これは、運転開始
直後は、電解質膜(10)の外周領域(14)における劣化が生
じていないためである。一方、５００時間運転後は、外
周領域(14)の膜厚Ｂが厚いほど、高いセル電圧を示して
おり、外周領域(14)の膜厚Ｂが薄いセル、つまり、膜厚
の比Ａ／Ｂが大きいセルほど、セル電圧の減少が大きい
ことがわかる。これは、外周領域(14)の膜厚Ｂが薄いほ
ど、電解質膜(10)の外周シール部分における強度が低い
ためであり、長時間の運転によって、シール部分が破損
して、ガスリークを生じ、セル電圧が低下したためであ
る。逆に、外周領域(14)の膜厚Ｂが厚いセル、つまり、
膜厚の比Ａ／Ｂが小さいセルは、外周シール部分におけ
る強度が高いため、長時間の運転後も、シール部分から
のガスリークはほとんど生じず、高いセル電圧を維持し
ている。これらの結果より、膜厚の比Ａ／Ｂは、０.７
以下とすることが望ましい。
【００１９】一方、膜厚の比Ａ／Ｂを０.１よりも小さ
くすること(外周領域の膜厚Ｂを電極形成領域の膜厚Ａ
の１０倍よりも大きくすること)は、製造上困難であ
り、また、図６からもわかるとおり、膜厚の比Ａ／Ｂを
０.１よりも小さくしても、これ以上の性能向上は期待
できない。さらに、発電に直接寄与しない外周領域の膜
厚を必要以上に厚くすると、電解質膜の材料コストが高
くなる不都合がある。従って、膜厚の比Ａ／Ｂは、０.
１以上とすることが望ましい。
くすること(外周領域の膜厚Ｂを電極形成領域の膜厚Ａ
の１０倍よりも大きくすること)は、製造上困難であ
り、また、図６からもわかるとおり、膜厚の比Ａ／Ｂを
０.１よりも小さくしても、これ以上の性能向上は期待
できない。さらに、発電に直接寄与しない外周領域の膜
厚を必要以上に厚くすると、電解質膜の材料コストが高
くなる不都合がある。従って、膜厚の比Ａ／Ｂは、０.
１以上とすることが望ましい。
【００２０】＜実施例２＞つぎに、電極形成領域(12)の
膜厚Ａと外周領域(14)の膜厚Ｂの比Ａ／Ｂを一定にしつ
つ、膜厚Ａと膜厚Ｂを表２に示すように変えた電解質膜
(10)を準備し、これら電解質膜(10)に電極を形成したセ
ル５及びセル１０を用いた固体高分子型燃料電池(60)を
組み立てて、運転開始直後のセル電圧を測定した。な
お、電解質膜(10)の膜厚が異なる以外、製造条件、実験
条件等は、実施例１と同じである。電極形成領域(12)の
膜厚Ａと、セル電圧との関係を示す実験結果を図７に示
す。
膜厚Ａと外周領域(14)の膜厚Ｂの比Ａ／Ｂを一定にしつ
つ、膜厚Ａと膜厚Ｂを表２に示すように変えた電解質膜
(10)を準備し、これら電解質膜(10)に電極を形成したセ
ル５及びセル１０を用いた固体高分子型燃料電池(60)を
組み立てて、運転開始直後のセル電圧を測定した。な
お、電解質膜(10)の膜厚が異なる以外、製造条件、実験
条件等は、実施例１と同じである。電極形成領域(12)の
膜厚Ａと、セル電圧との関係を示す実験結果を図７に示
す。
【００２１】
【表２】
【００２２】表２及び図７を参照すると、電極形成領域
(12)の膜厚Ａが５μｍよりも薄いと、セル性能が低下し
ている。これは、電極形成領域(12)の膜厚Ａが薄くなり
すぎて、電極どうしの短絡が生じているためと考えられ
る。また、膜厚Ａが２００μｍよりも大きい場合も、セ
ル電圧が低下している。これは、電極形成領域(12)の膜
厚Ａが厚くなりすぎると、電解質膜自体の電気抵抗が大
きくなるのと共に、電池運転時の膜中の水の移動が阻害
されて、膜が乾燥し、電気抵抗が大きくなってしまうた
めであると考えられる。従って、電極形成領域(12)の膜
厚Ａは、５μｍ以上２００μｍ以下にすることが望まし
い。
(12)の膜厚Ａが５μｍよりも薄いと、セル性能が低下し
ている。これは、電極形成領域(12)の膜厚Ａが薄くなり
すぎて、電極どうしの短絡が生じているためと考えられ
る。また、膜厚Ａが２００μｍよりも大きい場合も、セ
ル電圧が低下している。これは、電極形成領域(12)の膜
厚Ａが厚くなりすぎると、電解質膜自体の電気抵抗が大
きくなるのと共に、電池運転時の膜中の水の移動が阻害
されて、膜が乾燥し、電気抵抗が大きくなってしまうた
めであると考えられる。従って、電極形成領域(12)の膜
厚Ａは、５μｍ以上２００μｍ以下にすることが望まし
い。
【００２３】＜実施例３＞つぎに、外周領域(14)の膜厚
Ｂが、電解質膜(10)の耐久性に及ぼす影響を調べるため
に、電解質膜(10)の湿潤と乾燥を繰り返すサイクル試験
を行ない、試験後のガスリーク量を調べた。サイクル試
験には、図８に示すように、電極形成領域(12)の膜厚Ａ
が、外周領域(14)の膜厚Ｂと同じ厚さの電解質膜(10)を
用いたセルユニット(26)を使用した。なお、本実施例に
おいて、膜厚Ａと膜厚Ｂを同じ厚さにしたのは、本実施
例におけるサイクル試験が、外周領域(14)におけるガス
リークの測定を目的としたものであり、ガスリークが生
じない電極形成領域(12)の膜厚は、外周領域(14)からの
ガスリークとは直接関係しないためである。
Ｂが、電解質膜(10)の耐久性に及ぼす影響を調べるため
に、電解質膜(10)の湿潤と乾燥を繰り返すサイクル試験
を行ない、試験後のガスリーク量を調べた。サイクル試
験には、図８に示すように、電極形成領域(12)の膜厚Ａ
が、外周領域(14)の膜厚Ｂと同じ厚さの電解質膜(10)を
用いたセルユニット(26)を使用した。なお、本実施例に
おいて、膜厚Ａと膜厚Ｂを同じ厚さにしたのは、本実施
例におけるサイクル試験が、外周領域(14)におけるガス
リークの測定を目的としたものであり、ガスリークが生
じない電極形成領域(12)の膜厚は、外周領域(14)からの
ガスリークとは直接関係しないためである。
【００２４】実験には、１０ｃｍ角で外周領域(14)の膜
厚Ｂが表３に示す厚さの電解質膜(10)(パーフルオロカ
ーボンスルホン酸製)の外周両面にシール部材(40)(40)
を配して、実施例１と同じ条件でセルユニット(26)を作
製した。
厚Ｂが表３に示す厚さの電解質膜(10)(パーフルオロカ
ーボンスルホン酸製)の外周両面にシール部材(40)(40)
を配して、実施例１と同じ条件でセルユニット(26)を作
製した。
【００２５】
【表３】
【００２６】作製されたセルユニット(26)について、セ
ル温度が８０℃となるように維持しつつ、燃料室(30)及
び酸化剤室(34)に、燃料ガス及び酸化剤ガスに代えて、
８０℃の飽和状態にあるＮ2ガスを３０分間供給し、そ
の後、乾燥状態のＮ2ガスを３０分間供給するサイクル
を１００回繰り返し行なった。上記サイクルを行なうこ
とによって、電解質膜(10)は、膨張と収縮、湿潤と乾燥
を繰り返す。その結果、強度の低い電解質膜(10)は、外
周シール部分にて劣化が加速的に進行するので、本サイ
クル試験によって、短時間で電解質膜(10)の耐久性を判
断できる。
ル温度が８０℃となるように維持しつつ、燃料室(30)及
び酸化剤室(34)に、燃料ガス及び酸化剤ガスに代えて、
８０℃の飽和状態にあるＮ2ガスを３０分間供給し、そ
の後、乾燥状態のＮ2ガスを３０分間供給するサイクル
を１００回繰り返し行なった。上記サイクルを行なうこ
とによって、電解質膜(10)は、膨張と収縮、湿潤と乾燥
を繰り返す。その結果、強度の低い電解質膜(10)は、外
周シール部分にて劣化が加速的に進行するので、本サイ
クル試験によって、短時間で電解質膜(10)の耐久性を判
断できる。
【００２７】１００回のサイクル終了後、外部と１ａｔ
ｍの差圧が生じるように、セルユニットの内部にＮ2ガ
スを導入し、密閉状態で５分間放置し、５分経過後の内
圧変化量を測定した。結果を表３及び図９に示す。表３
及び図９を参照すると、外周領域(14)の膜厚Ｂが１０μ
ｍよりも薄くなると、内圧が急激に低下しており、ガス
リーク量が増大することがわかる。ガスリークが増大す
ると、燃料ガスや酸化剤ガスの利用率が低下し、発電効
率が低下する。このため、外周領域(14)の膜厚Ｂは１０
μｍ以上とすることが望ましい。
ｍの差圧が生じるように、セルユニットの内部にＮ2ガ
スを導入し、密閉状態で５分間放置し、５分経過後の内
圧変化量を測定した。結果を表３及び図９に示す。表３
及び図９を参照すると、外周領域(14)の膜厚Ｂが１０μ
ｍよりも薄くなると、内圧が急激に低下しており、ガス
リーク量が増大することがわかる。ガスリークが増大す
ると、燃料ガスや酸化剤ガスの利用率が低下し、発電効
率が低下する。このため、外周領域(14)の膜厚Ｂは１０
μｍ以上とすることが望ましい。
【００２８】上記実施例１乃至実施例３の結果をまとめ
ると、電極形成領域(12)の膜厚Ａと、外周領域(14)の膜
厚Ｂについて、少なくとも膜厚Ａの厚さが膜厚Ｂの厚さ
よりも薄い条件の下で、膜厚の比Ａ／Ｂが０.１以上０.
７以下、膜厚Ａが５μｍ以上２００μｍ以下、膜厚Ｂが
１０μｍ以上の３条件の少なくとも１つを満足するよう
に電解質膜(10)を作製することが望ましく、これら条件
のうち２つを満足させることがより望ましく、これら条
件をすべて満足させることが最も望ましい。
ると、電極形成領域(12)の膜厚Ａと、外周領域(14)の膜
厚Ｂについて、少なくとも膜厚Ａの厚さが膜厚Ｂの厚さ
よりも薄い条件の下で、膜厚の比Ａ／Ｂが０.１以上０.
７以下、膜厚Ａが５μｍ以上２００μｍ以下、膜厚Ｂが
１０μｍ以上の３条件の少なくとも１つを満足するよう
に電解質膜(10)を作製することが望ましく、これら条件
のうち２つを満足させることがより望ましく、これら条
件をすべて満足させることが最も望ましい。
【００２９】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【図１】固体高分子型燃料電池の１セルユニットを示す
組立図である。
組立図である。
【図２】本発明の電解質膜を適用した固体高分子型燃料
電池の１セルユニットを示す断面図である。
電池の１セルユニットを示す断面図である。
【図３】(ａ)は、本発明の電解質膜の断面図、(ｂ)は、
(ａ)の電解質膜を作製する膜型の断面図である。
(ａ)の電解質膜を作製する膜型の断面図である。
【図４】(ａ)は、本発明の異なる電解質膜の実施例を示
す断面図、(ｂ)は、(ａ)の電解質膜を作製する膜型の作
製方法を示す断面図である。
す断面図、(ｂ)は、(ａ)の電解質膜を作製する膜型の作
製方法を示す断面図である。
【図５】本発明の電解質膜の異なる作製方法を示す斜視
図である。
図である。
【図６】実施例１の結果を示すグラフである。
【図７】実施例２の結果を示すグラフである。
【図８】実施例３に用いたセルユニットの断面図であ
る。
る。
【図９】実施例３の結果を示すグラフである。
【図１０】従来の固体高分子型燃料電池の１セルユニッ
トを示す断面図である。
トを示す断面図である。
(10) 電解質膜 (12) 電極形成領域 (14) 外周領域 (26) セルユニット (60) 固体高分子型燃料電池
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 米津 育郎 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC10 CX04 CX05 EE05 EE19 HH03
Claims (7)
- 【請求項１】 アノード(20)及びカソード(22)の両電極
が形成される電極形成領域(12)と、電極が形成されない
外周領域(14)を有する固体高分子型燃料電池用電解質膜
であって、 電極形成領域(12)の膜厚は、外周領域(14)の膜厚よりも
薄く形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料
電池用電解質膜。 - 【請求項２】 電極形成領域(12)の膜厚は、外周領域(1
4)から徐々に薄くなるように形成されている請求項１に
記載の固体高分子型燃料電池用電解質膜。 - 【請求項３】 電極形成領域(12)の膜厚は、少なくとも
一方の面が外周領域(14)よりも凹んで形成されている請
求項１に記載の固体高分子型燃料電池用電解質膜。 - 【請求項４】 外周領域(14)の膜厚は、１０μｍ以上で
ある請求項１乃至請求項３の何れかに記載の固体高分子
型燃料電池用電解質膜。 - 【請求項５】 電極形成領域(12)の膜厚は、５〜２００
μｍである請求項１乃至請求項４の何れかに記載の固体
高分子型燃料電池用電解質膜。 - 【請求項６】 外周領域(14)の膜厚に対する電極形成領
域(12)の膜厚の比は、０.７以下である請求項１乃至請
求項３の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用電解質
膜。 - 【請求項７】 電解質膜(10)の一方の電極形成領域(12)
にアノード(20)、他方の電極形成領域(12)にカソード(2
2)を形成したセル(24)に対し、アノード側に燃料室(3
0)、カソード側に酸化剤室(34)を形成してなるセルユニ
ット(26)を複数積層した固体高分子型燃料電池におい
て、電解質膜(10)として、請求項１乃至請求項６の何れ
かに記載の電解質膜が用いられていることを特徴とする
固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11044237A JP2000243413A (ja) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | 固体高分子型燃料電池用電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11044237A JP2000243413A (ja) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | 固体高分子型燃料電池用電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004151672A Division JP4046706B2 (ja) | 2004-05-21 | 2004-05-21 | 固体高分子形燃料電池用電解質膜、その製造方法及び固体高分子形燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000243413A true JP2000243413A (ja) | 2000-09-08 |
Family
ID=12685937
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11044237A Pending JP2000243413A (ja) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | 固体高分子型燃料電池用電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000243413A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002025582A (ja) * | 2000-07-06 | 2002-01-25 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | パターン化電解質膜 |
| JP2005228580A (ja) * | 2004-02-12 | 2005-08-25 | Nippon Soken Inc | 燃料電池用電解質材及び燃料電池 |
| WO2006137357A1 (ja) * | 2005-06-20 | 2006-12-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 膜－電極接合体及びその製造方法並びに燃料電池 |
| JP2007179769A (ja) * | 2005-12-27 | 2007-07-12 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| US20080268321A1 (en) * | 2005-08-12 | 2008-10-30 | Basf Fuel Cell Gmbh | Membrane-Electrode Units and Fuel Cells Having a Long Service Life |
| US20100173222A1 (en) * | 2006-08-31 | 2010-07-08 | Hiroshi Suzuki | Solid polymer fuel cell-purpose electrolyte membrane, production method therefor, and membrane-electrode assembly |
| JP2010257669A (ja) * | 2009-04-23 | 2010-11-11 | Toppan Printing Co Ltd | 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池 |
-
1999
- 1999-02-23 JP JP11044237A patent/JP2000243413A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002025582A (ja) * | 2000-07-06 | 2002-01-25 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | パターン化電解質膜 |
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| JP2012099491A (ja) * | 2005-06-20 | 2012-05-24 | Panasonic Corp | 膜−電極接合体及びその製造方法 |
| JP2012099492A (ja) * | 2005-06-20 | 2012-05-24 | Panasonic Corp | 膜−電極接合体 |
| US20080268321A1 (en) * | 2005-08-12 | 2008-10-30 | Basf Fuel Cell Gmbh | Membrane-Electrode Units and Fuel Cells Having a Long Service Life |
| JP2009505341A (ja) * | 2005-08-12 | 2009-02-05 | ビーエーエスエフ、フューエル、セル、ゲゼルシャフト、ミット、ベシュレンクテル、ハフツング | 長寿命の改良型膜電極ユニット及び燃料電池 |
| JP2007179769A (ja) * | 2005-12-27 | 2007-07-12 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
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| US8273498B2 (en) | 2006-08-31 | 2012-09-25 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Solid polymer fuel cell-purpose electrolyte membrane, production method therefor, and membrane-electrode assembly |
| JP2010257669A (ja) * | 2009-04-23 | 2010-11-11 | Toppan Printing Co Ltd | 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040907 |