JP2001167775A - Ion conductive film, method of manufacturing the same, and fuel cell using the same - Google Patents

Ion conductive film, method of manufacturing the same, and fuel cell using the same

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel ion conductive film that can suppress methanol crossover, while maintaining ion conductivity in order to solve the problems in the conventional fuel cell, and a fuel cell, particularly a fuel cell of small size hat can supply a stable output. SOLUTION: An-ion conductive single film (not a composite film) in which the conductivity within the depth of 50 μm from at least one of its main surfaces is lower than the conductivity inside the film.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン導電性膜、
その製造方法及びそれを用いた燃料電池に関する。
The present invention relates to an ionic conductive film,
The present invention relates to a manufacturing method thereof and a fuel cell using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のメタノール燃料電池には、液体燃
料の供給方法の違いで液体供給型と気化供給型の2つの
タイプがある。このうち気化供給型は、電極反応が気体
燃料との間で行われるため高活性で高い性能が得られる
反面、システムが極めて複雑になり小型化が困難であ
る。一方の液体供給型の場合、電解質膜を介して燃料極
と酸化剤極が対向し燃料供給に毛管力等を利用してお
り、液体状態で燃料が供給される液体供給型であるの
で、ポンプ等を必要とせず小型化に適している。ここ
で、電解質膜は、パーフルオロスルホン酸(商品名:Na
fion Du Pont社製)などのプロトン導電性固体高分子
膜等を電解質として用いた場合、メタノール等の液体有
機燃料が電解質膜を酸化剤極側に透過してしまうクロス
オーバーが生じることである。この現象が生じれば、液
体燃料と酸化剤が直接反応してしまいエネルギーを電力
として出力することができない。従って、安定した出力
を得ることができないという決定的な問題が生じる。
2. Description of the Related Art Conventional methanol fuel cells are classified into two types, a liquid supply type and a vaporization supply type, depending on the method of supplying liquid fuel. Among them, the vaporization supply type has high activity and high performance because the electrode reaction is performed with a gaseous fuel, but on the other hand, the system is extremely complicated and it is difficult to reduce the size. On the other hand, in the case of the liquid supply type, the fuel electrode and the oxidant electrode face each other via the electrolyte membrane and utilize capillary force or the like for fuel supply. It is suitable for miniaturization without requiring any other means. Here, the electrolyte membrane is made of perfluorosulfonic acid (trade name: Na
When a proton-conductive solid polymer membrane such as fion Du Pont) is used as the electrolyte, a crossover occurs in which a liquid organic fuel such as methanol permeates the electrolyte membrane toward the oxidant electrode. If this phenomenon occurs, the liquid fuel and the oxidant react directly, and energy cannot be output as electric power. Therefore, there is a decisive problem that a stable output cannot be obtained.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池は、イ
オン導電性がメタノールのクロスオーバーを抑制する働
きが十分ではなく、安定した出力を供給できなかった。
In the conventional fuel cell, the ionic conductivity was not sufficient to suppress the crossover of methanol, and a stable output could not be supplied.

【0004】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、イオン導電性を維持しながらメタノールのクロスオ
ーバーを抑制することを可能にする新しいイオン導電性
膜を提供することを目的とし、さらに、安定した出力を
供給できる燃料電池を提供することを課題とする。
[0004] The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a new ionic conductive membrane capable of suppressing methanol crossover while maintaining ionic conductivity. It is an object to provide a fuel cell capable of supplying a stable output.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1のイオン導電性膜は、表面での導電性が内
部での導電性に比べて低く設定され、且つ燃料電池の電
解質の用途に用いることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, in the ionic conductive film according to the present invention, the conductivity on the surface is set lower than the conductivity on the inside, and the electrolyte of the fuel cell is improved. It is characterized by being used for applications.

【0006】請求項2のイオン導電性膜は、請求項1に
おいて、前記イオン導電性膜は、フッ素樹脂骨格および
スルホン酸からなるポリマーであることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the ionic conductive film is a polymer comprising a fluororesin skeleton and sulfonic acid.

【0007】請求項3のイオン導電性膜は、請求項2に
おいて、前記ポリマーは、ポリベンズイミザゾール誘導
体、アミノを含有するポリマー、ポリアニリン誘導体、
シラノール含有ポリマー、及び水酸基含有ポリマーより
なる群から選ばれることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the ion conductive film according to the second aspect, the polymer is a polybenzimidazole derivative, an amino-containing polymer, a polyaniline derivative,
It is selected from the group consisting of a silanol-containing polymer and a hydroxyl-containing polymer.

【0008】請求項4のイオン導電性膜の製造方法は、
燃料電池の電解質に用いる導電性膜を準備する工程と、
この導電性膜の表面に対して電子線を照射することによ
り前記表面での導電性が前記導電性膜の内部での導電性
に比べて低く改変する工程とを具備することを特徴とす
る。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an ion conductive film.
A step of preparing a conductive membrane used for an electrolyte of a fuel cell,
Irradiating the surface of the conductive film with an electron beam to modify the conductivity on the surface to be lower than the conductivity inside the conductive film.

【0009】請求項5の燃料電池は、電解質膜と、この
電解質膜に隣接して形成される燃料極と、前記電解質膜
に隣接し且つ前記電解質膜を介して前記燃料極と対向す
る酸化剤極とを具備する燃料電池において、前記電解質
膜は、表面での導電性が内部での導電性に比べて低く設
定されるイオン導電性膜であることを特徴とする。
A fuel cell according to a fifth aspect of the present invention provides an electrolyte membrane, a fuel electrode formed adjacent to the electrolyte membrane, and an oxidant adjacent to the electrolyte membrane and opposed to the fuel electrode via the electrolyte membrane. In a fuel cell including a pole, the electrolyte membrane is an ion conductive membrane whose conductivity on the surface is set lower than conductivity on the inside.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】ナフィオン(Nafion)に代表され
るフッ素系樹脂を基本構造とするイオン導電性膜は、優
れたイオン導電性を示す。この高いイオン導電性は含水
状態のクラスターネットワークを通して発揮されるた
め、メタノールを使用する燃料電池においては、メタノ
ールがアノードから水に混ざってクラスタネットワーク
を通りカソードに拡散し出力電圧を下げるという問題が
あった。一方、架橋構造等を導入し、膨潤を抑える方法
が一般的であるが、膜全体を架橋させると導電性が大き
く低下するという問題点があった。そこで、導電性を維
持し、メタノールのクロスオーバーを抑制するため、単
一膜の表面薄膜層のみを緻密化、または疎水性化し、イ
オン導電性を維持しながら、水とメタノールの透過選択
性を上げることを提案し、本発明に至った。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An ionic conductive film having a basic structure of a fluorinated resin represented by Nafion exhibits excellent ionic conductivity. Since this high ionic conductivity is exerted through a water-containing cluster network, in a fuel cell using methanol, there is a problem that methanol is mixed with water from the anode, diffuses through the cluster network to the cathode, and lowers the output voltage. Was. On the other hand, a method of introducing a crosslinked structure or the like to suppress swelling is generally used, but there is a problem that when the entire film is crosslinked, the conductivity is greatly reduced. Therefore, in order to maintain conductivity and suppress crossover of methanol, only the surface thin film layer of a single film is densified or made hydrophobic, and while maintaining ionic conductivity, permeation selectivity between water and methanol is improved. The present invention has been proposed.

【0011】即ち、本発明のイオン導電性膜は以下のよ
うに記述できる。
That is, the ion conductive film of the present invention can be described as follows.

【0012】イオン導電性を持った膜の少なくとも一面
の表面層を電子線照射などの物理的に改質或いは化学的
な修飾を加えて改変し、導電性が内部の導電性に比較し
て低いイオン導電性膜、または、、水、または溶剤、電
解質への膨潤が、内部よりも低いイオン導電性膜を使用
する。ここでの表面の改質領域は少なくとも一面の表面
層50μm以内の深さであることが望ましい。
At least one surface layer of the film having ionic conductivity is modified by physically or chemically modifying such as electron beam irradiation, and the conductivity is lower than the internal conductivity. Use an ion conductive film or an ion conductive film whose swelling in water, a solvent, or an electrolyte is lower than that of the inside. Here, the modified region on the surface is desirably at least one surface layer having a depth within 50 μm.

【0013】イオン導電性膜の母材としては、ポリベン
ズイミダゾールフィルム、ポリスチレンスルホン酸共重
合体膜、ポリビニルスルホン酸共重合体膜、フッ素樹脂
骨格およびスルホン酸からなるフッ素ポリマ膜等が挙げ
られるが、中でも耐久性、膜強度、イオン導電性を兼ね
備えたフッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素
ポリマ膜が最適である。
Examples of the base material of the ion conductive film include a polybenzimidazole film, a polystyrene sulfonic acid copolymer film, a polyvinyl sulfonic acid copolymer film, a fluoropolymer film composed of a fluororesin skeleton and sulfonic acid, and the like. Among them, a fluoropolymer film composed of a fluororesin skeleton and sulfonic acid having durability, film strength and ionic conductivity is most suitable.

【0014】イオン導電性膜の製造方法としては、上述
したイオン導電性膜の母材に対してその表面にエレクト
ロンビームを照射することで表面を改質する事により得
られる。一般にEBはフィルムの深部に達するため、加速
電圧100KV以下で電子線を照射することが必要である。1
00KV以上であるとフィルムのダメージが大きすぎたり、
深部にまでEBが到達し、目的とする燃料電池の電解質膜
に使用可能な膜が得られない。加速電圧は20KV以上が好
ましく、それ以下では燃料電池の電解質膜としての十分
な効果が得られない。不活性雰囲気、空気中でもよい
が、不活性ガス中の方が再現性があり現実的である。以
上の方法によって膜表面の架橋反応、スルホン酸基の脱
離により、疎水性化、緻密化が達成される。これらの表
面改質層の厚みを十分な強度を保つ程度に薄膜化するこ
とが、重要である。
The method of manufacturing the ion conductive film can be obtained by irradiating the surface of the base material of the ion conductive film with an electron beam to modify the surface. Generally, since EB reaches the deep part of the film, it is necessary to irradiate the electron beam at an acceleration voltage of 100 KV or less. 1
If it is more than 00KV, the damage of the film is too large,
The EB reaches the deep part, and a membrane usable as an electrolyte membrane of a target fuel cell cannot be obtained. The acceleration voltage is preferably 20 KV or more, and below that, a sufficient effect as an electrolyte membrane of a fuel cell cannot be obtained. Although it may be in an inert atmosphere or air, it is more reproducible and more realistic in an inert gas. According to the above-mentioned method, hydrophobicity and densification are achieved by a crosslinking reaction on the membrane surface and elimination of sulfonic acid groups. It is important to reduce the thickness of these surface-modified layers to such an extent that sufficient strength is maintained.

【0015】上述したイオン導電性膜は膨潤時の表面強
度が上がるため、場合によっては、電極とのコンタクト
が悪化する心配があるが、膜の表面にさらに、水、溶
剤、電解液に膨潤しやすいイオン導電性膜を積層するこ
とによって、容易に改善することができる。
The above-mentioned ionic conductive film has an increased surface strength at the time of swelling, and in some cases, there is a concern that contact with the electrode may be deteriorated. However, the surface of the film further swells with water, a solvent, or an electrolytic solution. By laminating an easy ion conductive film, the improvement can be easily made.

【0016】本発明の別のイオン導電性膜は以下のよう
に記述できる。
Another ionic conductive film of the present invention can be described as follows.

【0017】イオン導電性が高い第1のイオン導電性膜
と、25℃での最大膨潤面積が5%未満であり、窒素、ま
たは水酸基を有することを特徴とする第2のイオン導電
性膜との複合体である。第1のイオン導電性膜は、メタ
ノール透過性が高いがイオン導電性が高い少なくとも一
つ性質を有する。また、第2のイオン導電性膜は、この
イオン導電性膜(以下(A)と称する)と比較してメタ
ノール透過性が低いがイオン導電性も低い少なくとも一
つのポリマ(B)との複合体からなる。導電性を維持し
ながらメタノール透過性を低下させるために、(以下
(B)と称する)は(A)に比較し膜厚が薄いことが必
要である。(A)の膜厚は通常10μmから500μmであ
り、機械的強度と導電性のバランスを考えると50-200μ
mが好ましい。(B)は薄膜であるほど、導電性の低下
が少なく、通常0.01-10μmであるが、好ましくは0.1-1
μmであることが望ましい。(B)は(A)の少なくと
も一面にコートされていても、内部にサンドイッチ状に
挿入されていても良い。(B)は(A)の膨潤を防止
し、メタノールの透過性を良好にする働きを持つ。従っ
て、(B)には、1×10-10S/cm以上のプロトン導電
性が要求される。好ましくは1×10-5S/cmの導電性が
望まれる。これらも膜はコート法、積層法、浸せき法等
により形成され、プレスその他の熱処理を加えても良
い。また、これらには導電性を高めるために、燐酸、硫
酸等の酸をドープしてもよい。
A first ionic conductive film having high ionic conductivity; and a second ionic conductive film having a maximum swelling area at 25 ° C. of less than 5% and having a nitrogen or hydroxyl group. Is a complex. The first ion conductive film has at least one property of high methanol permeability but high ion conductivity. Further, the second ion conductive film is a composite with at least one polymer (B) having a lower methanol permeability but a lower ion conductivity as compared with the ion conductive film (hereinafter referred to as (A)). Consists of In order to reduce the methanol permeability while maintaining the conductivity, (hereinafter referred to as (B)) needs to be thinner than (A). The film thickness of (A) is usually 10 μm to 500 μm, and considering the balance between mechanical strength and conductivity, it is 50-200 μm.
m is preferred. As for (B), the thinner the film, the less the decrease in conductivity, usually 0.01-10 μm, preferably 0.1-1 μm.
μm is desirable. (B) may be coated on at least one surface of (A) or may be inserted in a sandwich shape inside. (B) has a function of preventing swelling of (A) and improving methanol permeability. Therefore, (B) requires a proton conductivity of 1 × 10 −10 S / cm or more. Preferably, a conductivity of 1 × 10 −5 S / cm is desired. These films are also formed by a coating method, a laminating method, a dipping method or the like, and may be subjected to a press or other heat treatment. These may be doped with an acid such as phosphoric acid or sulfuric acid to increase conductivity.

【0018】イオン導電性膜としてはポリスチレンスル
ホン酸共重合体膜、ポリビニルスルホン酸共重合体膜、
架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格および
スルホン酸からなるフッ素ポリマ膜などが上げられる
が、中でも耐久性、膜強度、イオン導電性を兼ね備えた
フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素ポリマ
膜が最適である。
As the ion conductive film, a polystyrene sulfonic acid copolymer film, a polyvinyl sulfonic acid copolymer film,
Crosslinked alkyl sulfonic acid derivatives, fluoropolymer membranes made of fluororesin skeleton and sulfonic acid, etc. can be used. Among them, fluoropolymer membranes made of fluororesin skeleton and sulfonic acid that combine durability, film strength and ionic conductivity are most suitable. is there.

【0019】窒素または水酸基を有する膜としてはポリ
ベンズイミダゾール誘導体、ポリベンズオキサゾール誘
導体、ポリエチレンイミン架橋体、ポリサイラミン誘導
体、ポリジエチルアミノエチルポリスチレンに代表され
るアミン置換ポリスチレン、ジエチルアミノエチルポリ
メタクリレートに代表される窒素置換ポリアクリレート、シラ
ノール含有ポリシロキサン、ヒドロキシエチルポリメチ
ルアクリレートに代表される水酸基含有ポリアクリル樹脂、パ
ラヒドロキシポリスチレンに代表される水酸基含有ポリ
スチレン樹脂などが上げられる。また、以下に示すよう
に架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、ア
クリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール
基、アジド基、ナフトキノンジアジド基、等が置換して
いても良い。
Examples of the film having nitrogen or hydroxyl groups include polybenzimidazole derivatives, polybenzoxazole derivatives, crosslinked polyethyleneimine, polysilamine derivatives, amine-substituted polystyrene represented by polydiethylaminoethyl polystyrene, and nitrogen represented by diethylaminoethyl polymethacrylate. Examples include substituted polyacrylates, silanol-containing polysiloxanes, hydroxyl-containing polyacrylic resins represented by hydroxyethyl polymethylacrylate, and hydroxyl-containing polystyrene resins represented by parahydroxypolystyrene. Further, as shown below, a crosslinkable substituent, for example, a vinyl group, an epoxy group, an acryl group, a methacryl group, a cinnamoyl group, a methylol group, an azide group, a naphthoquinonediazide group and the like may be substituted.

【0020】図1は、上述したイオン導電性膜を使用す
る燃料電池の要部構成を示す断面図である。同図におい
て、1は、燃料極(アノード)2と酸化剤極(カソード)
3とにより挟持された電解質板であり、電解質膜として
板状に成形されている。これら電解質板1、燃料極2およ
び酸化剤極3によって起電部4が構成されている。ここ
で、燃料極2および酸化剤極3は、燃料や酸化剤ガスを流
通させると共に電子を通すようにするため、導電性の多
孔質体で形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a main part of a fuel cell using the above-described ion conductive membrane. In the figure, 1 is a fuel electrode (anode) 2 and an oxidizer electrode (cathode)
3 is an electrolyte plate sandwiched between them, and is formed into a plate shape as an electrolyte membrane. The electrolyte plate 1, the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 constitute an electromotive section 4. Here, the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 are formed of a conductive porous body in order to allow fuel and oxidant gas to flow and pass electrons.

【0021】この燃料電池に於いては、各単電池には液
体燃料を保持する機能をもつ燃料浸透部6と、燃料浸透
部6に保持され液体燃料が気化した気体燃料を燃料極2
に導くための燃料気化部7が具備される。10は電解質
板1、燃料極2、及び酸化剤極3から構成される起電部で
ある。この起電部10及び、燃料浸透部6、燃料気化部
7からなる単電池をセパレ一タ5を介して複数積層する
ことにより、電池本体となるスタック100が構成され
ている。セパレータ5の酸化剤極3と接する面には、酸化
剤ガスを流すための酸化剤ガス供給溝8を連続溝として
設けている。燃料タンク(図示せず)から燃料浸透部6
に液体燃料を供給する手段としては、例えばスタック1
00の少なくとも1つの側面に、この面に沿って液体燃
料導入路4を形成する。上記液体燃料導入路4内に導入
された液体燃料は、スタック100の側面から燃料浸透
部6に供給され、さらに燃料気化部7で気化されて燃料
極2に供給される。この際、燃料浸透部を毛管現象を示
す部材で構成することにより、補器を用いずに毛管力で
液体燃料を燃料浸透部6に供給することができる。そた
めには、液体燃料導入路4内に導入された液体燃料が、
燃料浸透部端面に直接接触するような構成とされる。
In this fuel cell, each cell has a fuel infiltration portion 6 having a function of retaining liquid fuel, and a gaseous fuel held in the fuel infiltration portion 6 and having the liquid fuel vaporized is supplied to the fuel electrode 2.
Is provided with a fuel vaporizing section 7 for leading the fuel to the fuel cell. Reference numeral 10 denotes an electromotive section composed of an electrolyte plate 1, a fuel electrode 2, and an oxidant electrode 3. By stacking a plurality of unit cells including the electromotive unit 10, the fuel infiltration unit 6, and the fuel vaporization unit 7 via the separator 5, a stack 100 serving as a battery main body is configured. An oxidizing gas supply groove 8 for flowing an oxidizing gas is provided as a continuous groove on a surface of the separator 5 which is in contact with the oxidizing electrode 3. From fuel tank (not shown) to fuel permeation section 6
As a means for supplying liquid fuel to the
The liquid fuel introduction passage 4 is formed on at least one side surface of 00 along this surface. The liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction passage 4 is supplied from the side surface of the stack 100 to the fuel permeation section 6, further vaporized by the fuel vaporization section 7, and supplied to the fuel electrode 2. At this time, by configuring the fuel infiltration portion with a member exhibiting a capillary phenomenon, the liquid fuel can be supplied to the fuel infiltration portion 6 by capillary force without using an auxiliary device. For that purpose, the liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction passage 4 is
It is configured so as to directly contact the end face of the fuel infiltration portion.

【0022】なお、図1のように単電池を積層してスタ
ック100を構成する場合は、上記セパレータ5、燃料
浸透部6、燃料気化部7は、発生した電子を伝導する集
電板の機能も果たすため、導電性材料により形成され
る。さらに必要に応じて、燃料極2や酸化剤極3と電解質
板1との間に、層状、島状、あるいは粒状等の触媒層を
形成することもあるが、本発明はこのような触媒層の有
無に制約を受けるものではない。また、燃料極2や酸化
剤極3自体を触媒電極としてもよい。前記触媒電極は、
触媒層単独でもよいが、導電性のペーパーやクロス等の
支持体の上に触媒層を形成したような多層構造を持つも
のでもよい。
When the cells 100 are stacked to form the stack 100 as shown in FIG. 1, the separator 5, the fuel infiltration section 6, and the fuel vaporization section 7 function as a current collecting plate for conducting generated electrons. Therefore, it is formed of a conductive material. Further, if necessary, a layered, island-like, or granular catalyst layer may be formed between the fuel electrode 2 or the oxidizer electrode 3 and the electrolyte plate 1, but the present invention relates to such a catalyst layer. There is no restriction on the presence or absence. Further, the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 themselves may be used as the catalyst electrodes. The catalyst electrode,
The catalyst layer may be used alone, or may have a multilayer structure in which the catalyst layer is formed on a support such as conductive paper or cloth.

【0023】上述したように、セパレータ5は、酸化剤
ガスを流すチャンネルとしての機能を併せ持つものであ
る。このように、セパレータとチャンネルの両方の機能
を有するセパレータ5を用いることにより、より部品点
数を削減することができ、小型化をより一層図ることが
可能となる。なお、上記セパレータ5に代えて通常のチ
ャンネルを用いることも可能である。
As described above, the separator 5 also has a function as a channel for flowing an oxidizing gas. As described above, by using the separator 5 having both functions of the separator and the channel, the number of components can be further reduced, and the size can be further reduced. Note that a normal channel can be used instead of the separator 5.

【0024】燃料貯蔵タンクから液体燃料導入路4に液
体燃料を供給する方法としては、燃料貯蔵タンクの液体
燃料を自然落下させて、液体燃料導入路4に導入する方
法がある。この方法は、スタック10の上面より高い位
置に燃料貯蔵タンクを設けなければならないという構造
上の制約を除けば、液体燃料導入路4に確実に液体燃料
を導入することができる。他の方法としては、液体燃料
導入路4の毛管力で、燃料貯蔵タンクから液体燃料を引
き込む方法が挙げられる。この方法によれば、燃料貯蔵
タンクと液体燃料導入路4との接続点、つまり液体燃料
導入路4に設けられた燃料入口の位置を、スタック10
の上面より高くする必要がなくなり、例えば上記自然落
下法と組み合せると、燃料タンクの設置場所を自在に設
定することができるという利点がある。
As a method of supplying the liquid fuel from the fuel storage tank to the liquid fuel introduction path 4, there is a method in which the liquid fuel in the fuel storage tank is naturally dropped and introduced into the liquid fuel introduction path 4. This method can reliably introduce the liquid fuel into the liquid fuel introduction passage 4 except for a structural restriction that the fuel storage tank must be provided at a position higher than the upper surface of the stack 10. As another method, there is a method of drawing liquid fuel from the fuel storage tank by the capillary force of the liquid fuel introduction path 4. According to this method, the connection point between the fuel storage tank and the liquid fuel introduction path 4, that is, the position of the fuel inlet provided in the liquid fuel introduction path 4 is determined by the stack 10
There is no need to make the height higher than the upper surface of the fuel tank. For example, in combination with the above-mentioned natural fall method, there is an advantage that the installation location of the fuel tank can be freely set.

【0025】ただし、毛管力で液体燃料導入路4に導入
された液体燃料を、引き続き円滑に毛管力で燃料浸透部
6に供給するためには、液体燃料導入路4の毛管力より
燃料浸透部6への毛管力のほうが大きくなるように設定
することが重要である。なお、液体燃料導入路4の数
は、スタック10の側面に沿って1つに限定されるもの
ではなく、他方のスタック側面にも液体燃料導入路4を
形成することも可能である。
However, in order to continuously supply the liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction passage 4 by the capillary force to the fuel permeation portion 6 by the capillary force, the fuel permeation portion is formed by the capillary force of the liquid fuel introduction passage 4. It is important to set the capillary force to 6 to be greater. The number of the liquid fuel introduction passages 4 is not limited to one along the side surface of the stack 10, and the liquid fuel introduction passages 4 may be formed on the other stack side surface.

【0026】また、上述したような燃料貯蔵タンクは、
電池本体から着脱可能とすることかできる。これによ
り、燃料貯蔵タンクを交換することで、電池の作動を継
続して長時間行うことが可能となる。また、燃料貯蔵タ
ンクから液体燃料導入路4への液体燃料の供給は、上述
したような自然落下や、タンク内の内圧等で液体燃料を
押し出すような構成としてもよいし、また液体燃料導入
路4の毛管力で燃料を引き出すような構成とすることも
できる。
The fuel storage tank as described above is
It can be detachable from the battery body. Thus, by replacing the fuel storage tank, the operation of the battery can be continued for a long time. Further, the supply of the liquid fuel from the fuel storage tank to the liquid fuel introduction path 4 may be configured such that the liquid fuel is pushed out by the above-described natural fall or the internal pressure in the tank, or the liquid fuel introduction path may be provided. It is also possible to adopt a configuration in which fuel is drawn out by the capillary force of 4.

【0027】上述したような方法によって、液体燃料導
入路4内に導入された液体燃料は、燃料浸透部6に供給
される。燃料浸透部6の形態は、液体燃料をその内部に
保持し、気化した燃料のみを燃料気化部7を通して燃料
極2に供給するような機能を有していれば特に限定され
る物ではなく、例えば、液体燃料の通路をもち、その燃
料気化部7との界面に気液分離膜を具備したようなもの
でもよい。更に、毛管力により燃料浸透部6に液体燃料
を供給する場合、燃料浸透部6の形態は、液体燃料を毛
管力で浸透し得るものであれば特に限定されるものでは
なく、粒子やフィラーからなる多孔質体や、抄紙法等で
製造した不織布、繊維を織った織布等の他に、ガラスや
プラスチック等の板と板との間に形成された狭い隙間等
も用いることができる。
The liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction passage 4 is supplied to the fuel permeation section 6 by the above-described method. The form of the fuel infiltration section 6 is not particularly limited as long as it has a function of holding the liquid fuel therein and supplying only the vaporized fuel to the fuel electrode 2 through the fuel vaporization section 7. For example, it may have a passage for a liquid fuel and include a gas-liquid separation membrane at the interface with the fuel vaporization section 7. Further, when the liquid fuel is supplied to the fuel infiltration unit 6 by capillary force, the form of the fuel infiltration unit 6 is not particularly limited as long as the liquid fuel can be infiltrated by capillary force. In addition to a porous body, a nonwoven fabric manufactured by a papermaking method or the like, and a woven fabric woven with fibers, a narrow gap formed between glass and plastic plates or the like can be used.

【0028】以下に、燃料浸透部6として多孔質体を用
いた場合について説明する。液体燃料を燃料浸透部6側
に引き込むための毛管力としては、まず燃料浸透部6と
なる多孔質体自体の毛管力が挙げられる。このような毛
管力を利用する場合、多孔質体である燃料浸透部6の孔
を連結させた、いわゆる連続孔とし、その孔径を制御す
ると共に、液体燃料導入路4側の燃料浸透部6側面から
少なくとも他の一面まで連続した連通孔とすることによ
り、液体燃料を横方向でも円滑に毛管力で供給すること
が可能となる。
The case where a porous body is used as the fuel infiltration section 6 will be described below. As the capillary force for drawing the liquid fuel into the fuel permeation portion 6 side, first, the capillary force of the porous body itself that becomes the fuel permeation portion 6 can be cited. When such a capillary force is used, a so-called continuous hole is formed by connecting the holes of the fuel permeable portion 6 which is a porous body, and the hole diameter is controlled, and the side surface of the fuel permeable portion 6 on the side of the liquid fuel introduction path 4 is controlled. To at least one other surface, the liquid fuel can be smoothly supplied by the capillary force even in the lateral direction.

【0029】燃料浸透部6となる多孔質体の孔径等は、
液体燃料導入路4内の液体燃料を引き込み得るものであ
ればよく、特に限定されるものではないが、液体燃料導
入路4の毛管力を考慮した上で、0.01〜150μm程度と
することが好ましい。また、多孔質体における孔の連続
性の指標となる孔の体積は、20〜90%程度とすることが
好ましい。孔径を0.01μmより小さくすると、燃料浸透
部6の製造が困難となり、また150μmを超えると毛管
力が低下してしまう。また、孔の体積が20%未満となる
と連続孔の量が減り、閉鎖された孔が増えるため、毛管
力を十分に得ることができなくなる。逆に、孔の体積が
90%を超えると、連続孔の量は増加するものの、強度的
に弱くなると共に製造が困難となる。実用的には、孔径
は0.5〜100μmの範囲、また孔の体積は30〜75%の範
囲とすることが望ましい。
The pore diameter and the like of the porous body that becomes the fuel infiltration section 6 are as follows:
It is not particularly limited as long as the liquid fuel in the liquid fuel introduction path 4 can be drawn in, and is not particularly limited, but is preferably about 0.01 to 150 μm in consideration of the capillary force of the liquid fuel introduction path 4. . Further, the volume of pores, which is an index of the continuity of pores in the porous body, is preferably about 20 to 90%. If the pore diameter is smaller than 0.01 μm, it becomes difficult to manufacture the fuel permeable portion 6, and if it exceeds 150 μm, the capillary force is reduced. Further, when the volume of the holes is less than 20%, the amount of continuous holes decreases and the number of closed holes increases, so that sufficient capillary force cannot be obtained. Conversely, the volume of the hole
If it exceeds 90%, although the amount of continuous pores increases, the strength becomes weak and the production becomes difficult. Practically, it is desirable that the pore size is in the range of 0.5 to 100 μm and the volume of the pores is in the range of 30 to 75%.

【0030】[0030]

【実施例】以下、具体的ではあるが限定的ではない実施
例を説明することによって、本発明をより深く理解する
ことができる。 (実施例1)膜厚170μmのDuPont社製Nafion117を、加
速電圧50KVで30μC/cm2の電子線を照射し、表面を変成
した。水中に1時間放置後、表面の導電性を測定したと
ころ、1.1×10 -6S/cmであった。一方、表面を30μm
切りだした後のフィルムの表面の導電性を同様に測定し
たところ、4.5×10-2S/cmであった。得られた膜は目
的通り、単一な膜でありながら、内部の導電性が高く、
表面の導電性が低いイオン導電性膜であることがわかっ
た。
The present invention can be understood more deeply by describing specific but non-limiting examples. Example 1 A 170 μm-thick Nafion 117 manufactured by DuPont was irradiated with an electron beam of 30 μC / cm 2 at an acceleration voltage of 50 KV to modify the surface. After standing in water for 1 hour, the surface conductivity was measured and found to be 1.1 × 10 −6 S / cm. On the other hand, the surface is 30 μm
When the conductivity of the surface of the film after cutting was measured in the same manner, it was 4.5 × 10 −2 S / cm. Although the obtained film is a single film as intended, the internal conductivity is high,
It turned out that it is an ion conductive film with low surface conductivity.

【0031】上述したイオン導電性膜の表面10μmを
切り出した。同様にして内部の90μmから100μmを切
り出し、水に一時間浸せきした後に膨潤度を測定したと
ころ、表面層の膨潤度は約10%であったのに対し、内部
の膨潤は22%であった。得られた膜は目的通り、単一な
膜でありながら、内部の膨潤度が高く、表面薄膜層の膨
純度が低いイオン導電性膜であることがわかった。
A 10 μm surface of the ionic conductive film was cut out. Similarly, the inside was cut out from 90 μm to 100 μm, and the degree of swelling was measured after immersion in water for 1 hour.The degree of swelling of the surface layer was about 10%, whereas the degree of swelling of the inside was 22%. . The obtained film was found to be an ion conductive film having a high degree of swelling inside and a low swelling purity of the surface thin film layer, although it was a single film as intended.

【0032】また、上述したイオン導電性膜の対抗面間
の導電性は1.5×10-3S/cmであり、水に浸せきしたと
きの全体の膨純度は13%であった。赤外分光法による解
析では、スルホン酸の表面の吸収が内部の吸収に比較
し、15%低下していた。表面層でスルホン酸基の減少
が認められ、架橋とともに、スルホン酸含量が低下する
ために、膨潤度、及び導電性が低下する事がわかった。
さらに、水層と水・メタノール(1:1容量)を上述したイ
オン導電膜で仕切り、メタノールの透過係数を測定した
ところ、7×10-8cm2/sであり、EB照射前の1.2×10
-6cm2/sと比較し、メタノール透過性が減少しているこ
とが確認できた。
The conductivity between the opposing surfaces of the ionic conductive film was 1.5 × 10 −3 S / cm, and the overall swelling purity when immersed in water was 13%. Analysis by infrared spectroscopy showed that the surface absorption of sulfonic acid was 15% lower than the internal absorption. A decrease in sulfonic acid groups was observed in the surface layer, and it was found that the swelling degree and the conductivity decreased due to a decrease in the sulfonic acid content along with crosslinking.
Furthermore, when the aqueous layer and water / methanol (1: 1 volume) were partitioned by the above-mentioned ionic conductive film, and the permeability coefficient of methanol was measured, the result was 7 × 10 −8 cm 2 / s, which was 1.2 × 10 −8 cm 2 / s before EB irradiation.
Compared with -6 cm2 / s, it was confirmed that methanol permeability was reduced.

【0033】以上説明したイオン導電膜を使用して図2
に示した構成を有する液体燃料電池(単電池)を、以下
に示す要領で作製した。図1で示した燃料電池が基本的
な構成であるが、実際に作成した燃料電池を図2に示し
た。
Using the ionic conductive film described above, FIG.
A liquid fuel cell (unit cell) having the configuration shown in (1) was manufactured in the following manner. Although the fuel cell shown in FIG. 1 has a basic configuration, FIG. 2 shows an actually prepared fuel cell.

【0034】まず、カーボンクロス上にPt-Ru系触媒層
を塗布した32mm×32mmの燃料極22と、カーボンクロス上
にPtブラック触媒層を塗布した32mm×32mmの酸化剤極23
とで、触媒層が電解質膜と接するようにして上述した実
施例1で作製したイオン導電性膜を所定の形状に切り出
し電解質膜21として挟持した。これらを、120℃で5分
間、100kg/cm2の圧力でホットプレスして接合した。こ
の起電部と、燃料気化層25としての平均孔径100μm、
気孔率70%のカーボン多孔質板と、燃料浸透層24として
の平均孔径5μm、気孔率40%のカーボン多孔質板とを、
深さ2mm、幅1mmの酸化剤ガス供給溝26をもつ酸化剤極側
ホルダー27と燃料極側ホルダー28の内部に組み込んで反
応面積10cm2の単電池を作製した。このようにして得た
液体燃料電池に、液体燃料としてメタノールと水の1:
1(モル比)混合液を燃料浸透層25の側面から毛管力で
導入し、酸化剤ガスとして1atmの空気を100ml/minでガ
スチャンネル26に流して80℃、0.2A/cm2の負荷条件で発
電を行った。初期の電圧は0.5Vであった。一日運転した
後でも電圧の変化はなかった。 (比較例1)実施例1において、加速電圧200KVで同量
を照射した膜を同様に分析したところ、内部と表面層で
の導電性の差はほとんどなく、水中での膨純度は10%と
低下した。実施例1と同様にメタノール透過性を調べた
ところ6×10-8cm2/sと処理前のNafion117に比較し透
過性が大きく減少することがわかった。しかし、対抗面
間の導電性は4.5×10-5S/cmと大きく減少し、メタノ
ールの透過性の減少と導電性の維持を両立させることは
できなかった。
First, a 32 mm × 32 mm fuel electrode 22 having a Pt—Ru catalyst layer coated on a carbon cloth, and a 32 mm × 32 mm oxidizing electrode 23 having a Pt black catalyst layer coated on a carbon cloth
Then, the ion conductive film produced in Example 1 described above was cut out into a predetermined shape so that the catalyst layer was in contact with the electrolyte membrane, and was sandwiched as the electrolyte membrane 21. These were joined by hot pressing at 120 ° C. for 5 minutes at a pressure of 100 kg / cm 2. This electromotive section and an average pore diameter of 100 μm as the fuel vaporization layer 25,
A carbon porous plate having a porosity of 70%, and a carbon porous plate having an average pore diameter of 5 μm and a porosity of 40% as the fuel permeable layer 24,
A unit cell having a reaction area of 10 cm2 was fabricated by incorporating the inside of an oxidant electrode side holder 27 and a fuel electrode side holder 28 having an oxidant gas supply groove 26 having a depth of 2 mm and a width of 1 mm. In the liquid fuel cell obtained in this manner, methanol and water 1:
A 1 (molar ratio) mixture is introduced by capillary force from the side of the fuel permeable layer 25, and 1 atm of air as an oxidizing gas is flowed through the gas channel 26 at 100 ml / min under a load condition of 80 ° C. and 0.2 A / cm 2. Generated electricity. The initial voltage was 0.5V. There was no change in voltage after one day of operation. (Comparative Example 1) In Example 1, when a film irradiated with the same amount at an accelerating voltage of 200 KV was similarly analyzed, there was almost no difference in conductivity between the inside and the surface layer, and the swelling purity in water was 10%. Dropped. When the methanol permeability was examined in the same manner as in Example 1, it was found that the permeability was 6 × 10 −8 cm 2 / s, which was significantly lower than that of Nafion117 before the treatment. However, the conductivity between the opposing surfaces was significantly reduced to 4.5 × 10 −5 S / cm, and it was not possible to achieve both reduction in methanol permeability and maintenance of conductivity.

【0035】これらのことから、内部のイオン導電性を
維持しつつ、表面薄膜層の膨潤度、導電性を低下させた
本発明の膜は、全体の性質を均一に変化させた膜に比較
し、本来のNafion膜の導電性を維持したまま、メタノー
ルの透過をより効果的に防止できることがわかった。
From these facts, the film of the present invention in which the swelling degree and conductivity of the surface thin film layer are reduced while maintaining the internal ionic conductivity is compared with a film in which the overall properties are changed uniformly. It has been found that permeation of methanol can be more effectively prevented while maintaining the original conductivity of the Nafion membrane.

【0036】実施例1で作製した膜のかわりに、未処理
のNafion117を使用した以外は実施例1と同様に実験し
たところ、初期電圧は0.4Vであったが次第に低下し、5
時間運転することにより0.2A/cm2の負荷がとれなくなる
まで低下した。
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that untreated Nafion 117 was used instead of the film produced in Example 1. The initial voltage was 0.4 V, but gradually decreased.
After running for hours, the load decreased until the load of 0.2 A / cm2 could not be taken.

【0037】実施例1と比較例1の比較から容易に本発
明の膜がメタノール燃料電池用固体電解質として優れて
いることがわかった。 (比較例2)実施例1で作製した膜のかわりに、未処理
のNafion117を使用した以外は実施例5と同様の構造の
燃料電池について、駆動したところ、初期電圧は0.4Vで
あったが次第に低下し、5時間運転することにより0.2A
/cm2の負荷がとれなくなるまで低下した。
From a comparison between Example 1 and Comparative Example 1, it was easily found that the membrane of the present invention was excellent as a solid electrolyte for a methanol fuel cell. (Comparative Example 2) A fuel cell having the same structure as in Example 5 except that untreated Nafion 117 was used instead of the membrane produced in Example 1 was driven, and the initial voltage was 0.4 V. Gradually lower, 0.2A by driving for 5 hours
/ cm2 decreased until the load could not be taken.

【0038】実施例1と実施例2の比較から容易に本発
明の膜がメタノール燃料電池用固体電解質として優れて
いることがわから。 (実施例2)膜厚170μmのDuPont社製Nafion117を、加
速電圧35KVで20μC/cm2の電子線を照射し、表面薄膜層
のみを変成した。このイオン導電性膜を使用した以外は
実施例1と同様に図2に示したメタノール燃料電池を作
製し出力電圧を測定したところ、0.5Vであり、一日運転
した後の出力低下は5%以下で安定しており、メタノー
ルによるカソード被毒が減少していることが確認でき
た。 (実施例3)膜厚約100μmのDuPont社製Nafion112を、
加速電圧35KVで20μC/cm2の電子線を照射し、表面薄膜
層のみを変成した。未処理Nafion112/本イオン導電性膜
/未処理Nafion112積層し、それ以外は実施例1と同様に
メタノール燃料電池を作製し出力電圧を測定したとこ
ろ、0.55Vであり、一日運転した後の出力低下は5%以内
であった。 (実施例4)厚さ190μmのNafion@フィルムをポリベ
ンズイミダゾールの0.1%DMAc溶液中に室温で1時間浸
し、室温で乾燥したのち、125℃、100kg/cm
2で10分間プレスしたのち、純水で煮沸1時間して、
複合膜のイオン導電性膜を作製した。このイオン導電性
膜を使用する以外は実施例1と全く同様にして燃料電池
を形成した。 (実施例5)厚さ190μmのNafion@フィルムをポリア
ニリンの0.1%DMAc溶液中に室温で1時間浸し、室温で
乾燥した後、125℃、100kg/cm2で10分間
プレスしたのち、純水で煮沸1時間して、複合膜のイオ
ン導電性膜を作製した。このイオン導電性膜を使用する
以外は実施例1と全く同様にして燃料電池を形成した。 (実施例6)厚さ190μmのNafion@フィルムをポリ
(ジメチルアミノエチルスチレン)の1%DMAc溶液中に室
温で1時間浸し、室温で乾燥した後、125℃、100
kg/cm2で10分間プレスしたのち、純水で煮沸1
時間して、複合膜のイオン導電性膜を作製した。このイ
オン導電性膜を使用する以外は実施例1と全く同様にし
て燃料電池を形成した。 (実施例7)厚さ190μmのNafion@フィルムをポリベ
ンズイミダゾールの0.1%DMAc溶液中に室温で1時間浸
し、室温で乾燥したのち、125℃、100kg/cm
2で10分間プレスしたのち、純水で煮沸1時間して、
複合膜のイオン導電性膜を作製した。さらに、この膜に
燐酸の1%水溶液に5時間浸し、燐酸をドープした。こ
のイオン導電性膜を使用する以外は実施例1と全く同様
にして燃料電池を形成した。 (実施例8)厚さ190μmのNafion@フィルムをポリア
ニリンの0.1%DMAc溶液中に室温で1時間浸し、室温で
乾燥した後、125℃、100kg/cm2で10分間
プレスしたのち、純水で煮沸1時間して、複合膜のイオ
ン導電性膜を作製した。さらに、この膜を硫酸の1%水
溶液に5時間浸し、硫酸をドープした。このイオン導電
性膜を使用する以外は実施例1と全く同様にして燃料電
池を形成した。 (実施例9)厚さ190μmのNafion@フィルムをポリ
(ジメチルアミノエチルスチレン)の1%DMAc溶液中に室
温で1時間浸し、室温で乾燥した後、125℃、100
kg/cm2で10分間プレスしたのち、純水で煮沸1
時間して、複合膜のイオン導電性膜を作製した。さら
に、この膜にポリパラビニルベンゼンスルホン酸の1%
溶液に5時間浸し、スルホン酸をドープした。このイオ
ン導電性膜を使用する以外は実施例1と全く同様にして
燃料電池を形成した。 (実施例10)ポリエチレンクロスにポリスチレン・ジ
ビニルベンゼンを染み込ませ、スルホンしたイオン交換
膜をポリベンズイミダゾールの0.1%DMAc溶液中に室温
で1時間浸し、室温で乾燥したのち、125℃、100
kg/cm2で10分間プレスしたのち、純水で煮沸1
時間して、複合膜のイオン導電性膜を作製した。このイ
オン導電性膜を使用する以外は実施例1と全く同様にし
て燃料電池を形成した。 (実施例11)厚さ190μmのNafion@フィルムをポリ
ベンズイミダゾールの0.1%DMAc溶液中に室温で1時間
浸し室温で乾燥したの、125℃、100kg/cm2
で10分間プレスしたのち、純水で煮沸1時間して、複
合膜のイオン導電性膜を作製した。さらに加速電圧50K
V, ドーズ量300μC/cm2でEB照射した。このイオン導電
性膜を使用する以外は実施例1と全く同様にして燃料電
池を形成した。このイオン導電性膜として使用し実施例
1と同様にメタノール燃料電池を作製し出力電圧を測定
したところ、0.5Vであり、一日運転した後の出力低下は
5%以下であり、上述した実施例3〜実施例10と同様
に出力低下を防止することができ、メタノールによるカ
ソード被毒が減少していることが確認できた。 (比較例3)サンプル1 厚さ190μmのNafion@フィ
ルムをポリスチレンの0.1%トルエン溶液中に室温で1時間
浸し、室温で乾燥したのち、125℃、100kg/c
m2で10分間プレスしたのち、純水で煮沸1時間し
て、複合膜のサンプルを作製した。
From the comparison between Example 1 and Example 2, it is easily understood that the membrane of the present invention is excellent as a solid electrolyte for a methanol fuel cell. Example 2 A 170 μm thick Nafion 117 manufactured by DuPont was irradiated with an electron beam of 20 μC / cm 2 at an acceleration voltage of 35 KV to modify only the surface thin film layer. The methanol fuel cell shown in FIG. 2 was prepared and the output voltage was measured in the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. The output voltage was 0.5 V, and the output decrease after one day operation was 5%. Below, it was confirmed that cathode poisoning by methanol was reduced. (Example 3) DuPont's Nafion112 having a film thickness of about 100 µm was
An electron beam of 20 μC / cm2 was irradiated at an acceleration voltage of 35 KV to modify only the surface thin film layer. Untreated Nafion112 / Ion conductive membrane
/ Untreated Nafion 112 was laminated, and the methanol fuel cell was prepared and the output voltage was measured in the same manner as in Example 1. The output voltage was 0.55 V, and the output reduction after one day operation was within 5%. Example 4 A Nafion® film having a thickness of 190 μm was immersed in a 0.1% DMAc solution of polybenzimidazole at room temperature for 1 hour, dried at room temperature, and then dried at 125 ° C. and 100 kg / cm.
2 for 10 minutes, boil in pure water for 1 hour,
An ion conductive film of a composite film was prepared. A fuel cell was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. Example 5 A 190 μm thick Nafion® film was immersed in a 0.1% solution of polyaniline in DMAc for 1 hour at room temperature, dried at room temperature, pressed at 125 ° C. and 100 kg / cm 2 for 10 minutes, and then boiled with pure water. One hour later, a composite ion-conductive film was prepared. A fuel cell was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. Example 6 A Nafion® film having a thickness of 190 μm was immersed in a 1% DMAc solution of poly (dimethylaminoethylstyrene) at room temperature for 1 hour and dried at room temperature.
After pressing for 10 minutes at kg / cm2, boil in pure water 1
After a while, a composite membrane ionic conductive membrane was prepared. A fuel cell was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. Example 7 A Nafion® film having a thickness of 190 μm was immersed in a 0.1% DMAc solution of polybenzimidazole for 1 hour at room temperature, dried at room temperature, and then dried at 125 ° C. and 100 kg / cm.
2 for 10 minutes, boil in pure water for 1 hour,
An ion conductive film of a composite film was prepared. Further, this film was immersed in a 1% aqueous solution of phosphoric acid for 5 hours to dope phosphoric acid. A fuel cell was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. Example 8 A Nafion® film having a thickness of 190 μm was immersed in a 0.1% DMAC solution of polyaniline at room temperature for 1 hour, dried at room temperature, pressed at 125 ° C. and 100 kg / cm 2 for 10 minutes, and then boiled with pure water. One hour later, a composite ion-conductive film was prepared. Further, this film was immersed in a 1% aqueous solution of sulfuric acid for 5 hours to dope sulfuric acid. A fuel cell was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. Example 9 A Nafion® film having a thickness of 190 μm was immersed in a 1% DMAc solution of poly (dimethylaminoethylstyrene) at room temperature for 1 hour, dried at room temperature, and then dried at 125 ° C. and 100 ° C.
After pressing for 10 minutes at kg / cm2, boil in pure water 1
After a while, a composite membrane ionic conductive membrane was prepared. Furthermore, 1% of polyparavinylbenzene sulfonic acid is added to this membrane.
It was immersed in the solution for 5 hours and doped with sulfonic acid. A fuel cell was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. Example 10 Polyethylene cloth was impregnated with polystyrene / divinylbenzene into a polyethylene cloth, and a sulfonated ion exchange membrane was immersed in a 0.1% DMAc solution of polybenzimidazole at room temperature for 1 hour, dried at room temperature, and dried at 125 ° C. and 100 ° C.
After pressing for 10 minutes at kg / cm2, boil in pure water 1
After a while, a composite membrane ionic conductive membrane was prepared. A fuel cell was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. Example 11 A Nafion® film having a thickness of 190 μm was immersed in a 0.1% DMAc solution of polybenzimidazole for 1 hour at room temperature and dried at room temperature. The temperature was 125 ° C. and 100 kg / cm 2.
For 10 minutes, and then boiled with pure water for 1 hour to produce a composite ion-conductive film. Further acceleration voltage 50K
EB irradiation was performed at a dose of V and a dose of 300 μC / cm2. A fuel cell was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that this ion conductive membrane was used. A methanol fuel cell was produced using this ion conductive membrane in the same manner as in Example 1, and the output voltage was measured. The output voltage was 0.5 V, and the output reduction after one day of operation was 5% or less. As in Examples 3 to 10, it was possible to prevent a decrease in output, and it was confirmed that cathode poisoning by methanol was reduced. Comparative Example 3 Sample 1 A 190 μm thick Nafion® film was immersed in a 0.1% toluene solution of polystyrene at room temperature for 1 hour, dried at room temperature, and then heated at 125 ° C. and 100 kg / c.
After pressing at m2 for 10 minutes, the sample was boiled with pure water for 1 hour to prepare a composite membrane sample.

【0039】表1に実施例4〜実施例11、並びに比較
例3における各膜の導電性と相対的メタノール透過性を
示す。未処理のナフィオン膜のメタノール透過性を10
0とすると、本発明の実施例4―11で用いた膜は導電
性の低下が少ないにもかかわらず、メタノール透過性が
低下していることがわかる。一方、比較例で示すよう
に、窒素、水酸基を持たないポリスチレンで表面コート
した場合には、大きな抵抗の増加が認められた。
Table 1 shows the conductivity and relative methanol permeability of each film in Examples 4 to 11 and Comparative Example 3. Methanol permeability of untreated Nafion membrane was 10
When the value is set to 0, it can be seen that the membrane used in Example 4-11 of the present invention has a low methanol permeability despite a small decrease in conductivity. On the other hand, as shown in the comparative example, when the surface was coated with polystyrene having neither nitrogen nor a hydroxyl group, a large increase in resistance was observed.

【表1】 これらのことから、内部のイオン導電性を維持しつつ、
表面薄膜層の膨潤度、導電性を低下させた本発明の膜
は、全体の性質を均一に変化させた膜に比較し、本来の
Nafion膜の導電性を維持したまま、メタノールの透過を
より効果的に防止できることがわかった。 (実施例16)厚さ190μmのNafion@フィルムをポリ
アニリンの0.1%DMAc溶液中に室温で1時間浸し、室温
で乾燥した後、125℃、100kg/cm2で10分
間プレスしたのち、純水で煮沸1時間して、複合膜のイ
オン導電性膜を作製した。さらに、この膜を硫酸の1%
水溶液に5時間浸し、硫酸をドープした。このイオン導
電性膜を使用して、未処理Nafion112/イオン導電性膜/
未処理Nafion112積層し、実施例1と同様にメタノール
燃料電池を作製し出力電圧を測定したところ、0.55Vで
あり、一日運転した後の出力低下は5%以内であった。
[Table 1] From these, while maintaining the internal ionic conductivity,
The film of the present invention in which the degree of swelling of the surface thin film layer and the conductivity have been reduced, compared to a film in which the overall properties are uniformly changed,
It was found that permeation of methanol can be more effectively prevented while maintaining the conductivity of the Nafion membrane. Example 16 A 190 μm thick Nafion® film was immersed in a 0.1% solution of polyaniline in DMAc at room temperature for 1 hour, dried at room temperature, pressed at 125 ° C. and 100 kg / cm 2 for 10 minutes, and then boiled with pure water. One hour later, a composite ion-conductive film was prepared. In addition, this membrane is
It was immersed in an aqueous solution for 5 hours and doped with sulfuric acid. Using this ion conductive film, untreated Nafion112 / ion conductive film /
Untreated Nafion 112 was laminated, a methanol fuel cell was produced in the same manner as in Example 1, and the output voltage was measured. The output voltage was 0.55 V, and the output decrease after one day operation was within 5%.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上述べたとおり、本発明のイオン導電
性膜を使用すれば、メタノールのクロスオーバーを減少
させ、安定した高い出力の燃料電池を作製することが可
能である。
As described above, the use of the ion conductive membrane of the present invention makes it possible to reduce the methanol crossover and to produce a stable and high-output fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の実施の形態を説明する燃料電池の断
面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell illustrating an embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の実施例の主要部を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a main part of an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電解質板 2 燃料極 3 酸化剤極 4 液体燃料導入路 5 セパレータ 6 燃料浸透部 7 燃料気化部 8 酸化剤ガス供給溝 10 起電部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte plate 2 Fuel electrode 3 Oxidant electrode 4 Liquid fuel introduction path 5 Separator 6 Fuel permeation part 7 Fuel vaporization part 8 Oxidant gas supply groove 10 Electromotive part

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大図 秀行 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 ホブソン ロイス 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 4F073 AA02 AA07 CA42 5H026 AA08 CC03 CX05 EE18 EE19 HH06  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hideyuki Ogamu Toshiba-cho, Koyuki, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture, Japan Inside Toshiba R & D Center (72) Inventor Hobson Lois Komukai, Koyuki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa 1F Toshiba-cho F-term in Toshiba R & D Center (reference) 4F073 AA02 AA07 CA42 5H026 AA08 CC03 CX05 EE18 EE19 HH06

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】表面での導電性が内部での導電性に比べて
低く設定され、且つ燃料電池の電解質の用途に用いるこ
とを特徴とするイオン導電性膜。
1. An ionic conductive membrane characterized in that its surface conductivity is set lower than its internal conductivity, and that it is used for electrolytes in fuel cells.
【請求項2】前記イオン導電性膜は、フッ素樹脂骨格お
よびスルホン酸からなるポリマーであることを特徴とす
る請求項1に記載のイオン導電性膜。
2. The ion conductive film according to claim 1, wherein said ion conductive film is a polymer comprising a fluororesin skeleton and sulfonic acid.
【請求項3】前記ポリマーは、ポリベンズイミザゾール
誘導体、アミノを含有するポリマー、ポリアニリン誘導
体、シラノール含有ポリマー、及び水酸基含有ポリマー
よりなる群から選ばれることを特徴とする請求項2に記
載のイオン導電性膜。
3. The method according to claim 2, wherein the polymer is selected from the group consisting of polybenzimidazole derivatives, amino-containing polymers, polyaniline derivatives, silanol-containing polymers, and hydroxyl-containing polymers. Ion conductive film.
【請求項4】燃料電池の電解質に用いる導電性膜を準備
する工程と、この導電性膜の表面に対して電子線を照射
することにより前記表面での導電性が前記導電性膜の内
部での導電性に比べて低く改変する工程とを具備するこ
とを特徴とするイオン導電性膜の製造方法。
4. A step of preparing a conductive film to be used as an electrolyte of a fuel cell, and irradiating the surface of the conductive film with an electron beam so that the surface has a conductivity within the conductive film. And a step of modifying the conductivity to be lower than the conductivity of the ion-conductive film.
【請求項5】電解質膜と、この電解質膜に隣接して形成
される燃料極と、前記電解質膜に隣接し且つ前記電解質
膜を介して前記燃料極と対向する酸化剤極とを具備する
燃料電池において、前記電解質膜は、表面での導電性が
内部での導電性に比べて低く設定されるイオン導電性膜
であることを特徴とする燃料電池。
5. A fuel comprising: an electrolyte membrane; a fuel electrode formed adjacent to the electrolyte membrane; and an oxidant electrode adjacent to the electrolyte membrane and facing the fuel electrode via the electrolyte membrane. A fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is an ion-conductive membrane whose surface conductivity is set to be lower than the internal conductivity.
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