JP2001243964A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JP2001243964A JP2001243964A JP2000051027A JP2000051027A JP2001243964A JP 2001243964 A JP2001243964 A JP 2001243964A JP 2000051027 A JP2000051027 A JP 2000051027A JP 2000051027 A JP2000051027 A JP 2000051027A JP 2001243964 A JP2001243964 A JP 2001243964A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】強度が高くかつ抵抗が低い陽イオン交換膜を有
することにより、出力が高く長期的に高出力が維持でき
る固体高分子型燃料電池の提供。 【解決手段】含水率が異なるスルホン酸基を有するパー
フルオロカーボン重合体フィルム２層以上の積層体から
なり、該フィルムの１層以上がパーフルオロカーボン重
合体と膜状多孔体との複合体からなる陽イオン交換膜を
固体高分子電解質とする。
することにより、出力が高く長期的に高出力が維持でき
る固体高分子型燃料電池の提供。 【解決手段】含水率が異なるスルホン酸基を有するパー
フルオロカーボン重合体フィルム２層以上の積層体から
なり、該フィルムの１層以上がパーフルオロカーボン重
合体と膜状多孔体との複合体からなる陽イオン交換膜を
固体高分子電解質とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子電解質型
燃料電池に関する。
燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年プロトン電導性の高分子膜を電解質
として用いる固体高分子電解質型燃料電池の研究が進ん
でいる。固体高分子電解質型燃料電池は、低温で作動し
出力密度が高く小型化できるという特徴を有し、車載用
電源等の用途に対し有望視されている。
として用いる固体高分子電解質型燃料電池の研究が進ん
でいる。固体高分子電解質型燃料電池は、低温で作動し
出力密度が高く小型化できるという特徴を有し、車載用
電源等の用途に対し有望視されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】固体高分子電解質型燃
料電池に電解質として用いられる高分子膜は、通常厚さ
５０〜２００μｍのプロトン電導性イオン交換膜が用い
られ、特にスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン
重合体からなる陽イオン交換膜が基本特性に優れ広く検
討されている。しかし、現在提案されている陽イオン交
換膜の電気抵抗は、より高出力密度の電池を得る観点か
ら必ずしも充分に低いとはいえない。
料電池に電解質として用いられる高分子膜は、通常厚さ
５０〜２００μｍのプロトン電導性イオン交換膜が用い
られ、特にスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン
重合体からなる陽イオン交換膜が基本特性に優れ広く検
討されている。しかし、現在提案されている陽イオン交
換膜の電気抵抗は、より高出力密度の電池を得る観点か
ら必ずしも充分に低いとはいえない。
【０００４】陽イオン交換膜の電気抵抗を低減する方法
としては、スルホン酸基濃度を増加する方法と膜厚を低
減する方法があるが、スルホン酸基濃度の著しい増加
は、膜の機械的強度を低下させたり、長期運転において
膜がクリープしやすくなり耐久性を低下させるなどの問
題が生じる。一方膜厚の低減は、膜の機械的強度を低下
させたり、さらにガス拡散電極との接合等の加工性・取
扱い性を低下させるなどの問題が生じる。そのため、電
気抵抗が低くかつ機械的強度が高い陽イオン交換膜の開
発が望まれていた。
としては、スルホン酸基濃度を増加する方法と膜厚を低
減する方法があるが、スルホン酸基濃度の著しい増加
は、膜の機械的強度を低下させたり、長期運転において
膜がクリープしやすくなり耐久性を低下させるなどの問
題が生じる。一方膜厚の低減は、膜の機械的強度を低下
させたり、さらにガス拡散電極との接合等の加工性・取
扱い性を低下させるなどの問題が生じる。そのため、電
気抵抗が低くかつ機械的強度が高い陽イオン交換膜の開
発が望まれていた。
【０００５】そこで、本発明は、電気抵抗が低く機械的
強度が高い陽イオン交換膜を電解質として有することに
より、出力が高く長期的に高出力を維持できる固体高分
子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
強度が高い陽イオン交換膜を電解質として有することに
より、出力が高く長期的に高出力を維持できる固体高分
子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、スルホン酸基
を有するバーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン
交換膜を固体高分子電解質として正極と負極の間に配置
した固体高分子電解質型燃料電池において、前記陽イオ
ン交換膜は、異なる含水率を有するパーフルオロカーボ
ン重合体を含むフィルム２層以上の積層体からなり、か
つ該フィルムの１層以上はパーフルオロカーボン重合体
と膜状多孔体との複合体からなることを特徴とする固体
高分子電解質型燃料電池を提供する。
を有するバーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン
交換膜を固体高分子電解質として正極と負極の間に配置
した固体高分子電解質型燃料電池において、前記陽イオ
ン交換膜は、異なる含水率を有するパーフルオロカーボ
ン重合体を含むフィルム２層以上の積層体からなり、か
つ該フィルムの１層以上はパーフルオロカーボン重合体
と膜状多孔体との複合体からなることを特徴とする固体
高分子電解質型燃料電池を提供する。
【０００７】本発明の燃料電池における陽イオン交換膜
は、異なる含水率を有するパーフルオロカーボン重合体
を含むフィルム２層以上の積層体からなっており、含水
率の高いフィルムは陽イオン交換膜の抵抗を低くし、含
水率の低いフィルムは陽イオン交換膜の強度を高める機
能を有する。
は、異なる含水率を有するパーフルオロカーボン重合体
を含むフィルム２層以上の積層体からなっており、含水
率の高いフィルムは陽イオン交換膜の抵抗を低くし、含
水率の低いフィルムは陽イオン交換膜の強度を高める機
能を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明における陽イオン交換膜
は、負極に近いほど含水率が高いフィルムが配置される
ように、異なる含水率を有するパーフルオロカーボン重
合体を含むフィルムを積層した構造を有することが好ま
しい。負極に隣接するフィルムの含水率は、正極に隣接
するフィルムの含水率より５〜５０％、特に１０〜３０
％高くすることが好ましく、各フィルムの含水率は３０
〜１１０％、特に３５〜９５％に制御されていることが
好ましい。
は、負極に近いほど含水率が高いフィルムが配置される
ように、異なる含水率を有するパーフルオロカーボン重
合体を含むフィルムを積層した構造を有することが好ま
しい。負極に隣接するフィルムの含水率は、正極に隣接
するフィルムの含水率より５〜５０％、特に１０〜３０
％高くすることが好ましく、各フィルムの含水率は３０
〜１１０％、特に３５〜９５％に制御されていることが
好ましい。
【０００９】ここで、フィルムの含水率ΔＷ（％）は式
１のように定義される。 ΔＷ＝（Ｗ1／Ｗ2−１）×１００ ・・・式１ Ｗ1：９０℃の純水中に２４時間浸漬した後のフィルム
の質量。 Ｗ2：Ｗ1を測定後、１００℃にて１６時間真空乾燥した
後のフィルムの質量。
１のように定義される。 ΔＷ＝（Ｗ1／Ｗ2−１）×１００ ・・・式１ Ｗ1：９０℃の純水中に２４時間浸漬した後のフィルム
の質量。 Ｗ2：Ｗ1を測定後、１００℃にて１６時間真空乾燥した
後のフィルムの質量。
【００１０】燃料として水素（メタノール等から改質さ
れたものも含む）を使用する固体高分子電解質型燃料電
池においては、負極ではＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-、正極では
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反応が起こり、化学
エネルギが電気エネルギに変換される。一方、陽イオン
交換膜の抵抗は陽イオン交換膜中のプロトンの移動度に
支配され、陽イオン交換膜が水を多く含んでいるほどプ
ロトンの移動度は高く、膜抵抗は低くなる。
れたものも含む）を使用する固体高分子電解質型燃料電
池においては、負極ではＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-、正極では
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反応が起こり、化学
エネルギが電気エネルギに変換される。一方、陽イオン
交換膜の抵抗は陽イオン交換膜中のプロトンの移動度に
支配され、陽イオン交換膜が水を多く含んでいるほどプ
ロトンの移動度は高く、膜抵抗は低くなる。
【００１１】正極では上記の反応に従って水を発生する
ため、陽イオン交換膜の正極と隣接する面の近辺（正極
側）は高含水状態に維持されプロトンの移動度が高い。
一方、陽イオン交換膜の負極と隣接する面の近辺（負極
側）では相対的に含水状態が低くなり、膜中のプロトン
の移動は負極側が律速になると推定される。
ため、陽イオン交換膜の正極と隣接する面の近辺（正極
側）は高含水状態に維持されプロトンの移動度が高い。
一方、陽イオン交換膜の負極と隣接する面の近辺（負極
側）では相対的に含水状態が低くなり、膜中のプロトン
の移動は負極側が律速になると推定される。
【００１２】これに対し、陽イオン交換膜を含水率の異
なるフィルム２層以上から構成し、負極に近いほど含水
率が高いフィルムを配置して水を含みやすい構造にする
ことにより、膜の負極側におけるプロトンの移動度の低
下を防止できる。その結果、燃料電池を作動させたとき
の陽イオン交換膜の抵抗は低くなり、燃料電池の高出力
化が達成できると考えられる。
なるフィルム２層以上から構成し、負極に近いほど含水
率が高いフィルムを配置して水を含みやすい構造にする
ことにより、膜の負極側におけるプロトンの移動度の低
下を防止できる。その結果、燃料電池を作動させたとき
の陽イオン交換膜の抵抗は低くなり、燃料電池の高出力
化が達成できると考えられる。
【００１３】本発明において、陽イオン交換膜を構成す
るフィルムは、積層して得られる陽イオン交換膜の厚さ
が１５〜３００μｍ、特に２０〜２５０μｍとなるよう
に厚さを調節することが好ましい。厚さが１５μｍ未満
であると、膜強度が低く、膜と電極を接合する等の操作
において膜を取扱いにくい。一方、３００μｍより厚い
と、膜抵抗が上昇し、電池の出力が低下するため好まし
くない。各フィルムの厚さは５〜１５０μｍ、特に１０
〜１００μｍとすることが好ましい。
るフィルムは、積層して得られる陽イオン交換膜の厚さ
が１５〜３００μｍ、特に２０〜２５０μｍとなるよう
に厚さを調節することが好ましい。厚さが１５μｍ未満
であると、膜強度が低く、膜と電極を接合する等の操作
において膜を取扱いにくい。一方、３００μｍより厚い
と、膜抵抗が上昇し、電池の出力が低下するため好まし
くない。各フィルムの厚さは５〜１５０μｍ、特に１０
〜１００μｍとすることが好ましい。
【００１４】本発明では、陽イオン交換膜を構成する２
層以上のフィルムのうち、１層以上は膜状多孔体により
補強されている。このため、薄いフィルムを使用でき、
得られる陽イオン交換膜も薄くても強度を高くできる。
燃料電池を作動させると、上述の正極及び負極における
反応によって膜中で水の濃度勾配が生じるが、陽イオン
交換膜が薄いと、当該濃度勾配による正極側から負極側
への水の拡散が促進されるので、さらに膜の負極側の含
水状態を高められ好ましい。
層以上のフィルムのうち、１層以上は膜状多孔体により
補強されている。このため、薄いフィルムを使用でき、
得られる陽イオン交換膜も薄くても強度を高くできる。
燃料電池を作動させると、上述の正極及び負極における
反応によって膜中で水の濃度勾配が生じるが、陽イオン
交換膜が薄いと、当該濃度勾配による正極側から負極側
への水の拡散が促進されるので、さらに膜の負極側の含
水状態を高められ好ましい。
【００１５】膜状多孔体により補強されるフィルムは限
定されない。陽イオン交換膜の強度の点からは該膜を構
成する全てのフィルムがパーフルオロカーボン重合体と
膜状多孔体との複合体であることが好ましい。特に含水
率が高いフィルムは強度が弱いので、パーフルオロカー
ボン重合体が多孔体と複合化されてなることが好まし
い。
定されない。陽イオン交換膜の強度の点からは該膜を構
成する全てのフィルムがパーフルオロカーボン重合体と
膜状多孔体との複合体であることが好ましい。特に含水
率が高いフィルムは強度が弱いので、パーフルオロカー
ボン重合体が多孔体と複合化されてなることが好まし
い。
【００１６】ここで使用される膜状多孔体は特に限定さ
れないが、電子伝導性を有せず、陽イオン交換膜中で化
学的に安定であることを要する。このような材料とし
て、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥとい
う。）、フルオロエチレン／プロピレン共重合体、エチ
レン／テトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビ
ニリデン（以下、ＰＶＤＦという）等のフッ素樹脂が耐
久性があり好ましい。
れないが、電子伝導性を有せず、陽イオン交換膜中で化
学的に安定であることを要する。このような材料とし
て、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥとい
う。）、フルオロエチレン／プロピレン共重合体、エチ
レン／テトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビ
ニリデン（以下、ＰＶＤＦという）等のフッ素樹脂が耐
久性があり好ましい。
【００１７】また、膜状多孔体は、空隙率が７０〜９５
％、特に７５〜９０％であることが好ましい。空隙率が
低いとフィルムの抵抗が高くなる。また、空隙率が高す
ぎると充分な補強効果が得られない。また、膜状多孔体
は特に限定されず多孔フィルム、織布、不織布等いずれ
も使用できるが、空隙が膜状多孔体の片面からもう一方
の面までつながっていることが好ましい。膜状多孔体の
空隙は、空隙内部に接しうる最大の球の直径が１ｎｍ〜
２ｍｍ、特に５ｎｍ〜５００μｍである大きさの空隙を
主体としてなることが好ましい。
％、特に７５〜９０％であることが好ましい。空隙率が
低いとフィルムの抵抗が高くなる。また、空隙率が高す
ぎると充分な補強効果が得られない。また、膜状多孔体
は特に限定されず多孔フィルム、織布、不織布等いずれ
も使用できるが、空隙が膜状多孔体の片面からもう一方
の面までつながっていることが好ましい。膜状多孔体の
空隙は、空隙内部に接しうる最大の球の直径が１ｎｍ〜
２ｍｍ、特に５ｎｍ〜５００μｍである大きさの空隙を
主体としてなることが好ましい。
【００１８】上記のような空隙を有する膜状多孔体は、
多孔フィルムの場合は例えば微孔形成材抽出法、延伸
法、相転換法等により得られる。微孔形成材抽出法は各
種材料に適用でき、延伸法はポリエチレン、ポリプロピ
レン、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ等の材料からなるものに好適
である。
多孔フィルムの場合は例えば微孔形成材抽出法、延伸
法、相転換法等により得られる。微孔形成材抽出法は各
種材料に適用でき、延伸法はポリエチレン、ポリプロピ
レン、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ等の材料からなるものに好適
である。
【００１９】膜状多孔体とスルホン酸基を有する（以
下、スルホン酸型という。）パーフルオロカーボン重合
体との複合体は、例えば以下のようにして得られる。ス
ルホン酸基又はその前駆体基（−ＳＯ2Ｆ基、−ＳＯ2Ｃ
ｌ基等の加水分解等によりスルホン酸基に変換される
基）を有するパーフルオロカーボン重合体を溶媒に溶解
させ、得られた溶液を膜状多孔体に含浸させ、乾燥す
る。充分な膜厚のパーフルオロカーボン重合体フィルム
が得られない場合は、上記の含浸、乾燥の操作を繰り返
す。
下、スルホン酸型という。）パーフルオロカーボン重合
体との複合体は、例えば以下のようにして得られる。ス
ルホン酸基又はその前駆体基（−ＳＯ2Ｆ基、−ＳＯ2Ｃ
ｌ基等の加水分解等によりスルホン酸基に変換される
基）を有するパーフルオロカーボン重合体を溶媒に溶解
させ、得られた溶液を膜状多孔体に含浸させ、乾燥す
る。充分な膜厚のパーフルオロカーボン重合体フィルム
が得られない場合は、上記の含浸、乾燥の操作を繰り返
す。
【００２０】ここで、スルホン酸基の前駆体基を有する
パーフルオロカーボン重合体を使用した場合は、前駆体
基をスルホン酸基に変換した後に燃料電池用電解質とし
て使用する。なお、本発明におけるパーフルオロカーボ
ン重合体は、炭素原子とフッ素原子のほかにエーテル結
合性の酸素原子等を含む重合体も含むものとする。
パーフルオロカーボン重合体を使用した場合は、前駆体
基をスルホン酸基に変換した後に燃料電池用電解質とし
て使用する。なお、本発明におけるパーフルオロカーボ
ン重合体は、炭素原子とフッ素原子のほかにエーテル結
合性の酸素原子等を含む重合体も含むものとする。
【００２１】本発明に用いられるスルホン酸型パーフル
オロカーボン重合体としては、特にテトラフルオロエチ
レンに基づく重合単位とＣＦ2＝ＣＦ−（ＯＣＦ2ＣＦ
Ｘ）m−Ｏq−（ＣＦ2）n−ＳＯ3Ｈ（式中、Ｘはフッ素
原子又はトリフルオロメチル基であり、ｍは０〜３の整
数であり、ｎは０〜１２の整数であり、ｑは０又は１で
あり、ｎ＝０のときはｑ＝０である。）で表されるフル
オロビニル化合物に基づく重合単位とからなる共重合体
が好ましい。上記フルオロビニル化合物としては、以下
の式２〜５で表される化合物が好ましい。ただし、ｒ、
ｓは１〜８の整数であり、ｔは０〜８の整数であり、ｕ
は２又は３である。
オロカーボン重合体としては、特にテトラフルオロエチ
レンに基づく重合単位とＣＦ2＝ＣＦ−（ＯＣＦ2ＣＦ
Ｘ）m−Ｏq−（ＣＦ2）n−ＳＯ3Ｈ（式中、Ｘはフッ素
原子又はトリフルオロメチル基であり、ｍは０〜３の整
数であり、ｎは０〜１２の整数であり、ｑは０又は１で
あり、ｎ＝０のときはｑ＝０である。）で表されるフル
オロビニル化合物に基づく重合単位とからなる共重合体
が好ましい。上記フルオロビニル化合物としては、以下
の式２〜５で表される化合物が好ましい。ただし、ｒ、
ｓは１〜８の整数であり、ｔは０〜８の整数であり、ｕ
は２又は３である。
【００２２】
【化１】
【００２３】なお、スルホン酸型パーフルオロカーボン
重合体を構成するためのコモノマーとして、テトラフル
オロエチレンのかわりにヘキサフルオロプロピレン等の
パーフルオロオレフィン、パーフルオロ（アルキルビニ
ルエーテル）等を用いることもできる。
重合体を構成するためのコモノマーとして、テトラフル
オロエチレンのかわりにヘキサフルオロプロピレン等の
パーフルオロオレフィン、パーフルオロ（アルキルビニ
ルエーテル）等を用いることもできる。
【００２４】本発明における、異なる含水率を有するフ
ィルムの積層体からなる陽イオン交換膜は、通常の既知
の手法に従ってその表面にガス拡散電極を密着させ、次
いで集電体を取り付け、燃料電池として組み立てられ
る。
ィルムの積層体からなる陽イオン交換膜は、通常の既知
の手法に従ってその表面にガス拡散電極を密着させ、次
いで集電体を取り付け、燃料電池として組み立てられ
る。
【００２５】ガス拡散電極は、通常、白金等の触媒微粒
子を担持させた導電性のカーボンブラック粉末をＰＴＦ
Ｅ等の疎水性樹脂結着材で保持させた多孔質体のシート
よりなるが、該多孔質体がスルホン酸型パーフルオロカ
ーボン重合体の粒子や該重合体で表面を被覆された微粒
子を含んでいてもよい。
子を担持させた導電性のカーボンブラック粉末をＰＴＦ
Ｅ等の疎水性樹脂結着材で保持させた多孔質体のシート
よりなるが、該多孔質体がスルホン酸型パーフルオロカ
ーボン重合体の粒子や該重合体で表面を被覆された微粒
子を含んでいてもよい。
【００２６】ガス拡散電極と陽イオン交換膜とは密着し
て配置されていることが好ましく、加熱プレス法等によ
り接合されていることが好ましい（以下、電極と膜が接
合されたものを膜電極接合体という）。膜電極接合体は
一対の集電体の間に配置されることが好ましい。該集電
体は、燃料ガス又は酸化剤ガスを膜電極接合体に供給す
る機能を有していることが好ましく、これらのガスの通
路となる溝が形成された板状の導電体、特に導電性カー
ボン板等からなることが好ましい。
て配置されていることが好ましく、加熱プレス法等によ
り接合されていることが好ましい（以下、電極と膜が接
合されたものを膜電極接合体という）。膜電極接合体は
一対の集電体の間に配置されることが好ましい。該集電
体は、燃料ガス又は酸化剤ガスを膜電極接合体に供給す
る機能を有していることが好ましく、これらのガスの通
路となる溝が形成された板状の導電体、特に導電性カー
ボン板等からなることが好ましい。
【００２７】
【実施例】［例１（実施例）］ＣＦ2＝ＣＦ2とＣＦ2＝
ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）2ＳＯ2Ｆとの共
重合体からなるイオン交換容量が１．０ミリ当量／ｇ乾
燥樹脂の共重合体（共重合体Ａ）、及び１．１ミリ当量
／ｇ乾燥樹脂の共重合体（共重合体Ｂ）の２種類を用い
てパーフルオロカーボン重合体を含むフィルムを作製し
た。まず、共重合体Ａを２２０℃で押出し製膜し、厚さ
２０μｍのフィルム１を得た。
ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）2ＳＯ2Ｆとの共
重合体からなるイオン交換容量が１．０ミリ当量／ｇ乾
燥樹脂の共重合体（共重合体Ａ）、及び１．１ミリ当量
／ｇ乾燥樹脂の共重合体（共重合体Ｂ）の２種類を用い
てパーフルオロカーボン重合体を含むフィルムを作製し
た。まず、共重合体Ａを２２０℃で押出し製膜し、厚さ
２０μｍのフィルム１を得た。
【００２８】次に、全質量の３０％のジメチルスルホキ
シドと全質量の５％の水酸化カリウムとを含む水溶液
（水溶液Ｃ）中で共重合体Ｂを加水分解し、水洗した
後、１モル／Ｌの塩酸に浸漬して酸型化し、さらに水洗
した。これをオートクレーブ中でエタノールに溶解し、
溶質濃度が全質量の３％である共重合体Ｂの溶液を得
た。多孔体として、空隙率８０％、厚さ２０μｍのＰＴ
ＦＥ製の多孔フィルムを使用し、これに上記共重合体Ｂ
の溶液を含浸させて８０℃で乾燥する工程を２回繰り返
すことにより、厚さ２０μｍのフィルム２を得た。
シドと全質量の５％の水酸化カリウムとを含む水溶液
（水溶液Ｃ）中で共重合体Ｂを加水分解し、水洗した
後、１モル／Ｌの塩酸に浸漬して酸型化し、さらに水洗
した。これをオートクレーブ中でエタノールに溶解し、
溶質濃度が全質量の３％である共重合体Ｂの溶液を得
た。多孔体として、空隙率８０％、厚さ２０μｍのＰＴ
ＦＥ製の多孔フィルムを使用し、これに上記共重合体Ｂ
の溶液を含浸させて８０℃で乾燥する工程を２回繰り返
すことにより、厚さ２０μｍのフィルム２を得た。
【００２９】フィルム１とフィルム２とを１７０℃にて
ロールを用いて積層、接合し、水溶液Ｃ中で加水分解
し、水洗した後、１モル／Ｌの塩酸に浸漬して酸型化し
た膜を得た。次いで膜を水洗し、膜の四辺を専用治具で
拘束した後、６０℃で１時間乾燥し陽イオン交換膜を作
製した。
ロールを用いて積層、接合し、水溶液Ｃ中で加水分解
し、水洗した後、１モル／Ｌの塩酸に浸漬して酸型化し
た膜を得た。次いで膜を水洗し、膜の四辺を専用治具で
拘束した後、６０℃で１時間乾燥し陽イオン交換膜を作
製した。
【００３０】なお、陽イオン交換膜を構成するフィルム
１を酸型化したフィルムとフィルム２の含水率を以下の
ように測定した。フィルム１を水溶液Ｃ中で加水分解
し、水洗した後、１モル／Ｌの塩酸に浸漬させて酸型化
し、さらに水洗し、これをフィルム１’とした。フィル
ム１’及びフィルム２を用いてそれぞれの含水率を式１
のとおり測定し算出したところ、含水率はそれぞれ５０
％及び７０％であった。
１を酸型化したフィルムとフィルム２の含水率を以下の
ように測定した。フィルム１を水溶液Ｃ中で加水分解
し、水洗した後、１モル／Ｌの塩酸に浸漬させて酸型化
し、さらに水洗し、これをフィルム１’とした。フィル
ム１’及びフィルム２を用いてそれぞれの含水率を式１
のとおり測定し算出したところ、含水率はそれぞれ５０
％及び７０％であった。
【００３１】白金触媒微粒子を担持させたカーボンブラ
ック粉末にＰＴＦＥを混合し、ロールプレスを用いて厚
さ２５０μｍのシート状のガス拡散電極を作製した。こ
のガス拡散電極２枚の間に上記陽イオン交換膜を挿入
し、平板熱プレス機を用いて積層することにより膜電極
接合体を作製した。膜電極接合体の白金触媒量は膜面積
１ｃｍ2あたり１ｍｇであった。
ック粉末にＰＴＦＥを混合し、ロールプレスを用いて厚
さ２５０μｍのシート状のガス拡散電極を作製した。こ
のガス拡散電極２枚の間に上記陽イオン交換膜を挿入
し、平板熱プレス機を用いて積層することにより膜電極
接合体を作製した。膜電極接合体の白金触媒量は膜面積
１ｃｍ2あたり１ｍｇであった。
【００３２】次に、膜電極接合体をチタン製の集電体、
ＰＴＦＥ製のガス供給室、ヒーターの順番で両側からは
さみ、有効膜面積９ｃｍ2の燃料電池を組み立てた。こ
のとき負極側にフィルム２が、正極側にフィルム１が隣
接するように燃料電池を組み立てた。
ＰＴＦＥ製のガス供給室、ヒーターの順番で両側からは
さみ、有効膜面積９ｃｍ2の燃料電池を組み立てた。こ
のとき負極側にフィルム２が、正極側にフィルム１が隣
接するように燃料電池を組み立てた。
【００３３】セルの温度を８０℃に保ち、正極に酸素、
負極に水素をそれぞれ０．５ＭＰａで供給したときの端
子電圧を測定したところ、電流密度１Ａ／ｃｍ2におい
て端子電圧は０．６２Ｖであった。さらに２０００時間
連続発電を行ったところ、電流密度１Ａ／ｃｍ2におけ
る端子電圧は２ｍＶ低下していた。
負極に水素をそれぞれ０．５ＭＰａで供給したときの端
子電圧を測定したところ、電流密度１Ａ／ｃｍ2におい
て端子電圧は０．６２Ｖであった。さらに２０００時間
連続発電を行ったところ、電流密度１Ａ／ｃｍ2におけ
る端子電圧は２ｍＶ低下していた。
【００３４】［例２（実施例）］共重合体Ａを、例１に
おける共重合体Ｂ同様に加水分解、酸型化水洗した後、
オートクレーブ中でエタノールに溶解させ、共重合体Ａ
の溶液を得た。この溶液を用いて、フィルム２の作製と
同様にしてＰＴＦＥ多孔フィルムと複合化させ、厚さ２
０μｍのフィルム３を得た。フィルム３の含水率は４７
％であった。
おける共重合体Ｂ同様に加水分解、酸型化水洗した後、
オートクレーブ中でエタノールに溶解させ、共重合体Ａ
の溶液を得た。この溶液を用いて、フィルム２の作製と
同様にしてＰＴＦＥ多孔フィルムと複合化させ、厚さ２
０μｍのフィルム３を得た。フィルム３の含水率は４７
％であった。
【００３５】フィルム１のかわりに上記フィルム３を用
いた以外は例１と同様にして陽イオン交換膜を作製し、
その後、加水分解、水洗、酸型化処理、水洗、乾燥の操
作を行った。例１と同様にして燃料電池を組立て、例１
と同様に評価した。電流密度１Ａ／ｃｍ2における端子
電圧は０．６０Ｖであり、２０００時間後の端子電圧は
２ｍＶ低下していた。
いた以外は例１と同様にして陽イオン交換膜を作製し、
その後、加水分解、水洗、酸型化処理、水洗、乾燥の操
作を行った。例１と同様にして燃料電池を組立て、例１
と同様に評価した。電流密度１Ａ／ｃｍ2における端子
電圧は０．６０Ｖであり、２０００時間後の端子電圧は
２ｍＶ低下していた。
【００３６】［例３（比較例）］共重合体Ｂを２２０℃
で押出し製膜し、厚さ２０μｍのフィルム４を得た。フ
ィルム４の含水率は７２％であった。フィルム２のかわ
りにフィルム４を用いた以外は例１と同様にして陽イオ
ン交換膜を作製し、例１と同様にして燃料電池を組立
て、例１と同様に評価した。電流密度１Ａ／ｃｍ2にお
ける端子電圧は０．６２Ｖであり、２０００時間後の端
子電圧は２０ｍＶ低下していた。
で押出し製膜し、厚さ２０μｍのフィルム４を得た。フ
ィルム４の含水率は７２％であった。フィルム２のかわ
りにフィルム４を用いた以外は例１と同様にして陽イオ
ン交換膜を作製し、例１と同様にして燃料電池を組立
て、例１と同様に評価した。電流密度１Ａ／ｃｍ2にお
ける端子電圧は０．６２Ｖであり、２０００時間後の端
子電圧は２０ｍＶ低下していた。
【００３７】［例４（比較例）］共重合体Ａを２２０℃
で押出し製膜し、厚さ４０μｍのフィルム５を得た。フ
ィルム５の含水率は５０％であった。このフィルム５自
体を加水分解、酸型化、水洗し、陽イオン交換膜とし
た。この陽イオン交換膜を用いて例１と同様にして燃料
電池を組立て、例１と同様に評価した。電流密度１Ａ／
ｃｍ2における端子電圧は０．５９Ｖであり、２０００
時間後の端子電圧は１０ｍＶ低下していた。
で押出し製膜し、厚さ４０μｍのフィルム５を得た。フ
ィルム５の含水率は５０％であった。このフィルム５自
体を加水分解、酸型化、水洗し、陽イオン交換膜とし
た。この陽イオン交換膜を用いて例１と同様にして燃料
電池を組立て、例１と同様に評価した。電流密度１Ａ／
ｃｍ2における端子電圧は０．５９Ｖであり、２０００
時間後の端子電圧は１０ｍＶ低下していた。
【００３８】このように、実施例の燃料電池は比較例の
燃料電池に比べ初期出力が大きくかつ長期間使用したと
きの出力の低下が小さく、長期にわたって高い特性を維
持できる。
燃料電池に比べ初期出力が大きくかつ長期間使用したと
きの出力の低下が小さく、長期にわたって高い特性を維
持できる。
【００３９】
【発明の効果】本発明によれば、燃料電池の作動時に従
来膜にない低い電気抵抗を有する陽イオン交換膜を固体
高分子電解質とすることにより、高性能の固体高分子電
解質型燃料電池が得られる。
来膜にない低い電気抵抗を有する陽イオン交換膜を固体
高分子電解質とすることにより、高性能の固体高分子電
解質型燃料電池が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本村 了 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 Ｆターム(参考） 4J100 AC26P AE38Q BA02Q BA56Q BB18Q CA04 JA43 5H026 AA06 CX05 EE19 HH00 HH04 HH05
Claims (6)
- 【請求項１】スルホン酸基を有するパーフルオロカーボ
ン重合体からなる陽イオン交換膜を固体高分子電解質と
して正極と負極の間に配置した固体高分子電解質型燃料
電池において、前記陽イオン交換膜は、異なる含水率を
有するパーフルオロカーボン重合体を含むフィルム２層
以上の積層体からなり、かつ該フィルムの１層以上はパ
ーフルオロカーボン重合体と膜状多孔体との複合体から
なることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】前記陽イオン交換膜は、前記フィルム２層
以上が、負極に近いほど含水率が高くなるように積層さ
れて配置されている請求項１に記載の固体高分子電解質
型燃料電池。 - 【請求項３】負極に隣接するパーフルオロカーボン重合
体フィルムの含水率が、正極に隣接するパーフルオロカ
ーボン重合体フィルムの含水率よりも５〜５０％高い請
求項１又は２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項４】前記多孔体は、含フッ素樹脂からなる請求
項１、２又は３に記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項５】前記多孔体は、空隙率が７０〜９５％であ
る請求項１、２、３又は４に記載の固体高分子電解質型
燃料電池。 - 【請求項６】前記パーフルオロカーボン重合体は、ＣＦ
2＝ＣＦ2に基づく重合単位とＣＦ2＝ＣＦ−（ＯＣＦ2Ｃ
ＦＸ）m−Ｏq−（ＣＦ2）n−ＳＯ3Ｈに基づく重合単位
（式中、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であ
り、ｍは０〜３の整数であり、ｎは０〜１２の整数であ
り、ｑは０又は１であり、ｎ＝０のときはｑ＝０であ
る。）とからなる共重合体である請求項１、２、３、４
又は５に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000051027A JP2001243964A (ja) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000051027A JP2001243964A (ja) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001243964A true JP2001243964A (ja) | 2001-09-07 |
Family
ID=18572736
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2000051027A Withdrawn JP2001243964A (ja) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001243964A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2004030132A1 (ja) * | 2002-09-30 | 2006-01-26 | 旭硝子株式会社 | 電解質膜、その製造方法及び固体高分子型燃料電池 |
| JP2006059756A (ja) * | 2004-08-23 | 2006-03-02 | Toyota Motor Corp | 固体高分子電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池、並びに、これらの製造方法 |
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-
2000
- 2000-02-28 JP JP2000051027A patent/JP2001243964A/ja not_active Withdrawn
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