JP2002298869A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】イオン導伝率の湿度依存性が低い高分子電解質
膜を備える廉価な固体高分子型燃料電池を提供する。 【解決手段】一対の電極に挟持された高分子電解質膜を
備え、該高分子電解質膜は、未処理の状態で保持できる
最大の水分量が材料全体に対して８０〜３００重量％の
範囲にある芳香族系イオン導伝性材料に熱水処理を施し
てなる。前記熱水処理は、高分子電解質膜または高分子
電解質膜を備える固体高分子型燃料電池を８０〜９５℃
の熱湯に０．５〜５時間浸漬することにより行い、高分
子電解質膜は、式１で示される芳香族化合物単位３０〜
９５モル％と、式２で示される芳香族化合物単位７０〜
５モル％とからなる共重合体の側鎖にスルホン酸基を有
するスルホン化ポリアリーレン重合体からなる。
膜を備える廉価な固体高分子型燃料電池を提供する。 【解決手段】一対の電極に挟持された高分子電解質膜を
備え、該高分子電解質膜は、未処理の状態で保持できる
最大の水分量が材料全体に対して８０〜３００重量％の
範囲にある芳香族系イオン導伝性材料に熱水処理を施し
てなる。前記熱水処理は、高分子電解質膜または高分子
電解質膜を備える固体高分子型燃料電池を８０〜９５℃
の熱湯に０．５〜５時間浸漬することにより行い、高分
子電解質膜は、式１で示される芳香族化合物単位３０〜
９５モル％と、式２で示される芳香族化合物単位７０〜
５モル％とからなる共重合体の側鎖にスルホン酸基を有
するスルホン化ポリアリーレン重合体からなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質膜を
備える固体高分子型燃料電池に関するものである。
備える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】石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の
消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化しており、
二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源
として燃料電池が注目され、広範に開発されていると共
に、一部では実用化され始めている。前記燃料電池を自
動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やす
いことから、高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料
電池が好適に用いられる。
消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化しており、
二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源
として燃料電池が注目され、広範に開発されていると共
に、一部では実用化され始めている。前記燃料電池を自
動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やす
いことから、高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料
電池が好適に用いられる。
【０００３】前記固体高分子型燃料電池は、燃料極と酸
素極との一対の電極の間にイオン導伝可能な高分子電解
質膜を挟持させた構成となっており、燃料極と酸素極と
はそれぞれ拡散層と触媒層を備え、前記触媒層で前記高
分子電解質膜に接している。また、前記触媒層は、Ｐｔ
等の触媒が触媒担体に担持されている触媒粒子を備え、
該触媒粒子がイオン導伝性高分子バインダーにより一体
化されることにより形成されている。
素極との一対の電極の間にイオン導伝可能な高分子電解
質膜を挟持させた構成となっており、燃料極と酸素極と
はそれぞれ拡散層と触媒層を備え、前記触媒層で前記高
分子電解質膜に接している。また、前記触媒層は、Ｐｔ
等の触媒が触媒担体に担持されている触媒粒子を備え、
該触媒粒子がイオン導伝性高分子バインダーにより一体
化されることにより形成されている。
【０００４】前記固体高分子型燃料電池では、前記燃料
極に水素、メタノール等の還元性ガスを導入すると、前
記還元性ガスが前記拡散層を介して前記触媒層に達し、
前記触媒の作用によりプロトンを生成する。前記プロト
ンは、前記触媒層から前記高分子電解質膜を介して、前
記酸素極側の触媒層に移動する。
極に水素、メタノール等の還元性ガスを導入すると、前
記還元性ガスが前記拡散層を介して前記触媒層に達し、
前記触媒の作用によりプロトンを生成する。前記プロト
ンは、前記触媒層から前記高分子電解質膜を介して、前
記酸素極側の触媒層に移動する。
【０００５】一方、前記燃料極に前記還元性ガスを導入
すると共に、前記酸素極に空気、酸素等の酸化性ガスを
導入すると、前記プロトンが前記酸素極側の触媒層で、
前記触媒の作用により前記酸化性ガスと反応して水を生
成する。そこで、前記燃料極と酸素極とを導線により接
続することにより電流を取り出すことができる。
すると共に、前記酸素極に空気、酸素等の酸化性ガスを
導入すると、前記プロトンが前記酸素極側の触媒層で、
前記触媒の作用により前記酸化性ガスと反応して水を生
成する。そこで、前記燃料極と酸素極とを導線により接
続することにより電流を取り出すことができる。
【０００６】従来、前記固体高分子型燃料電池では、前
記高分子電解質膜、前記触媒層のイオン導伝性高分子バ
インダーとしてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分
子化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（商品
名））が広く利用されている。前記パーフルオロアルキ
レンスルホン酸高分子化合物は、スルホン化されている
ことにより優れたプロトン導伝性を備えると共に、フッ
素樹脂としての耐薬品性とを併せ備えているが、非常に
高価であるとの問題がある。
記高分子電解質膜、前記触媒層のイオン導伝性高分子バ
インダーとしてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分
子化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（商品
名））が広く利用されている。前記パーフルオロアルキ
レンスルホン酸高分子化合物は、スルホン化されている
ことにより優れたプロトン導伝性を備えると共に、フッ
素樹脂としての耐薬品性とを併せ備えているが、非常に
高価であるとの問題がある。
【０００７】そこで、廉価な高分子電解質膜として、近
年、分子構造にフッ素を含まないか、あるいはフッ素含
有量を低減した芳香族系イオン導伝性材料が提案されて
いる。前記芳香族系イオン導伝性材料として、例えば、
米国特許第５４０３６７５号明細書には、フェニレン連
鎖を備える芳香族化合物を重合して得られるポリマーを
スルホン化剤と反応させることにより、該ポリマーにス
ルホン酸基を導入したスルホン化された剛直ポリフェニ
レンが提案されている。また、前記芳香族系イオン導伝
性材料として、ポリエーテルエーテルケトン系ポリマー
をスルホン化剤と反応させることにより、該ポリマーに
スルホン酸基を導入したスルホン化ポリエーテルエーテ
ルケトン重合体も知られている。
年、分子構造にフッ素を含まないか、あるいはフッ素含
有量を低減した芳香族系イオン導伝性材料が提案されて
いる。前記芳香族系イオン導伝性材料として、例えば、
米国特許第５４０３６７５号明細書には、フェニレン連
鎖を備える芳香族化合物を重合して得られるポリマーを
スルホン化剤と反応させることにより、該ポリマーにス
ルホン酸基を導入したスルホン化された剛直ポリフェニ
レンが提案されている。また、前記芳香族系イオン導伝
性材料として、ポリエーテルエーテルケトン系ポリマー
をスルホン化剤と反応させることにより、該ポリマーに
スルホン酸基を導入したスルホン化ポリエーテルエーテ
ルケトン重合体も知られている。
【０００８】しかしながら、前記芳香族系イオン導伝性
材料は、ある程度水分を含んだ状態でなければイオン導
伝性が得られず、しかもイオン導伝率に関して、相対湿
度５０％のときのイオン導伝率が相対湿度９０％のとき
のイオン導伝率に比較して非常に小さいというように、
湿度依存性が高い。このため、前記スルホン化ポリアリ
ーレン重合体からなる高分子電解質膜を備える固体高分
子型燃料電池では、相対湿度が低いときには所望の発電
性能が得られないことがあるとの不都合がある。
材料は、ある程度水分を含んだ状態でなければイオン導
伝性が得られず、しかもイオン導伝率に関して、相対湿
度５０％のときのイオン導伝率が相対湿度９０％のとき
のイオン導伝率に比較して非常に小さいというように、
湿度依存性が高い。このため、前記スルホン化ポリアリ
ーレン重合体からなる高分子電解質膜を備える固体高分
子型燃料電池では、相対湿度が低いときには所望の発電
性能が得られないことがあるとの不都合がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる不都
合を解消して、イオン導伝率の湿度依存性が低い高分子
電解質膜を備える廉価な固体高分子型燃料電池を提供す
ることを目的とする。
合を解消して、イオン導伝率の湿度依存性が低い高分子
電解質膜を備える廉価な固体高分子型燃料電池を提供す
ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明の固体高分子型燃料電池は、一対の電極
と、両電極に挟持された高分子電解質膜とを備える固体
高分子型燃料電池において、前記高分子電解質膜が未処
理の状態で保持できる最大の水分量が材料全体に対して
８０〜３００重量％の範囲にある芳香族系イオン導伝性
材料に熱水処理を施したものであることを特徴とする。
めに、本発明の固体高分子型燃料電池は、一対の電極
と、両電極に挟持された高分子電解質膜とを備える固体
高分子型燃料電池において、前記高分子電解質膜が未処
理の状態で保持できる最大の水分量が材料全体に対して
８０〜３００重量％の範囲にある芳香族系イオン導伝性
材料に熱水処理を施したものであることを特徴とする。
【００１１】尚、本明細書では、前記「未処理の状態で
保持できる最大の水分量」を「初期含水量」と略記する
ことがある。
保持できる最大の水分量」を「初期含水量」と略記する
ことがある。
【００１２】前記芳香族系イオン導伝性材料は、前記初
期含水量が材料全体に対して８０重量％未満ではイオン
導伝性が得られず、３００重量％を超えると熱による膨
張・収縮率が大きくなり所望の耐久性が得られない。
尚、前記初期含水量は、前記のように前記芳香族系イオ
ン導伝性材料が未処理の状態で保持できる最大の水分量
であり、該芳香族系イオン導伝性材料が実際に含有する
水分を意味するものではない。
期含水量が材料全体に対して８０重量％未満ではイオン
導伝性が得られず、３００重量％を超えると熱による膨
張・収縮率が大きくなり所望の耐久性が得られない。
尚、前記初期含水量は、前記のように前記芳香族系イオ
ン導伝性材料が未処理の状態で保持できる最大の水分量
であり、該芳香族系イオン導伝性材料が実際に含有する
水分を意味するものではない。
【００１３】前記芳香族系イオン導伝性材料は、所定の
水分を含有することによりイオン導伝性を示すが、該イ
オン導伝性は湿度依存性が大きく、湿度が低いときには
イオン導伝率が小さく、湿度が高くなると湿度が低いと
きに比較して、イオン導伝率が非常に大きくなる。
水分を含有することによりイオン導伝性を示すが、該イ
オン導伝性は湿度依存性が大きく、湿度が低いときには
イオン導伝率が小さく、湿度が高くなると湿度が低いと
きに比較して、イオン導伝率が非常に大きくなる。
【００１４】そこで、次に、前記芳香族系イオン導伝性
材料に熱水処理を施す。前記熱水処理は、例えば、前記
芳香族系イオン導伝性材料自体を８０〜９５℃の範囲の
温度の熱湯に０．５〜５時間浸漬することにより行って
もよく、または該芳香族系イオン導伝性材料からなる高
分子電解質膜を備える電極構造体を８０〜９５℃の範囲
の温度の熱湯に０．５〜５時間浸漬することにより行っ
てもよい。
材料に熱水処理を施す。前記熱水処理は、例えば、前記
芳香族系イオン導伝性材料自体を８０〜９５℃の範囲の
温度の熱湯に０．５〜５時間浸漬することにより行って
もよく、または該芳香族系イオン導伝性材料からなる高
分子電解質膜を備える電極構造体を８０〜９５℃の範囲
の温度の熱湯に０．５〜５時間浸漬することにより行っ
てもよい。
【００１５】前記芳香族系イオン導伝性材料は、前記熱
水処理を施すことにより、イオン導伝率に関する湿度依
存性を小さくすることができる。これは、前記熱水処理
により、前記芳香族系イオン導伝性材料の低湿度条件下
における水分を保持する能力が増大し、これにより前記
低湿度条件下におけるイオン導伝率が高くなるためと考
えられる。
水処理を施すことにより、イオン導伝率に関する湿度依
存性を小さくすることができる。これは、前記熱水処理
により、前記芳香族系イオン導伝性材料の低湿度条件下
における水分を保持する能力が増大し、これにより前記
低湿度条件下におけるイオン導伝率が高くなるためと考
えられる。
【００１６】前記熱水処理は、前記熱湯の温度が８０℃
未満で、浸漬時間が０．５時間未満では、前記芳香族系
イオン導伝性材料のイオン導伝率に関する湿度依存性を
小さくする効果が得られない。また、前記熱湯の温度が
９５℃を超え、浸漬時間が５時間を超えると、前記芳香
族系イオン導伝性材料からなる前記高分子電解質膜の機
械的強度が低下する。
未満で、浸漬時間が０．５時間未満では、前記芳香族系
イオン導伝性材料のイオン導伝率に関する湿度依存性を
小さくする効果が得られない。また、前記熱湯の温度が
９５℃を超え、浸漬時間が５時間を超えると、前記芳香
族系イオン導伝性材料からなる前記高分子電解質膜の機
械的強度が低下する。
【００１７】また、前記熱水処理は、前記芳香族系イオ
ン導伝性材料からなる高分子電解質膜を備える固体高分
子型燃料電池を、８０〜９５℃、相対湿度９０％の高温
高湿環境下で０．５〜５時間作動させてエージングする
ことにより行うようにしてもよい。
ン導伝性材料からなる高分子電解質膜を備える固体高分
子型燃料電池を、８０〜９５℃、相対湿度９０％の高温
高湿環境下で０．５〜５時間作動させてエージングする
ことにより行うようにしてもよい。
【００１８】前記初期含水量が材料全体に対して８０〜
３００重量％の範囲にある芳香族系イオン導伝性材料と
しては、例えば、式（１）で示される芳香族化合物単位
３０〜９５モル％と、式（２）で示される芳香族化合物
単位７０〜５モル％とからなる共重合体の側鎖にスルホ
ン酸基を有するスルホン化ポリアリーレン重合体を用い
ることができる。
３００重量％の範囲にある芳香族系イオン導伝性材料と
しては、例えば、式（１）で示される芳香族化合物単位
３０〜９５モル％と、式（２）で示される芳香族化合物
単位７０〜５モル％とからなる共重合体の側鎖にスルホ
ン酸基を有するスルホン化ポリアリーレン重合体を用い
ることができる。
【００１９】
【化３】
【００２０】
【化４】
【００２１】前記スルホン化ポリアリーレン重合体は、
分子構造にフッ素を全く含まないか、あるいは前記電子
吸引性基としてフッ素を含むだけであるので安価であ
り、固体高分子型燃料電池のコストを低減することがで
きる。
分子構造にフッ素を全く含まないか、あるいは前記電子
吸引性基としてフッ素を含むだけであるので安価であ
り、固体高分子型燃料電池のコストを低減することがで
きる。
【００２２】ここで、前記スルホン酸基は、電子吸引性
基に隣接する芳香環には導入されず、電子吸引性基に隣
接していない芳香環にのみ導入される。従って、前記ス
ルホン化ポリアリーレン重合体では、式（１）で示され
る芳香族化合物単位のＡｒで示される芳香環にのみ、前
記スルホン酸基が導入されることとなるり、式（１）で
示される芳香族化合物単位と式（２）で示される芳香族
化合物単位とのモル比を変えることにより、導入される
スルホン酸基の量、換言すればイオン交換容量を調整す
ることができる。
基に隣接する芳香環には導入されず、電子吸引性基に隣
接していない芳香環にのみ導入される。従って、前記ス
ルホン化ポリアリーレン重合体では、式（１）で示され
る芳香族化合物単位のＡｒで示される芳香環にのみ、前
記スルホン酸基が導入されることとなるり、式（１）で
示される芳香族化合物単位と式（２）で示される芳香族
化合物単位とのモル比を変えることにより、導入される
スルホン酸基の量、換言すればイオン交換容量を調整す
ることができる。
【００２３】そこで、前記スルホン化ポリアリーレン重
合体は、式（１）で示される芳香族化合物単位が３０モ
ル％未満で、式（２）で示される芳香族化合物単位が７
０モル％を超えると、前記高分子電解質膜として必要と
されるイオン交換容量が得られない。また、式（１）で
示される芳香族化合物単位が９５モル％を超え、式
（２）で示される芳香族化合物単位が５モル％未満にな
ると、導入されるスルホン酸基の量が増加して分子構造
が弱くなる。
合体は、式（１）で示される芳香族化合物単位が３０モ
ル％未満で、式（２）で示される芳香族化合物単位が７
０モル％を超えると、前記高分子電解質膜として必要と
されるイオン交換容量が得られない。また、式（１）で
示される芳香族化合物単位が９５モル％を超え、式
（２）で示される芳香族化合物単位が５モル％未満にな
ると、導入されるスルホン酸基の量が増加して分子構造
が弱くなる。
【００２４】尚、前記初期含水量が材料全体に対して８
０〜３００重量％の範囲にある芳香族系イオン導伝性材
料として、前記スルホン化ポリアリーレン重合体に代え
て、ポリエーテルエーテルケトン重合体を用いてもよ
い。
０〜３００重量％の範囲にある芳香族系イオン導伝性材
料として、前記スルホン化ポリアリーレン重合体に代え
て、ポリエーテルエーテルケトン重合体を用いてもよ
い。
【００２５】
【発明の実施の形態】次に、添付の図面を参照しながら
本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図
１は本実施形態の固体高分子型燃料電池の構成を示す説
明的断面図である。
本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図
１は本実施形態の固体高分子型燃料電池の構成を示す説
明的断面図である。
【００２６】本実施形態の固体高分子型燃料電池は、図
１示のように、高分子電解質膜１が酸素極２と燃料極３
との間に挟持されており、酸素極２と燃料極３とは、い
ずれも拡散層４と、拡散層４上に形成された触媒層５と
を備えている。
１示のように、高分子電解質膜１が酸素極２と燃料極３
との間に挟持されており、酸素極２と燃料極３とは、い
ずれも拡散層４と、拡散層４上に形成された触媒層５と
を備えている。
【００２７】各拡散層４は外面側に密着するセパレータ
６を備えている。また、セパレータ６は、酸素極２では
空気等の酸素含有気体が流通される酸素通路２ａを、燃
料極３では水素等の燃料ガスが流通される燃料通路３ａ
を、拡散層４側に備えている。
６を備えている。また、セパレータ６は、酸素極２では
空気等の酸素含有気体が流通される酸素通路２ａを、燃
料極３では水素等の燃料ガスが流通される燃料通路３ａ
を、拡散層４側に備えている。
【００２８】本実施形態では、前記固体高分子型燃料電
池の高分子電解質膜１として、スルホン化ポリアリーレ
ン重合体またはスルホン化ポリエーテルエーテルケトン
等の芳香族系イオン導伝性材料を用いる。前記芳香族系
イオン導伝性材料は、材料全体に対して８０〜３００重
量％の初期含水量を備えている。
池の高分子電解質膜１として、スルホン化ポリアリーレ
ン重合体またはスルホン化ポリエーテルエーテルケトン
等の芳香族系イオン導伝性材料を用いる。前記芳香族系
イオン導伝性材料は、材料全体に対して８０〜３００重
量％の初期含水量を備えている。
【００２９】前記スルホン化ポリアリーレン重合体とし
ては、式（１）で示される芳香族化合物単位３０〜９５
モル％と、式（２）で示される芳香族化合物単位７０〜
５モル％とからなるポリアリーレン重合体を濃硫酸と反
応させることによりスルホン化し、側鎖にスルホン酸基
を導入したものを用いることができる。
ては、式（１）で示される芳香族化合物単位３０〜９５
モル％と、式（２）で示される芳香族化合物単位７０〜
５モル％とからなるポリアリーレン重合体を濃硫酸と反
応させることによりスルホン化し、側鎖にスルホン酸基
を導入したものを用いることができる。
【００３０】
【化５】
【００３１】
【化６】
【００３２】前記式（１）に対応するモノマーとして、
例えば、２，５−ジクロロ−４’−フェノキシベンゾフ
ェノン等を挙げることができる。また、前記式（２）に
対応するモノマーとして、例えば、４，４’−ジクロロ
ベンゾフェノン、４，４’−ビス（４−クロロベンゾイ
ル）ジフェニルエーテル等を挙げることができる。
例えば、２，５−ジクロロ−４’−フェノキシベンゾフ
ェノン等を挙げることができる。また、前記式（２）に
対応するモノマーとして、例えば、４，４’−ジクロロ
ベンゾフェノン、４，４’−ビス（４−クロロベンゾイ
ル）ジフェニルエーテル等を挙げることができる。
【００３３】前記芳香族系イオン導伝性材料は、Ｎ−メ
チルピロリドン等の溶媒に溶解し、キャスト法により所
望の乾燥膜厚に製膜することにより、高分子電解質膜１
とされる。
チルピロリドン等の溶媒に溶解し、キャスト法により所
望の乾燥膜厚に製膜することにより、高分子電解質膜１
とされる。
【００３４】前記固体高分子型燃料電池において、酸素
極２、燃料極３の拡散層４はカーボンペーパーと下地層
とからなり、例えばカーボンブラックとポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）とを所定の重量比で混合し、
エチレングリコール等の有機溶媒に均一に分散したスラ
リーを、該カーボンペーパーの片面に塗布、乾燥させて
該下地層とすることにより形成される。
極２、燃料極３の拡散層４はカーボンペーパーと下地層
とからなり、例えばカーボンブラックとポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）とを所定の重量比で混合し、
エチレングリコール等の有機溶媒に均一に分散したスラ
リーを、該カーボンペーパーの片面に塗布、乾燥させて
該下地層とすることにより形成される。
【００３５】また、触媒層５は、カーボンブラック（フ
ァーネスブラック）に白金を所定の重量比で担持させた
触媒粒子を、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子
化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（商品名））
からなるイオン導伝性バインダーをイソプロパノール、
ｎ−プロパノール等の溶媒に溶解してなる溶液と所定の
重量比で均一に混合した触媒ペーストを、所定の白金量
となるように下地層７上にスクリーン印刷し、乾燥する
ことにより形成される。前記乾燥は、例えば、６０℃で
１０分間行ったのち、１２０℃で減圧乾燥することによ
り行う。
ァーネスブラック）に白金を所定の重量比で担持させた
触媒粒子を、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子
化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（商品名））
からなるイオン導伝性バインダーをイソプロパノール、
ｎ−プロパノール等の溶媒に溶解してなる溶液と所定の
重量比で均一に混合した触媒ペーストを、所定の白金量
となるように下地層７上にスクリーン印刷し、乾燥する
ことにより形成される。前記乾燥は、例えば、６０℃で
１０分間行ったのち、１２０℃で減圧乾燥することによ
り行う。
【００３６】そして、高分子電解質膜１を、酸素極２、
燃料極３の触媒層５に挟持された状態でホットプレスす
ることにより、前記固体高分子型燃料電池が形成され
る。前記ホットプレスは、例えば、８０℃、５ＭＰａで
２分間の１次プレスの後、１６０℃、４ＭＰａで１分間
の２次プレスを施すことにより行うことができる。
燃料極３の触媒層５に挟持された状態でホットプレスす
ることにより、前記固体高分子型燃料電池が形成され
る。前記ホットプレスは、例えば、８０℃、５ＭＰａで
２分間の１次プレスの後、１６０℃、４ＭＰａで１分間
の２次プレスを施すことにより行うことができる。
【００３７】本実施形態の固体高分子型燃料電池では、
前記高分子電解質膜１は、８０〜９５℃の範囲の温度の
熱湯に０．５〜５時間浸漬することにより熱水処理され
ている。前記熱水処理は、前記高分子電解質膜１を単独
で前記熱湯に浸漬するようにしてもよく、前記電極構造
体（ＭＥＡ）を形成した段階で前記熱湯に浸漬するよう
にしてもよい。また、前記熱水処理は、前記固体高分子
型燃料電池を、８０〜９５℃、相対湿度９０％の高温高
湿条件下で０．５〜５時間作動させてエージングするこ
とにより行ってもよい。
前記高分子電解質膜１は、８０〜９５℃の範囲の温度の
熱湯に０．５〜５時間浸漬することにより熱水処理され
ている。前記熱水処理は、前記高分子電解質膜１を単独
で前記熱湯に浸漬するようにしてもよく、前記電極構造
体（ＭＥＡ）を形成した段階で前記熱湯に浸漬するよう
にしてもよい。また、前記熱水処理は、前記固体高分子
型燃料電池を、８０〜９５℃、相対湿度９０％の高温高
湿条件下で０．５〜５時間作動させてエージングするこ
とにより行ってもよい。
【００３８】次に、実施例を示す。
【００３９】
【実施例１】本実施例では、まず、式（３）で示される
スルホン化ポリアリーレン重合体からなりイオン交換容
量２．３ｍｅｑ／ｇの芳香族系イオン導伝性材料をＮ−
メチルピロリドンに溶解し、キャスト法により乾燥膜厚
５０μｍの高分子電解質膜１を調製した。
スルホン化ポリアリーレン重合体からなりイオン交換容
量２．３ｍｅｑ／ｇの芳香族系イオン導伝性材料をＮ−
メチルピロリドンに溶解し、キャスト法により乾燥膜厚
５０μｍの高分子電解質膜１を調製した。
【００４０】
【化７】
【００４１】次に、カーボンブラックとポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）とをカーボンブラック：ＰＴ
ＦＥ＝４：６の重量比で混合し、エチレングリコールに
均一に分散したスラリーを調製し、該スラリーをカーボ
ンペーパー６の片面に塗布、乾燥することにより下地層
７とし、カーボンペーパー６と下地層７とからなる拡散
層４を形成した。
オロエチレン（ＰＴＦＥ）とをカーボンブラック：ＰＴ
ＦＥ＝４：６の重量比で混合し、エチレングリコールに
均一に分散したスラリーを調製し、該スラリーをカーボ
ンペーパー６の片面に塗布、乾燥することにより下地層
７とし、カーボンペーパー６と下地層７とからなる拡散
層４を形成した。
【００４２】次に、ファーネスブラックに白金をファー
ネス：白金＝１：１の重量比で担持させた触媒粒子を、
パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（デュ
ポン社製ナフィオン（商品名））からなるイオン導伝性
バインダーのイソプロパノール・ｎ−プロパノール溶液
に、触媒粒子：バインダー＝８：５の重量比で均一に混
合して触媒ペーストを調製した。次に、前記触媒ペース
トを０．５ｍｇ／ｃｍ 2の白金量となるように下地層７
上にスクリーン印刷し、乾燥することにより、触媒層４
を形成した。前記乾燥は、６０℃で１０分間行ったの
ち、１２０℃で減圧乾燥することにより行った。
ネス：白金＝１：１の重量比で担持させた触媒粒子を、
パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（デュ
ポン社製ナフィオン（商品名））からなるイオン導伝性
バインダーのイソプロパノール・ｎ−プロパノール溶液
に、触媒粒子：バインダー＝８：５の重量比で均一に混
合して触媒ペーストを調製した。次に、前記触媒ペース
トを０．５ｍｇ／ｃｍ 2の白金量となるように下地層７
上にスクリーン印刷し、乾燥することにより、触媒層４
を形成した。前記乾燥は、６０℃で１０分間行ったの
ち、１２０℃で減圧乾燥することにより行った。
【００４３】次に、高分子電解質膜１を、酸素極２、燃
料極３の触媒層５に挟持された状態で、８０℃、５ＭＰ
ａで２分間の１次プレスを施した後、さらに１６０℃、
４ＭＰａで１分間の２次プレスを施すことにより、図１
示の固体高分子型燃料電池を形成した。
料極３の触媒層５に挟持された状態で、８０℃、５ＭＰ
ａで２分間の１次プレスを施した後、さらに１６０℃、
４ＭＰａで１分間の２次プレスを施すことにより、図１
示の固体高分子型燃料電池を形成した。
【００４４】前記スルホン化ポリアリーレン重合体から
なる芳香族系イオン導伝性材料は、材料全体に対して１
１４重量％の初期含水量を備えている。そこで、本実施
例では、前記芳香族系イオン導伝性材料からなる高分子
電解質膜１を９５℃の熱湯に１時間浸漬して熱水処理を
行った後、前記固体高分子型燃料電池に使用した。
なる芳香族系イオン導伝性材料は、材料全体に対して１
１４重量％の初期含水量を備えている。そこで、本実施
例では、前記芳香族系イオン導伝性材料からなる高分子
電解質膜１を９５℃の熱湯に１時間浸漬して熱水処理を
行った後、前記固体高分子型燃料電池に使用した。
【００４５】次に、高分子電解質膜１の前記熱水処理前
のイオン導伝率と、熱水処理後のイオン導伝率とを測定
した。
のイオン導伝率と、熱水処理後のイオン導伝率とを測定
した。
【００４６】前記イオン導伝率は、８５℃における高分
子電解質膜１の抵抗値を、印加電圧１Ｖ、周波数１０ｋ
Ｈｚの条件下、交流２端子法で測定し、該抵抗値をイオ
ン導伝率に換算した。前記測定は、前記熱水処理前の高
分子電解質膜１と、前記熱水処理前の高分子電解質膜１
とについて、それぞれ相対湿度５０％の場合と相対湿度
９０％の場合とを測定した。
子電解質膜１の抵抗値を、印加電圧１Ｖ、周波数１０ｋ
Ｈｚの条件下、交流２端子法で測定し、該抵抗値をイオ
ン導伝率に換算した。前記測定は、前記熱水処理前の高
分子電解質膜１と、前記熱水処理前の高分子電解質膜１
とについて、それぞれ相対湿度５０％の場合と相対湿度
９０％の場合とを測定した。
【００４７】結果は、相対湿度５０％の場合のイオン導
伝度をＡ、相対湿度９０％の場合のイオン導伝度をＢと
したときの、Ｂ／Ａの値で表した。また、前記熱水処理
前の高分子電解質膜１のＢ／Ａの値をＣ、前記熱水処理
後の高分子電解質膜１のＢ／Ａの値をＤとしたときのＤ
／Ｃの値を求め、湿度依存性低減の指標とした。
伝度をＡ、相対湿度９０％の場合のイオン導伝度をＢと
したときの、Ｂ／Ａの値で表した。また、前記熱水処理
前の高分子電解質膜１のＢ／Ａの値をＣ、前記熱水処理
後の高分子電解質膜１のＢ／Ａの値をＤとしたときのＤ
／Ｃの値を求め、湿度依存性低減の指標とした。
【００４８】本実施例の高分子電解質膜１の初期含水
率、前記熱水処理前及び処理後のＢ／Ａの値、Ｄ／Ｃの
値を表１に示す。
率、前記熱水処理前及び処理後のＢ／Ａの値、Ｄ／Ｃの
値を表１に示す。
【００４９】
【実施例２】本実施例では、式（４）で示されるスルホ
ン化ポリアリーレン重合体からなりイオン交換容量１．
７ｍｅｑ／ｇの芳香族系イオン導伝性材料を用いて高分
子電解質膜１を調製した以外は、実施例１と全く同一に
して固体高分子型燃料電池を形成した。
ン化ポリアリーレン重合体からなりイオン交換容量１．
７ｍｅｑ／ｇの芳香族系イオン導伝性材料を用いて高分
子電解質膜１を調製した以外は、実施例１と全く同一に
して固体高分子型燃料電池を形成した。
【００５０】
【化８】
【００５１】前記スルホン化ポリアリーレン重合体から
なる芳香族系イオン導伝性材料は、材料全体に対して９
４重量％の初期含水量を備えている。次に、前記芳香族
系イオン導伝性材料からなる高分子電解質膜１の前記熱
水処理前のイオン導伝率と、熱水処理後のイオン導伝率
とを測定した。
なる芳香族系イオン導伝性材料は、材料全体に対して９
４重量％の初期含水量を備えている。次に、前記芳香族
系イオン導伝性材料からなる高分子電解質膜１の前記熱
水処理前のイオン導伝率と、熱水処理後のイオン導伝率
とを測定した。
【００５２】本実施例の高分子電解質膜１の初期含水
率、前記熱水処理前及び処理後のＢ／Ａの値、Ｄ／Ｃの
値を表１に示す。
率、前記熱水処理前及び処理後のＢ／Ａの値、Ｄ／Ｃの
値を表１に示す。
【００５３】
【実施例３】本実施例では、前記式（３）で示されるス
ルホン化ポリアリーレン重合体からなりイオン交換容量
２．５ｍｅｑ／ｇの芳香族系イオン導伝性材料を用いて
高分子電解質膜１を調製した以外は、実施例１と全く同
一にして固体高分子型燃料電池を形成した。
ルホン化ポリアリーレン重合体からなりイオン交換容量
２．５ｍｅｑ／ｇの芳香族系イオン導伝性材料を用いて
高分子電解質膜１を調製した以外は、実施例１と全く同
一にして固体高分子型燃料電池を形成した。
【００５４】前記スルホン化ポリアリーレン重合体から
なる芳香族系イオン導伝性材料は、材料全体に対して２
７６重量％の初期含水量を備えている。次に、前記芳香
族系イオン導伝性材料からなる高分子電解質膜１の前記
熱水処理前のイオン導伝率と、熱水処理後のイオン導伝
率とを測定した。
なる芳香族系イオン導伝性材料は、材料全体に対して２
７６重量％の初期含水量を備えている。次に、前記芳香
族系イオン導伝性材料からなる高分子電解質膜１の前記
熱水処理前のイオン導伝率と、熱水処理後のイオン導伝
率とを測定した。
【００５５】本実施例の高分子電解質膜１の初期含水
率、前記熱水処理前及び処理後のＢ／Ａの値、Ｄ／Ｃの
値を表１に示す。
率、前記熱水処理前及び処理後のＢ／Ａの値、Ｄ／Ｃの
値を表１に示す。
【００５６】
【実施例４】本実施例では、式（５）で示されるスルホ
ン化ポリエーテルエーテルケトン重合体からなりイオン
交換容量１．５ｍｅｑ／ｇの芳香族系イオン導伝性材料
を用いて高分子電解質膜１を調製した以外は、実施例１
と全く同一にして固体高分子型燃料電池を形成した。
ン化ポリエーテルエーテルケトン重合体からなりイオン
交換容量１．５ｍｅｑ／ｇの芳香族系イオン導伝性材料
を用いて高分子電解質膜１を調製した以外は、実施例１
と全く同一にして固体高分子型燃料電池を形成した。
【００５７】
【化９】
【００５８】前記スルホン化ポリエーテルエーテルケト
ン重合体からなる芳香族系イオン導伝性材料は、材料全
体に対して３００重量％の初期含水量を備えている。次
に、前記芳香族系イオン導伝性材料からなる高分子電解
質膜１の前記熱水処理前のイオン導伝率と、熱水処理後
のイオン導伝率とを測定した。
ン重合体からなる芳香族系イオン導伝性材料は、材料全
体に対して３００重量％の初期含水量を備えている。次
に、前記芳香族系イオン導伝性材料からなる高分子電解
質膜１の前記熱水処理前のイオン導伝率と、熱水処理後
のイオン導伝率とを測定した。
【００５９】本実施例の高分子電解質膜１の初期含水
率、前記熱水処理前及び処理後のＢ／Ａの値、Ｄ／Ｃの
値を表１に示す。
率、前記熱水処理前及び処理後のＢ／Ａの値、Ｄ／Ｃの
値を表１に示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】表１から、初期含水量９４〜３００重量％
の前記芳香族系イオン導伝性材料からなる各高分子電解
質膜１は、いずれも前記熱水処理前には、相対湿度５０
％のイオン導伝率Ａに対する相対湿度９０％のイオン導
伝率Ｂの比（Ｂ／Ａ）の値が大きく、イオン導伝率につ
いて湿度依存性が高いことが明らかである。しかし、前
記各高分子電解質膜１は、前記熱水処理後にはいずれも
Ｂ／Ａの値が小さくなっており、前記熱水処理によりイ
オン導伝率について湿度依存性が低減されていることが
明らかである。
の前記芳香族系イオン導伝性材料からなる各高分子電解
質膜１は、いずれも前記熱水処理前には、相対湿度５０
％のイオン導伝率Ａに対する相対湿度９０％のイオン導
伝率Ｂの比（Ｂ／Ａ）の値が大きく、イオン導伝率につ
いて湿度依存性が高いことが明らかである。しかし、前
記各高分子電解質膜１は、前記熱水処理後にはいずれも
Ｂ／Ａの値が小さくなっており、前記熱水処理によりイ
オン導伝率について湿度依存性が低減されていることが
明らかである。
【００６２】前記湿度依存性の低減は、表１のＤ／Ｃ値
から明らかなように、各高分子電解質膜１について０．
２６〜０．４５倍の範囲にあり、この範囲で有効と考え
られる。
から明らかなように、各高分子電解質膜１について０．
２６〜０．４５倍の範囲にあり、この範囲で有効と考え
られる。
【００６３】本実施形態の固体高分子型燃料電池によれ
ば、前述のように各高分子電解質膜１のイオン導伝率に
関する湿度依存性が低くなった結果として、湿度条件に
関わらず所望の発電性能を得ることができるとの効果を
奏することが期待される。
ば、前述のように各高分子電解質膜１のイオン導伝率に
関する湿度依存性が低くなった結果として、湿度条件に
関わらず所望の発電性能を得ることができるとの効果を
奏することが期待される。
【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池の構成を示
す説明的断面図。
す説明的断面図。
１…高分子電解質膜、 ２，３…電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 齋藤 信広 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 相馬 浩 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 七海 昌昭 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 4J032 CB03 CB11 CF01 CG01 CG08 5H026 AA06 BB01 BB03 CC03 CX05 CX07 EE18 HH05 HH08 HH10
Claims (3)
- 【請求項１】一対の電極と、両電極に挟持された高分子
電解質膜とを備える固体高分子型燃料電池において、 前記高分子電解質膜は、未処理の状態で保持できる最大
の水分量が材料全体に対して８０〜３００重量％の範囲
にある芳香族系イオン導伝性材料に熱水処理を施したも
のであることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 【請求項２】前記熱水処理は、前記高分子電解質膜また
は該高分子電解質膜を備える電極構造体を８０〜９５℃
の温度の範囲の熱湯に０．５〜５時間浸漬することによ
り行うことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃
料電池。 - 【請求項３】前記芳香族系イオン導伝性材料は、式
（１）で示される芳香族化合物単位３０〜９５モル％
と、式（２）で示される芳香族化合物単位７０〜５モル
％とからなる共重合体の側鎖にスルホン酸基を有するス
ルホン化ポリアリーレン重合体からなることを特徴とす
る請求項１または請求項２記載の固体高分子型燃料電
池。 【化１】 【化２】
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001097802A JP4672165B2 (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 固体高分子型燃料電池 |
| DE10201691A DE10201691A1 (de) | 2001-01-19 | 2002-01-17 | Polymerelektrolytmembran, Verfahren zu deren Herstellung und Membranelektrodenanordnung und Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die diese umfasst |
| US10/050,134 US6926984B2 (en) | 2001-01-19 | 2002-01-18 | Polymer electrolyte membrane, method for producing same, and membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell comprising same |
| CA2368787A CA2368787C (en) | 2001-01-19 | 2002-01-21 | Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell |
| US11/110,695 US7749630B2 (en) | 2001-01-19 | 2005-04-21 | Polymer electrolyte membrane and polymer electrolyte fuel cell comprising same |
| US11/110,696 US20050260475A1 (en) | 2001-01-19 | 2005-04-21 | Polymer electrolyte membrane, method for producing same, and membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell comprising same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001097802A JP4672165B2 (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 固体高分子型燃料電池 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002298869A true JP2002298869A (ja) | 2002-10-11 |
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ID=18951538
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2001097802A Expired - Fee Related JP4672165B2 (ja) | 2001-01-19 | 2001-03-30 | 固体高分子型燃料電池 |
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|---|---|
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Cited By (8)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005063944A (ja) * | 2003-07-31 | 2005-03-10 | Toyobo Co Ltd | 電解質膜・電極構造体 |
| JP2005158265A (ja) * | 2002-11-18 | 2005-06-16 | Honda Motor Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用電極構造体及びそれを用いる固体高分子型燃料電池 |
| JP2008153175A (ja) * | 2006-12-20 | 2008-07-03 | Kuraray Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体の製造方法 |
| US7396607B2 (en) | 2003-02-20 | 2008-07-08 | Jsr Corporation | Manufacturing process for membrane-electrode assemblies |
| KR100884959B1 (ko) * | 2006-03-20 | 2009-02-23 | 주식회사 엘지화학 | 탄화수소계 고분자 전해질막 연료전지용 막-전극 접합체의제조방법 |
| US7544433B2 (en) | 2002-11-18 | 2009-06-09 | Honda Motor Co., Ltd. | Electrode structure for polymer electrolyte fuel cells, and polymer electrolyte fuel cell using the same |
| JP2009193907A (ja) * | 2008-02-18 | 2009-08-27 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用膜・電極接合体の製造方法及び当該製造方法によって得られる燃料電池用膜・電極接合体 |
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| JPH1021943A (ja) * | 1996-06-28 | 1998-01-23 | Sumitomo Chem Co Ltd | 燃料電池用高分子電解質及び燃料電池 |
| JP2003535940A (ja) * | 2000-06-02 | 2003-12-02 | エスアールアイ インターナショナル | 高分子組成物 |
-
2001
- 2001-03-30 JP JP2001097802A patent/JP4672165B2/ja not_active Expired - Fee Related
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