JP2002367628A - 固体高分子型燃料電池用電極構造体 - Google Patents
固体高分子型燃料電池用電極構造体Info
- Publication number
- JP2002367628A JP2002367628A JP2001176695A JP2001176695A JP2002367628A JP 2002367628 A JP2002367628 A JP 2002367628A JP 2001176695 A JP2001176695 A JP 2001176695A JP 2001176695 A JP2001176695 A JP 2001176695A JP 2002367628 A JP2002367628 A JP 2002367628A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- polymer electrolyte
- repeating unit
- electrode structure
- electrolyte membrane
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Polyoxymethylene Polymers And Polymers With Carbon-To-Carbon Bonds (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】靱性に優れた高分子電解質膜を備え、製造容易
で、優れた発電性能を備える固体高分子型燃料電池用電
極構造体を提供する。 【解決手段】触媒としての白金粒子を担持させた炭素粒
子を含む一対の電極触媒層と、両電極触媒層に挟持され
た高分子電解質膜とを備える。高分子電解質膜は一般式
１で表される第１の繰返し単位と、一般式２で表される
第２の繰返し単位との共重合体のスルホン化物を溶媒に
溶解した溶液から成膜、乾燥してなり、乾燥後に前記溶
媒を３〜１２重量％の範囲で含む。前記共重合体は、前
記第１の繰返し単位１０〜８０モル％と、前記第２の繰
返し単位９０〜２０モル％とからなる。前記共重合体
は、スルホン酸基を０．５〜３．０ミリグラム当量／ｇ
の範囲で含む。 （式中、Ａは電子吸引性基、Ｂは電子供与性基、ｎは０
または１、Ｙは−Ｃ（ＣＦ３）２−又は−ＳＯ２−であ
り、ベンゼン環はその誘導体を含む）
で、優れた発電性能を備える固体高分子型燃料電池用電
極構造体を提供する。 【解決手段】触媒としての白金粒子を担持させた炭素粒
子を含む一対の電極触媒層と、両電極触媒層に挟持され
た高分子電解質膜とを備える。高分子電解質膜は一般式
１で表される第１の繰返し単位と、一般式２で表される
第２の繰返し単位との共重合体のスルホン化物を溶媒に
溶解した溶液から成膜、乾燥してなり、乾燥後に前記溶
媒を３〜１２重量％の範囲で含む。前記共重合体は、前
記第１の繰返し単位１０〜８０モル％と、前記第２の繰
返し単位９０〜２０モル％とからなる。前記共重合体
は、スルホン酸基を０．５〜３．０ミリグラム当量／ｇ
の範囲で含む。 （式中、Ａは電子吸引性基、Ｂは電子供与性基、ｎは０
または１、Ｙは−Ｃ（ＣＦ３）２−又は−ＳＯ２−であ
り、ベンゼン環はその誘導体を含む）
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に用いられる電極構造体に関するものである。
電池に用いられる電極構造体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て広範に開発されると共に、
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て広範に開発されると共に、
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に用いる電極構
造体として、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒
担体に担持され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一対の電極触媒層
を備え、両電極触媒層の間にイオン導伝可能な高分子電
解質膜を挟持すると共に、各電極触媒層の上に、拡散層
を積層したものが知られている。前記電極構造体は、さ
らに各電極触媒層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータ
を積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成す
る。
造体として、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒
担体に担持され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一対の電極触媒層
を備え、両電極触媒層の間にイオン導伝可能な高分子電
解質膜を挟持すると共に、各電極触媒層の上に、拡散層
を積層したものが知られている。前記電極構造体は、さ
らに各電極触媒層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータ
を積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成す
る。
【０００４】前記固体高分子型燃料電池では、一方の電
極触媒層を燃料極として前記拡散層を介して水素、メタ
ノール等の還元性ガスを導入すると共に、他方の電極触
媒層を酸素極として前記拡散層を介して空気、酸素等の
酸化性ガスを導入する。このようにすると、燃料極側で
は、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用により、前記
還元性ガスからプロトンが生成し、前記プロトンは前記
高分子電解質膜を介して、前記酸素極側の電極触媒層に
移動する。そして、前記プロトンは、前記酸素極側の電
極触媒層で、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用によ
り、該酸素極に導入される前記酸化性ガスと反応して水
を生成する。従って、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。
極触媒層を燃料極として前記拡散層を介して水素、メタ
ノール等の還元性ガスを導入すると共に、他方の電極触
媒層を酸素極として前記拡散層を介して空気、酸素等の
酸化性ガスを導入する。このようにすると、燃料極側で
は、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用により、前記
還元性ガスからプロトンが生成し、前記プロトンは前記
高分子電解質膜を介して、前記酸素極側の電極触媒層に
移動する。そして、前記プロトンは、前記酸素極側の電
極触媒層で、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用によ
り、該酸素極に導入される前記酸化性ガスと反応して水
を生成する。従って、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。
【０００５】従来、前記電極構造体では、前記高分子電
解質膜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。
解質膜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。
【０００６】そこで、パーフルオロアルキレンスルホン
酸高分子化合物に代わる廉価なイオン導伝性材料を用い
て、固体高分子型燃料電池用電極構造体を構成すること
が検討されている。
酸高分子化合物に代わる廉価なイオン導伝性材料を用い
て、固体高分子型燃料電池用電極構造体を構成すること
が検討されている。
【０００７】前記廉価なイオン導伝性材料として、例え
ば、ポリエーテルケトンやポリベンゾイミダゾールをス
ルホン化したものがある。しかし、前記イオン導伝性材
料はいずれもイオン導電性、機械的強度に劣るという問
題がある。
ば、ポリエーテルケトンやポリベンゾイミダゾールをス
ルホン化したものがある。しかし、前記イオン導伝性材
料はいずれもイオン導電性、機械的強度に劣るという問
題がある。
【０００８】一方、米国特許第５４０３６７５号明細書
には、前記廉価なイオン導伝性材料として、剛直ポリフ
ェニレンをスルホン化したものが提案されている。前記
明細書記載の剛直ポリフェニレンのスルホン化物は、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
ポリマーを主成分として、該ポリマーをスルホン化した
ものであり、イオン導電性に優れている。
には、前記廉価なイオン導伝性材料として、剛直ポリフ
ェニレンをスルホン化したものが提案されている。前記
明細書記載の剛直ポリフェニレンのスルホン化物は、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
ポリマーを主成分として、該ポリマーをスルホン化した
ものであり、イオン導電性に優れている。
【０００９】しかしながら、前記剛直ポリフェニレンの
スルホン化物は靱性が低く、該剛直ポリフェニレンのス
ルホン化物を高分子電解質膜として電極構造体を構成し
たときに該高分子電解質膜が割れやすくなるという不都
合がある。
スルホン化物は靱性が低く、該剛直ポリフェニレンのス
ルホン化物を高分子電解質膜として電極構造体を構成し
たときに該高分子電解質膜が割れやすくなるという不都
合がある。
【００１０】
【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、靱性に優れた高分子電解質膜を備え製造
容易であると共に、優れた発電性能を備える固体高分子
型燃料電池用電極構造体を提供することを目的とする。
合を解消して、靱性に優れた高分子電解質膜を備え製造
容易であると共に、優れた発電性能を備える固体高分子
型燃料電池用電極構造体を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、本発明者らは種々検討を重ねた結果、特定の分子
構造を備える共重合体のスルホン化物により前記高分子
電解質膜を構成すると共に、該スルホン化物を溶媒に溶
解した溶液から成膜して乾燥する際に、乾燥後に所定の
範囲の溶媒を残存させることにより、優れた靱性を備え
る高分子電解質膜が得られることを見出し、本発明を完
成した。
めに、本発明者らは種々検討を重ねた結果、特定の分子
構造を備える共重合体のスルホン化物により前記高分子
電解質膜を構成すると共に、該スルホン化物を溶媒に溶
解した溶液から成膜して乾燥する際に、乾燥後に所定の
範囲の溶媒を残存させることにより、優れた靱性を備え
る高分子電解質膜が得られることを見出し、本発明を完
成した。
【００１２】そこで、本発明の固体高分子型燃料電池用
電極構造体は、一対の電極触媒層と、両電極触媒層に挟
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
池用電極構造体において、前記高分子電解質膜は一般式
（１）で表される第１の繰返し単位と、一般式（２）で
表される第２の繰返し単位との共重合体のスルホン化物
を溶媒に溶解した溶液から成膜、乾燥してなり、乾燥後
に前記溶媒を３〜１２重量％の範囲で含むことを特徴と
する。
電極構造体は、一対の電極触媒層と、両電極触媒層に挟
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
池用電極構造体において、前記高分子電解質膜は一般式
（１）で表される第１の繰返し単位と、一般式（２）で
表される第２の繰返し単位との共重合体のスルホン化物
を溶媒に溶解した溶液から成膜、乾燥してなり、乾燥後
に前記溶媒を３〜１２重量％の範囲で含むことを特徴と
する。
【００１３】
【化３】
【００１４】前記高分子電解質膜を構成するスルホン化
物は、一般式（１）で表される第１の繰返し単位と、一
般式（２）で表される第２の繰返し単位との共重合体を
スルホン化して得られる。尚、本明細書において、前記
電子吸引性基とは、−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−（ＣＦ
2）p−（ｐは１〜１０の整数）、−Ｃ（ＣＦ3）2−、−
ＣＯＯ−、−ＳＯ−、−ＳＯ2−等のハメット置換基常
数がフェニル基のメタ位では０．０６以上、フェニル基
のパラ位では０．０１以上の値となる２価の基をいう。
また、本明細書において、前記電子供与性基とは、−Ｏ
−、−Ｓ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−等の２価の基
をいう。
物は、一般式（１）で表される第１の繰返し単位と、一
般式（２）で表される第２の繰返し単位との共重合体を
スルホン化して得られる。尚、本明細書において、前記
電子吸引性基とは、−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−（ＣＦ
2）p−（ｐは１〜１０の整数）、−Ｃ（ＣＦ3）2−、−
ＣＯＯ−、−ＳＯ−、−ＳＯ2−等のハメット置換基常
数がフェニル基のメタ位では０．０６以上、フェニル基
のパラ位では０．０１以上の値となる２価の基をいう。
また、本明細書において、前記電子供与性基とは、−Ｏ
−、−Ｓ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−等の２価の基
をいう。
【００１５】ここで、前記スルホン化は、電子吸引性基
が結合していないベンゼン環、換言すれば電子供与性基
のみが結合しているベンゼン環に対して起きる。従っ
て、一般式（１）で表される第１の繰返し単位と、一般
式（２）で表される第２の繰返し単位との共重合体をス
ルホン化すると、第１の繰返し単位の主鎖となるベンゼ
ン環と、第２の繰返し単位の各ベンゼン環とにはスルホ
ン酸基が導入されず、第１の繰返し単位の側鎖のベンゼ
ン環にスルホン酸基が導入されることになる。そこで、
前記共重合体では、第１の繰返し単位と第２の繰返し単
位とのモル比を調整することにより、導入されるスルホ
ン酸基の量を制御して、イオン導伝性と靱性とに優れた
高分子電解質膜を得ることができる。
が結合していないベンゼン環、換言すれば電子供与性基
のみが結合しているベンゼン環に対して起きる。従っ
て、一般式（１）で表される第１の繰返し単位と、一般
式（２）で表される第２の繰返し単位との共重合体をス
ルホン化すると、第１の繰返し単位の主鎖となるベンゼ
ン環と、第２の繰返し単位の各ベンゼン環とにはスルホ
ン酸基が導入されず、第１の繰返し単位の側鎖のベンゼ
ン環にスルホン酸基が導入されることになる。そこで、
前記共重合体では、第１の繰返し単位と第２の繰返し単
位とのモル比を調整することにより、導入されるスルホ
ン酸基の量を制御して、イオン導伝性と靱性とに優れた
高分子電解質膜を得ることができる。
【００１６】前記第１の繰返し単位に用いるモノマーと
して、具体的には、次式（３）で示される２，５−ジク
ロロ−４’−（４−フェノキシフェノキシ）ベンゾフェ
ノン等を挙げることができる。
して、具体的には、次式（３）で示される２，５−ジク
ロロ−４’−（４−フェノキシフェノキシ）ベンゾフェ
ノン等を挙げることができる。
【００１７】
【化４】
【００１８】また、前記第１の繰返し単位に用いるモノ
マーとして、具体的には、次式（４）で示される２，２
−ビス〔４−｛４−（４−クロロベンゾイル）フェノキ
シ｝フェニル〕−１，１，１，３，３，３−ヘキサフル
オロプロパン、次式（５）で示される２，２−ビス〔４
−｛４−（４−クロロベンゾイル）フェノキシ｝フェニ
ル〕スルホン等を挙げることができる。
マーとして、具体的には、次式（４）で示される２，２
−ビス〔４−｛４−（４−クロロベンゾイル）フェノキ
シ｝フェニル〕−１，１，１，３，３，３−ヘキサフル
オロプロパン、次式（５）で示される２，２−ビス〔４
−｛４−（４−クロロベンゾイル）フェノキシ｝フェニ
ル〕スルホン等を挙げることができる。
【００１９】
【化５】
【００２０】前記高分子電解質膜は、前記共重合体のス
ルホン化物を溶媒に溶解した溶液からキャスト法等によ
り成膜し、乾燥することにより作成される。このとき、
前記高分子電解質膜は、乾燥後に前記溶媒を３〜１５重
量％の範囲で含むことにより特に優れた靱性を得ること
ができる。
ルホン化物を溶媒に溶解した溶液からキャスト法等によ
り成膜し、乾燥することにより作成される。このとき、
前記高分子電解質膜は、乾燥後に前記溶媒を３〜１５重
量％の範囲で含むことにより特に優れた靱性を得ること
ができる。
【００２１】前記高分子電解質膜は、乾燥後の前記溶媒
の含有量が３重量％未満であるときには十分な靱性が得
られず、１５重量％を超えると十分な発電性能が得られ
ない。
の含有量が３重量％未満であるときには十分な靱性が得
られず、１５重量％を超えると十分な発電性能が得られ
ない。
【００２２】前記溶媒は、優れた発電性能を備える電極
構造体を得るために、Ｎ−メチルピロリドンが適してい
る。
構造体を得るために、Ｎ−メチルピロリドンが適してい
る。
【００２３】本発明の電極構造体において、前記高分子
電解質膜を構成する共重合体は、導入されるスルホン酸
基の量を制御して、イオン導伝性と靱性とを好ましい範
囲とするために、前記第１の繰返し単位１０〜８０モル
％と、前記第２の繰返し単位９０〜２０モル％とからな
ることが好ましい。前記第１の繰返し単位が１０モル％
未満で、前記第２の繰返し単位が９０モル％を超える
と、前記共重合体に導入されるスルホン酸基の量が少な
く、十分なイオン導伝性が得られないことがある。ま
た、前記第１の繰返し単位が８０モル％を超え、前記第
２の繰返し単位が２０モル％未満であると、前記共重合
体に導入されるスルホン酸基の量が多くなり、十分な靱
性が得られないことがある。
電解質膜を構成する共重合体は、導入されるスルホン酸
基の量を制御して、イオン導伝性と靱性とを好ましい範
囲とするために、前記第１の繰返し単位１０〜８０モル
％と、前記第２の繰返し単位９０〜２０モル％とからな
ることが好ましい。前記第１の繰返し単位が１０モル％
未満で、前記第２の繰返し単位が９０モル％を超える
と、前記共重合体に導入されるスルホン酸基の量が少な
く、十分なイオン導伝性が得られないことがある。ま
た、前記第１の繰返し単位が８０モル％を超え、前記第
２の繰返し単位が２０モル％未満であると、前記共重合
体に導入されるスルホン酸基の量が多くなり、十分な靱
性が得られないことがある。
【００２４】また、本発明の電極構造体において、前記
高分子電解質膜を構成する共重合体は、イオン導伝性と
靱性とを好ましい範囲とするために、スルホン酸基を
０．５〜３．０ミリグラム当量／ｇの範囲で含有するこ
とが好ましい。前記共重合体が含有するスルホン酸基の
量が０．５ミリグラム当量／ｇ未満では十分なイオン導
伝性が得られないことがあり、３．０ミリグラム当量／
ｇを超えると十分な靱性が得られないことがある。
高分子電解質膜を構成する共重合体は、イオン導伝性と
靱性とを好ましい範囲とするために、スルホン酸基を
０．５〜３．０ミリグラム当量／ｇの範囲で含有するこ
とが好ましい。前記共重合体が含有するスルホン酸基の
量が０．５ミリグラム当量／ｇ未満では十分なイオン導
伝性が得られないことがあり、３．０ミリグラム当量／
ｇを超えると十分な靱性が得られないことがある。
【００２５】本発明の電極構造体は、一方の面に酸化性
ガスを供給すると共に、他方の面に還元性ガスを供給す
ることにより発電する固体高分子型燃料電池を構成する
ことができる。
ガスを供給すると共に、他方の面に還元性ガスを供給す
ることにより発電する固体高分子型燃料電池を構成する
ことができる。
【００２６】
【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は本実施形態の電極構造体の構成を示す説明的断面図
であり、図２は本実施形態の電極構造体に用いる高分子
電解質膜の初期イオン導伝率と該高分子電解質膜が含有
する溶媒の量との関係を示すグラフ、図３は本実施形態
の電極構造体に用いる高分子電解質膜のイオン導伝率保
持率と該高分子電解質膜が含有する溶媒の量との関係を
示すグラフ、図４は本実施形態の電極構造体に用いる高
分子電解質膜の靱性と該高分子電解質膜が含有する溶媒
の量との関係を示すグラフである。
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は本実施形態の電極構造体の構成を示す説明的断面図
であり、図２は本実施形態の電極構造体に用いる高分子
電解質膜の初期イオン導伝率と該高分子電解質膜が含有
する溶媒の量との関係を示すグラフ、図３は本実施形態
の電極構造体に用いる高分子電解質膜のイオン導伝率保
持率と該高分子電解質膜が含有する溶媒の量との関係を
示すグラフ、図４は本実施形態の電極構造体に用いる高
分子電解質膜の靱性と該高分子電解質膜が含有する溶媒
の量との関係を示すグラフである。
【００２７】本実施形態の電極構造体は、図１示のよう
に、一対の電極触媒層１，１と、両電極触媒層１，１に
挟持された高分子電解質膜２と、各電極触媒層１，１の
上に積層された拡散層３，３とからなる。
に、一対の電極触媒層１，１と、両電極触媒層１，１に
挟持された高分子電解質膜２と、各電極触媒層１，１の
上に積層された拡散層３，３とからなる。
【００２８】前記電極構造体は、次のようにして製造す
ることができる。
ることができる。
【００２９】まず、次式（３）で示される２，５−ジク
ロロ−４’−（４−フェノキシフェノキシ）ベンゾフェ
ノンと、次式（４）で示される２，２−ビス〔４−｛４
−（４−クロロベンゾイル）フェノキシ｝フェニル〕−
１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパンと
を、５０：５０の重合比で重合させて次式（６）の共重
合体を得る。
ロロ−４’−（４−フェノキシフェノキシ）ベンゾフェ
ノンと、次式（４）で示される２，２−ビス〔４−｛４
−（４−クロロベンゾイル）フェノキシ｝フェニル〕−
１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパンと
を、５０：５０の重合比で重合させて次式（６）の共重
合体を得る。
【００３０】
【化６】
【００３１】前記共重合体は、ポリマー分子量がポリス
チレン換算重量平均分子量で、１万〜１００万の範囲に
あることが好ましい。前記ポリマー分子量が１万未満で
は高分子電解質膜として好適な機械的強度が得られない
ことがあり、１００万を超えると後述のように成膜のた
めに溶媒に溶解する際に溶解性が低くなったり、溶液の
粘度が高くなり、取り扱いが難しくなる。
チレン換算重量平均分子量で、１万〜１００万の範囲に
あることが好ましい。前記ポリマー分子量が１万未満で
は高分子電解質膜として好適な機械的強度が得られない
ことがあり、１００万を超えると後述のように成膜のた
めに溶媒に溶解する際に溶解性が低くなったり、溶液の
粘度が高くなり、取り扱いが難しくなる。
【００３２】次に、前記共重合体に濃硫酸を加えてスル
ホン化し、例えば、イオン交換容量が２．３ｍｅｑ／ｇ
のスルホン化物を得る。次に、前記共重合体のスルホン
化物を、Ｎ−メチルピロリドンに溶解して高分子電解質
溶液とし、該高分子電解質溶液からキャスト法により成
膜し、オーブンにて乾燥することにより、例えば、乾燥
膜厚５０μｍの高分子電解質膜２を作成する。
ホン化し、例えば、イオン交換容量が２．３ｍｅｑ／ｇ
のスルホン化物を得る。次に、前記共重合体のスルホン
化物を、Ｎ−メチルピロリドンに溶解して高分子電解質
溶液とし、該高分子電解質溶液からキャスト法により成
膜し、オーブンにて乾燥することにより、例えば、乾燥
膜厚５０μｍの高分子電解質膜２を作成する。
【００３３】次に、カーボンブラック（ファーネスブラ
ック）に白金粒子を所定の重量比（例えば、カーボンブ
ラック：白金＝１：１）で担持させ、触媒粒子を作成す
る。次に、イオン導伝性バインダー溶液（例えば、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））に、前記触媒粒子を所定の
重量比（例えば、イオン導伝性バインダー：触媒粒子＝
８：５）で均一に分散させ、触媒ペーストを調製する。
ック）に白金粒子を所定の重量比（例えば、カーボンブ
ラック：白金＝１：１）で担持させ、触媒粒子を作成す
る。次に、イオン導伝性バインダー溶液（例えば、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））に、前記触媒粒子を所定の
重量比（例えば、イオン導伝性バインダー：触媒粒子＝
８：５）で均一に分散させ、触媒ペーストを調製する。
【００３４】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）粒子とを所定の重量比（例え
ば、カーボンブラック：ＰＴＦＥ粒子＝４：６）で混合
し、得られた混合物をエチレングリコール等の溶媒に均
一に分散させたスラリーをカーボンペーパーの片面に塗
布、乾燥させて下地層とし、該下地層とカーボンペーパ
ーとからなる拡散層３を２つ作成する。
オロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子とを所定の重量比（例え
ば、カーボンブラック：ＰＴＦＥ粒子＝４：６）で混合
し、得られた混合物をエチレングリコール等の溶媒に均
一に分散させたスラリーをカーボンペーパーの片面に塗
布、乾燥させて下地層とし、該下地層とカーボンペーパ
ーとからなる拡散層３を２つ作成する。
【００３５】次に、各拡散層３上に、前記触媒ペースト
を、白金含有量が所定の量（例えば、０．５ｍｇ／ｃｍ
2）となるようにスクリーン印刷し、乾燥させることに
より電極触媒層１とし、電極触媒層１と拡散層３とから
なる一対の電極を作成する。前記乾燥は、例えば６０℃
で１０分間の乾燥を行い、次いで１２０℃で６０分間の
減圧乾燥を行う。
を、白金含有量が所定の量（例えば、０．５ｍｇ／ｃｍ
2）となるようにスクリーン印刷し、乾燥させることに
より電極触媒層１とし、電極触媒層１と拡散層３とから
なる一対の電極を作成する。前記乾燥は、例えば６０℃
で１０分間の乾燥を行い、次いで１２０℃で６０分間の
減圧乾燥を行う。
【００３６】次に、高分子電解質膜２を前記電極の電極
触媒層１側で挟持し、ホットプレスを行って図１示の電
極構造体を得た。前記ホットプレスは、例えば８０℃、
５ＭＰａで２分間の一次ホットプレスを行い、次いで１
６０℃、４ＭＰａで１分間の二次ホットプレスを行う。
触媒層１側で挟持し、ホットプレスを行って図１示の電
極構造体を得た。前記ホットプレスは、例えば８０℃、
５ＭＰａで２分間の一次ホットプレスを行い、次いで１
６０℃、４ＭＰａで１分間の二次ホットプレスを行う。
【００３７】また、図１示の電極構造体は、拡散層３，
３の上にさらにガス通路を兼ねるセパレータを積層する
ことにより、固体高分子型燃料電池を構成することがで
きる。
３の上にさらにガス通路を兼ねるセパレータを積層する
ことにより、固体高分子型燃料電池を構成することがで
きる。
【００３８】次に、前記高分子電解質膜２の乾燥後の溶
媒の含有量を０〜３０重量％の範囲で変量して、９種の
高分子電解質膜２（乾燥膜厚５０μｍ）を作成し、各高
分子電解質膜２の初期イオン導伝率、イオン導伝率の保
持率、靱性を測定した。
媒の含有量を０〜３０重量％の範囲で変量して、９種の
高分子電解質膜２（乾燥膜厚５０μｍ）を作成し、各高
分子電解質膜２の初期イオン導伝率、イオン導伝率の保
持率、靱性を測定した。
【００３９】前記初期イオン導伝率は、前記高分子電解
質膜２を２枚の白金電極で挟持し、温度８５℃、相対湿
度９０％の条件下、交流２端子法（周波数１０ｋＨｚ）
で測定した。結果を図２に示す。
質膜２を２枚の白金電極で挟持し、温度８５℃、相対湿
度９０％の条件下、交流２端子法（周波数１０ｋＨｚ）
で測定した。結果を図２に示す。
【００４０】また、前記イオン導伝率保持率は、前記初
期イオン導伝率測定後、６０日間放置した前記高分子電
解質膜２について、前記初期イオン導伝率と同一の方法
によりイオン導伝率を測定し、該イオン導伝率の前記初
期イオン導伝率に対する百分率として算出した。結果を
図３に示す。
期イオン導伝率測定後、６０日間放置した前記高分子電
解質膜２について、前記初期イオン導伝率と同一の方法
によりイオン導伝率を測定し、該イオン導伝率の前記初
期イオン導伝率に対する百分率として算出した。結果を
図３に示す。
【００４１】また、前記靱性は、前記高分子電解質膜２
をＪＩＳ７号ダンベルに加工し、チャック間距離２０ｍ
ｍ、クロスヘッドスピード５０ミリ／分、温度２５℃、
相対湿度５０％の条件下、引張り破断伸びとして測定し
た。結果を図４に示す。
をＪＩＳ７号ダンベルに加工し、チャック間距離２０ｍ
ｍ、クロスヘッドスピード５０ミリ／分、温度２５℃、
相対湿度５０％の条件下、引張り破断伸びとして測定し
た。結果を図４に示す。
【００４２】図２及び図３から、前記高分子電解質膜２
は、乾燥後の溶媒の含有量が１５重量％を超えると、初
期イオン導伝率、イオン導伝率保持率が急激に低下する
ことが明らかであり、乾燥後の溶媒の含有量が３％未満
では十分な引張り破断伸びが得られず、靱性が低いこと
が明らかである。
は、乾燥後の溶媒の含有量が１５重量％を超えると、初
期イオン導伝率、イオン導伝率保持率が急激に低下する
ことが明らかであり、乾燥後の溶媒の含有量が３％未満
では十分な引張り破断伸びが得られず、靱性が低いこと
が明らかである。
【００４３】従って、本実施形態の電極構造体は、前記
高分子電解質膜２の乾燥後の溶媒の含有量を３〜１５重
量％の範囲とすることにより、前記イオン導伝率を備え
る高分子電解質膜２のために優れた発電性能が得られる
ことが明らかであり、前記引張り破断伸び（靱性）を備
える高分子電解質膜２のために容易に製造できることが
明らかである。
高分子電解質膜２の乾燥後の溶媒の含有量を３〜１５重
量％の範囲とすることにより、前記イオン導伝率を備え
る高分子電解質膜２のために優れた発電性能が得られる
ことが明らかであり、前記引張り破断伸び（靱性）を備
える高分子電解質膜２のために容易に製造できることが
明らかである。
【００４４】次に、比較のために、前記共重合体のスル
ホン化物を、Ｎ−メチルピロリドンに替えてジメチルア
セトアミドに溶解して高分子電解質溶液とし、該高分子
電解質溶液からキャスト法により成膜した以外は、前記
実施形態と全く同一にして、乾燥膜厚５０μｍ、乾燥後
の溶媒の含有量が５重量％である高分子電解質膜を作成
した。前記高分子電解質膜（比較例）について、前記実
施形態と全く同一の方法により、初期イオン導伝率、イ
オン導伝率保持率、靱性を測定した。結果を、前記実施
形態における乾燥後の溶媒の含有量が５重量％である高
分子電解質膜２（実施例）と共に、表１に示す。
ホン化物を、Ｎ−メチルピロリドンに替えてジメチルア
セトアミドに溶解して高分子電解質溶液とし、該高分子
電解質溶液からキャスト法により成膜した以外は、前記
実施形態と全く同一にして、乾燥膜厚５０μｍ、乾燥後
の溶媒の含有量が５重量％である高分子電解質膜を作成
した。前記高分子電解質膜（比較例）について、前記実
施形態と全く同一の方法により、初期イオン導伝率、イ
オン導伝率保持率、靱性を測定した。結果を、前記実施
形態における乾燥後の溶媒の含有量が５重量％である高
分子電解質膜２（実施例）と共に、表１に示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】表１から明らかなように、前記共重合体の
スルホン化物をＮ−メチルピロリドンに溶解した高分子
電解質溶液から成膜した前記高分子電解質膜（実施例）
は、前記共重合体のスルホン化物をジメチルアセトアミ
ドに溶解した高分子電解質溶液から成膜した前記高分子
電解質膜（比較例）に対して、初期イオン導伝率と、引
張り破断伸び（靱性）とはほぼ同等であるが、イオン導
伝率保持率が格段に優れている。従って、前記実施例の
高分子電解質膜を用いることにより、優れた発電性能を
備える電極構造体を得ることができることが明らかであ
る。
スルホン化物をＮ−メチルピロリドンに溶解した高分子
電解質溶液から成膜した前記高分子電解質膜（実施例）
は、前記共重合体のスルホン化物をジメチルアセトアミ
ドに溶解した高分子電解質溶液から成膜した前記高分子
電解質膜（比較例）に対して、初期イオン導伝率と、引
張り破断伸び（靱性）とはほぼ同等であるが、イオン導
伝率保持率が格段に優れている。従って、前記実施例の
高分子電解質膜を用いることにより、優れた発電性能を
備える電極構造体を得ることができることが明らかであ
る。
【図１】本発明の電極構造体の構成を示す説明的断面
図。
図。
【図２】本発明の電極構造体に用いる高分子電解質膜の
初期イオン導伝率該高分子電解質膜が含有する溶媒の量
との関係を示すグラフ。
初期イオン導伝率該高分子電解質膜が含有する溶媒の量
との関係を示すグラフ。
【図３】本発明の電極構造体に用いる高分子電解質膜の
イオン導伝率保持率と該高分子電解質膜が含有する溶媒
の量との関係を示すグラフ。
イオン導伝率保持率と該高分子電解質膜が含有する溶媒
の量との関係を示すグラフ。
【図４】本発明の電極構造体に用いる高分子電解質膜の
靱性と該高分子電解質膜が含有する溶媒の量との関係を
示すグラフ。
靱性と該高分子電解質膜が含有する溶媒の量との関係を
示すグラフ。
１…電極触媒層、 ２…高分子電解質膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 Ｆターム(参考） 4J032 CA14 CB04 CC01 CF01 CG01 5H026 AA06 BB03 BB04 CX05 EE18 HH05
Claims (5)
- 【請求項１】一対の電極触媒層と、両電極触媒層に挟持
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
用電極構造体において、 前記高分子電解質膜は一般式（１）で表される第１の繰
返し単位と、一般式（２）で表される第２の繰返し単位
との共重合体のスルホン化物を溶媒に溶解した溶液から
成膜、乾燥してなり、乾燥後に前記溶媒を３〜１５重量
％の範囲で含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池
用電極構造体。 【化１】 - 【請求項２】前記溶媒は、Ｎ−メチルピロリドンである
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
用電極構造体。 - 【請求項３】前記共重合体は、前記第１の繰返し単位１
０〜８０モル％と、前記第２の繰返し単位９０〜２０モ
ル％とからなることを特徴とする請求項１記載の固体高
分子型燃料電池用電極構造体。 - 【請求項４】前記共重合体は、スルホン酸基を０．５〜
３．０ミリグラム当量／ｇの範囲で含有することを特徴
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
電池用電極構造体。 - 【請求項５】一対の電極触媒層と、両電極触媒層に挟持
された高分子電解質膜とを備え、前記高分子電解質膜は
一般式（１）で表される第１の繰返し単位と、一般式
（２）で表される第２の繰返し単位との共重合体のスル
ホン化物を溶媒に溶解した溶液から成膜、乾燥してな
り、乾燥後に前記溶媒を３〜１５重量％の範囲で含む電
極構造体を備え、一方の面に酸化性ガスを供給すると共
に、他方の面に還元性ガスを供給することにより発電す
ることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 【化２】
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001176695A JP3563372B2 (ja) | 2001-06-12 | 2001-06-12 | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 |
| US10/480,375 US7494733B2 (en) | 2001-06-11 | 2002-06-10 | Electrode structure for solid polymer fuel cell, its production method, and solid polymer fuel cell |
| CA2450346A CA2450346C (en) | 2001-06-11 | 2002-06-10 | Electrode structure for solid polymer fuel cell, its production method, and solid polymer fuel cell |
| CA2686279A CA2686279C (en) | 2001-06-11 | 2002-06-10 | Production method for an electrode structure for a solid polymer fuel cell |
| DE10296922T DE10296922T5 (de) | 2001-06-11 | 2002-06-10 | Elektrodenstruktur für Polymerelektrolytbrennstoffzellen, Verfahren zum Herstellen derselben und Polymerelektrolytbrennstoffzelle |
| PCT/JP2002/005728 WO2002101860A1 (fr) | 2001-06-11 | 2002-06-10 | Structure d'electrode pour pile a combustible en polymere solide, procede de fabrication et pile a combustible en polymere solide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001176695A JP3563372B2 (ja) | 2001-06-12 | 2001-06-12 | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002367628A true JP2002367628A (ja) | 2002-12-20 |
| JP3563372B2 JP3563372B2 (ja) | 2004-09-08 |
Family
ID=19017644
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001176695A Expired - Fee Related JP3563372B2 (ja) | 2001-06-11 | 2001-06-12 | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3563372B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005268145A (ja) * | 2004-03-22 | 2005-09-29 | Toyobo Co Ltd | 電解質膜及びその製造方法 |
| US20230015931A1 (en) * | 2021-07-09 | 2023-01-19 | Lg Energy Solution, Ltd. | Manufacturing Method for Electrode Assembly and Electrode Assembly Manufacturing Equipment |
-
2001
- 2001-06-12 JP JP2001176695A patent/JP3563372B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005268145A (ja) * | 2004-03-22 | 2005-09-29 | Toyobo Co Ltd | 電解質膜及びその製造方法 |
| US20230015931A1 (en) * | 2021-07-09 | 2023-01-19 | Lg Energy Solution, Ltd. | Manufacturing Method for Electrode Assembly and Electrode Assembly Manufacturing Equipment |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3563372B2 (ja) | 2004-09-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7494733B2 (en) | Electrode structure for solid polymer fuel cell, its production method, and solid polymer fuel cell | |
| EP2161770A1 (en) | Film-electrode assembly, film-electrode gas diffusion layer assembly having the same, solid state polymer fuel cell, and film-electrode assembly manufacturing method | |
| JP2006114502A (ja) | 直接酸化型燃料電池用高分子電解質膜、その製造方法及びこれを含む直接酸化型燃料電池システム | |
| KR20070100693A (ko) | 접착 촉진층을 갖는 막 및 막 전극 어셈블리 | |
| JP2012069536A (ja) | 直接酸化型燃料電池用高分子電解質膜、その製造方法及びこれを含む直接酸化型燃料電池システム | |
| JP2009021230A (ja) | 膜−電極−ガス拡散層−ガスケット接合体及びその製造方法、並びに固体高分子形燃料電池 | |
| CN107004880B (zh) | 聚合物电解质膜 | |
| JP4221164B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP2008140779A (ja) | 膜−電極接合体 | |
| JP5189394B2 (ja) | 高分子電解質膜 | |
| JP3607221B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 | |
| JP2009021232A (ja) | 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 | |
| JP2009021233A (ja) | 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 | |
| JP2009021234A (ja) | 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 | |
| JP4392222B2 (ja) | 膜−電極構造体の製造方法 | |
| JP3563374B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 | |
| US20090068542A1 (en) | Ionic polymer particle dispersion liquid and method for producing the same | |
| JP3563372B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 | |
| JP3563371B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 | |
| JP4271390B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極構造体の製造方法及び固体高分子型燃料電池 | |
| JP2006310158A (ja) | 固体電解質、電極膜接合体、燃料電池および固体電解質の製造方法。 | |
| JP3878438B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 | |
| US7445867B2 (en) | Electrode structure for solid-polymer type fuel cell | |
| JP3563378B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 | |
| JP4323117B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極構造体 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040601 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040602 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080611 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090611 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090611 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100611 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110611 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110611 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130611 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130611 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140611 Year of fee payment: 10 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |