JP2003132907A - 燃料電池用の電解質膜およびこれを備える燃料電池 - Google Patents
燃料電池用の電解質膜およびこれを備える燃料電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 プロトン伝導性を増加しても十分な膜強度を
維持することができる電解質膜を提供する。 【解決手段】 膜厚と同一か若干大きめの粒径を有する
電解質微粒子２２を連続相を形成するバインダ樹脂２４
に埋め込むように電解質膜２０を形成する。電解質微粒
子２２は膜の両面に至るからイオン経路を形成すること
ができる。また、電解質膜２０に作用する応力は連続相
であるバインダ樹脂２４が受け持つから、十分な膜強度
を得ることができる。さらに、製膜の際、燃料電池を形
成したときに燃料ガスや酸化ガスの流路に相当する部位
をプラスに帯電させたキャスト台に電解質微粒子２２の
溶液を流し込んだ後に溶媒を揮発させ、その後バインダ
樹脂溶液を流し込んで溶媒を揮発させることによって製
膜するなど電解質微粒子２２の密度分布によるパターニ
ングを行なうことができる。
維持することができる電解質膜を提供する。 【解決手段】 膜厚と同一か若干大きめの粒径を有する
電解質微粒子２２を連続相を形成するバインダ樹脂２４
に埋め込むように電解質膜２０を形成する。電解質微粒
子２２は膜の両面に至るからイオン経路を形成すること
ができる。また、電解質膜２０に作用する応力は連続相
であるバインダ樹脂２４が受け持つから、十分な膜強度
を得ることができる。さらに、製膜の際、燃料電池を形
成したときに燃料ガスや酸化ガスの流路に相当する部位
をプラスに帯電させたキャスト台に電解質微粒子２２の
溶液を流し込んだ後に溶媒を揮発させ、その後バインダ
樹脂溶液を流し込んで溶媒を揮発させることによって製
膜するなど電解質微粒子２２の密度分布によるパターニ
ングを行なうことができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用の電極
およびこれを備える燃料電池に関する。
およびこれを備える燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の燃料電池用の電極として
は、フレキシブルな結合成分により生成された弾力性マ
トリックスにより形成された膜に膜厚方向に膜を貫通す
る複数の連続したイオン伝導チャンネルを形成してなる
ものが提案されている（例えば、特表平１０−５０３７
８８号公報など）。この燃料電池用の電解質膜では、こ
うした構造とすることにより、化学的に安定で良好なイ
オン伝導性を示す電解質膜を得ることができる、とされ
ている。
は、フレキシブルな結合成分により生成された弾力性マ
トリックスにより形成された膜に膜厚方向に膜を貫通す
る複数の連続したイオン伝導チャンネルを形成してなる
ものが提案されている（例えば、特表平１０−５０３７
８８号公報など）。この燃料電池用の電解質膜では、こ
うした構造とすることにより、化学的に安定で良好なイ
オン伝導性を示す電解質膜を得ることができる、とされ
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た膜厚方向に膜を貫通する複数のイオン伝導チャンネル
を形成してなる電解質膜では、その直径が不揃いで適正
な長さとなっていないものを含むため、連続相とした
り、パターニングすることが困難であり、電解質膜の性
能を十分に発揮させることができない場合があった。
た膜厚方向に膜を貫通する複数のイオン伝導チャンネル
を形成してなる電解質膜では、その直径が不揃いで適正
な長さとなっていないものを含むため、連続相とした
り、パターニングすることが困難であり、電解質膜の性
能を十分に発揮させることができない場合があった。
【０００４】燃料電池用の電解質膜の性能を向上させる
ためには、電解質膜の低抵抗化を図ることが望まれる。
この電解質膜を低抵抗化するための手法としては、薄膜
化することやプロトン伝導性を増大させること、膜の保
水性の向上を図ることなどが考えられる。
ためには、電解質膜の低抵抗化を図ることが望まれる。
この電解質膜を低抵抗化するための手法としては、薄膜
化することやプロトン伝導性を増大させること、膜の保
水性の向上を図ることなどが考えられる。
【０００５】本発明の燃料電池用の電解質膜は、プロト
ン伝導性を増加することにより電解質膜の性能を向上さ
せることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池
用の電解質膜は、十分な膜強度を得ることを目的の一つ
とする。さらに、本発明の燃料電池用の電解質膜は、自
己加湿により電解質膜の水分布を制御することを目的の
一つとする。本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜を
備えることによりその性能の向上を図ることを目的とす
る。
ン伝導性を増加することにより電解質膜の性能を向上さ
せることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池
用の電解質膜は、十分な膜強度を得ることを目的の一つ
とする。さらに、本発明の燃料電池用の電解質膜は、自
己加湿により電解質膜の水分布を制御することを目的の
一つとする。本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜を
備えることによりその性能の向上を図ることを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池用の電解質膜およびこれを備える燃料電
池は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以
下の手段を採った。
発明の燃料電池用の電解質膜およびこれを備える燃料電
池は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以
下の手段を採った。
【０００７】本発明の電解質膜は、燃料電池に用いられ
る電解質膜であって、電解質により形成された電解質粒
子とバインダ樹脂とを用いて製膜してなることを要旨と
する。
る電解質膜であって、電解質により形成された電解質粒
子とバインダ樹脂とを用いて製膜してなることを要旨と
する。
【０００８】この本発明の電解質膜では、電解質粒子を
用いて製膜することによりプロトン伝導性の増大を図る
ことができると共にバインダ樹脂を用いて製膜すること
により十分な膜強度を得ることができる。この結果、電
解質膜の性能を向上させることができる。
用いて製膜することによりプロトン伝導性の増大を図る
ことができると共にバインダ樹脂を用いて製膜すること
により十分な膜強度を得ることができる。この結果、電
解質膜の性能を向上させることができる。
【０００９】こうした本発明の燃料電池用の電解質膜に
おいて、粒径が膜厚と略同一の電解質粒子を用いて製膜
されてなるものとすることもできる。こうすれば、電解
質粒子が膜の両面の一部を形成するようになるから、プ
ロトン伝導性をさらに増大させることができ、電解質膜
の性能をより向上させることができる。
おいて、粒径が膜厚と略同一の電解質粒子を用いて製膜
されてなるものとすることもできる。こうすれば、電解
質粒子が膜の両面の一部を形成するようになるから、プ
ロトン伝導性をさらに増大させることができ、電解質膜
の性能をより向上させることができる。
【００１０】また、本発明の燃料電池用の電解質膜にお
いて、粒径が膜厚の１．０倍ないし１．４倍の電解質粒
子を用いて製膜されてなるものとすることもできる。こ
うすれば、電解質粒子により電解質膜の両面の一部をよ
り確実に形成することができるから、より確実にプロト
ン伝導性を増大させることができ、より確実に膜抵抗を
下げ、電解質膜の性能を向上させることができる。
いて、粒径が膜厚の１．０倍ないし１．４倍の電解質粒
子を用いて製膜されてなるものとすることもできる。こ
うすれば、電解質粒子により電解質膜の両面の一部をよ
り確実に形成することができるから、より確実にプロト
ン伝導性を増大させることができ、より確実に膜抵抗を
下げ、電解質膜の性能を向上させることができる。
【００１１】さらに、本発明の燃料電池用の電解質膜に
おいて、前記電解質粒子の一部が膜の両面の一部を形成
するよう製膜されてなるものとすることもできる。こう
すれば、電解質粒子により直接イオン交換するから、プ
ロトン伝導性を増加させることができ、電解質膜の性能
を向上させることができる。
おいて、前記電解質粒子の一部が膜の両面の一部を形成
するよう製膜されてなるものとすることもできる。こう
すれば、電解質粒子により直接イオン交換するから、プ
ロトン伝導性を増加させることができ、電解質膜の性能
を向上させることができる。
【００１２】あるいは、本発明の燃料電池用の電解質膜
において、前記電解質粒子は、表面に触媒を担持してな
るものとすることもできる。こうすれば、より効率的に
燃料ガスを反応させることができると共に膜内で水を生
成することにより膜の乾燥を防止することができる。こ
の結果、電解質膜の性能をより向上させることができ
る。
において、前記電解質粒子は、表面に触媒を担持してな
るものとすることもできる。こうすれば、より効率的に
燃料ガスを反応させることができると共に膜内で水を生
成することにより膜の乾燥を防止することができる。こ
の結果、電解質膜の性能をより向上させることができ
る。
【００１３】また、本発明の燃料電池用の電解質膜にお
いて、膜厚方向に前記電解質粒子の粒径が一様に変化す
るよう形成されてなるものとすることもできる。こうす
れば、膜に配向性を持たせることができる。この態様の
本発明の燃料電池用の電解質膜において、粒径が異なる
電解質粒子を用いて少なくとも２層に形成してなるもの
とすることもできる。
いて、膜厚方向に前記電解質粒子の粒径が一様に変化す
るよう形成されてなるものとすることもできる。こうす
れば、膜に配向性を持たせることができる。この態様の
本発明の燃料電池用の電解質膜において、粒径が異なる
電解質粒子を用いて少なくとも２層に形成してなるもの
とすることもできる。
【００１４】さらに、本発明の第１の燃料電池用の電解
質膜において、前記電解質粒子の密度がパターニングさ
れて製膜されてなるものとすることもできる。こうすれ
ば、燃料ガスの供給流路に相当する部位の電解質粒子の
密度を高くすることができる。この結果、電解質膜の性
能を向上させることができる。
質膜において、前記電解質粒子の密度がパターニングさ
れて製膜されてなるものとすることもできる。こうすれ
ば、燃料ガスの供給流路に相当する部位の電解質粒子の
密度を高くすることができる。この結果、電解質膜の性
能を向上させることができる。
【００１５】本発明の燃料電池は、上述のいずれかの態
様の本発明の燃料電池用の電解質膜、基本的には、電解
質により形成された電解質粒子とバインダ樹脂とを用い
て製膜してなる電解質膜を備えることを要旨とする。
様の本発明の燃料電池用の電解質膜、基本的には、電解
質により形成された電解質粒子とバインダ樹脂とを用い
て製膜してなる電解質膜を備えることを要旨とする。
【００１６】この本発明の第１の燃料電池では、上述の
いずれかの態様の本発明の燃料電池用の電解質膜を備え
るから、本発明の燃料電池用の電解質膜が奏する効果、
例えば、電解質粒子を用いて製膜することによりプロト
ン伝導性の増大を図ることができる効果やバインダ樹脂
を用いて製膜することにより十分な膜強度を得ることが
できる効果、そしてこれらの効果から電解質膜の性能を
向上させることができる効果などを奏することができ
る。
いずれかの態様の本発明の燃料電池用の電解質膜を備え
るから、本発明の燃料電池用の電解質膜が奏する効果、
例えば、電解質粒子を用いて製膜することによりプロト
ン伝導性の増大を図ることができる効果やバインダ樹脂
を用いて製膜することにより十分な膜強度を得ることが
できる効果、そしてこれらの効果から電解質膜の性能を
向上させることができる効果などを奏することができ
る。
【００１７】本発明の第２の燃料電池は、膜厚方向に粒
径が一様に変化するよう形成された電解質粒子を用いて
製膜された電解質膜を備える態様の本発明の燃料電池用
の電解質膜を備える燃料電池であって、前記電解質粒子
の粒径がカソードからアノードに向けて小さくなるよう
前記電解質膜を配置してなることを要旨とする。
径が一様に変化するよう形成された電解質粒子を用いて
製膜された電解質膜を備える態様の本発明の燃料電池用
の電解質膜を備える燃料電池であって、前記電解質粒子
の粒径がカソードからアノードに向けて小さくなるよう
前記電解質膜を配置してなることを要旨とする。
【００１８】この本発明の第２の燃料電池では、電解質
粒子の粒径がカソードからアノードに向けて小さくなる
よう電解質膜を配置することにより、電解質膜の水分布
を制御することができる。この結果、燃料電池の性能を
向上させることができる。
粒子の粒径がカソードからアノードに向けて小さくなる
よう電解質膜を配置することにより、電解質膜の水分布
を制御することができる。この結果、燃料電池の性能を
向上させることができる。
【００１９】また、本発明の第３の燃料電池は、電解質
粒子をパターニングする態様の本発明の電解質膜を備
え、前記パターニングにより前記電解質粒子の密度が高
い部位に燃料ガスの供給流路を配置してなることを要旨
とする。
粒子をパターニングする態様の本発明の電解質膜を備
え、前記パターニングにより前記電解質粒子の密度が高
い部位に燃料ガスの供給流路を配置してなることを要旨
とする。
【００２０】この本発明の第３の燃料電池では、電解質
膜における電解質粒子の密度をパターニングすることに
より、燃料電池の性能を向上させることができる。
膜における電解質粒子の密度をパターニングすることに
より、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である
電解質膜２０の構成を模式的に例示する構成図である。
実施例の電解質膜２０は、粒径が膜厚より若干大きな複
数の電解質微粒子２２を支持層であるバインダ樹脂２４
に埋め込むようにして形成されている。
例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である
電解質膜２０の構成を模式的に例示する構成図である。
実施例の電解質膜２０は、粒径が膜厚より若干大きな複
数の電解質微粒子２２を支持層であるバインダ樹脂２４
に埋め込むようにして形成されている。
【００２２】電解質微粒子２２としては、形成する電解
質膜２０の膜厚に対して１．０倍ないし１．４倍程度の
粒径となるよう形成されたものを用いるのが好ましい。
例えば、形成する電解質膜２０の膜厚が３０μｍの場合
には、３０μｍないし４０μｍの粒径のものが好まし
い。電解質微粒子２６は、例えば、エタノールとｎ−ヘ
キサンの重量比１：１の混合溶液３０ｇにポリメチルビ
ニルエーテルなどのマトリックスポリマー３ｇとスチレ
ンスルホン酸ナトリウム５ｇと架橋剤としてジビニルベ
ンゼン０．５ｇと開始剤（ＡＩＢＮ）０．０５ｇとを溶
解し、６０℃で１８時間加熱することにより、粒径３〜
２０μｍのものとして得ることができる。なお、混合溶
液における貧溶媒であるｎ−ヘキサンの組成比を大きく
又は小さくすることにより電解質粒子２６の粒径を小さ
く又は大きく調節することができる。こうして形成した
電解質微粒子２２は、支持層であるバインダ樹脂２４に
埋め込まれるから、機械強度はあまり必要とされない。
このため、電解質微粒子２２としてイオン交換容量の高
い電解質を用いることができる。なお、イオン交換容量
としては、０．１ないし１０ｍｍｏｌ／ｇが好ましい。
質膜２０の膜厚に対して１．０倍ないし１．４倍程度の
粒径となるよう形成されたものを用いるのが好ましい。
例えば、形成する電解質膜２０の膜厚が３０μｍの場合
には、３０μｍないし４０μｍの粒径のものが好まし
い。電解質微粒子２６は、例えば、エタノールとｎ−ヘ
キサンの重量比１：１の混合溶液３０ｇにポリメチルビ
ニルエーテルなどのマトリックスポリマー３ｇとスチレ
ンスルホン酸ナトリウム５ｇと架橋剤としてジビニルベ
ンゼン０．５ｇと開始剤（ＡＩＢＮ）０．０５ｇとを溶
解し、６０℃で１８時間加熱することにより、粒径３〜
２０μｍのものとして得ることができる。なお、混合溶
液における貧溶媒であるｎ−ヘキサンの組成比を大きく
又は小さくすることにより電解質粒子２６の粒径を小さ
く又は大きく調節することができる。こうして形成した
電解質微粒子２２は、支持層であるバインダ樹脂２４に
埋め込まれるから、機械強度はあまり必要とされない。
このため、電解質微粒子２２としてイオン交換容量の高
い電解質を用いることができる。なお、イオン交換容量
としては、０．１ないし１０ｍｍｏｌ／ｇが好ましい。
【００２３】バインダ樹脂２４としては、耐熱性と熱可
溶性を有したプラスチックが好ましく、例えばポリベン
ゾイミダゾール（ＰＢＩ）やポリベンゾオキサゾール
（ＰＢＯ）などを用いることができる。
溶性を有したプラスチックが好ましく、例えばポリベン
ゾイミダゾール（ＰＢＩ）やポリベンゾオキサゾール
（ＰＢＯ）などを用いることができる。
【００２４】次に、実施例の電解質膜２０の製造の様子
について説明する。図２は、実施例の電解質膜２０の製
造工程を例示する製造工程図である。実施例の電解質膜
２０の製造は、まず、電解質微粒子２２をメタノールな
どの溶液に分散させて分散溶液を調製する工程から始ま
る（工程Ｓ１）。次に電解質膜２０を用いて燃料電池を
形成したときに燃料ガスや酸化ガスの流路に相当する部
位をプラスに帯電させたキャスト台に調製した分散溶液
を流し込んで電解質微粒子２２の密度分布によるパター
ニングを行なう（工程Ｓ２）。電解質微粒子２２はプラ
スに帯電させた部位に集まるから、プラスに帯電させた
部位では電解質微粒子２２の密度分布が高くなり、プラ
スに帯電させていない部位では電解質微粒子２２の密度
分布は低くなる。したがって、実施例では、燃料ガスや
酸化ガスの流路に相当する部位の電解質微粒子２２の密
度分布を高くするパターニングを行なうのである。パタ
ーニングの一例を図３に示す。図３の例では、キャスト
台の斜線によるハッチングした部位をプラスに帯電させ
ることによりつづら折り状のパターニングを行なってい
る。
について説明する。図２は、実施例の電解質膜２０の製
造工程を例示する製造工程図である。実施例の電解質膜
２０の製造は、まず、電解質微粒子２２をメタノールな
どの溶液に分散させて分散溶液を調製する工程から始ま
る（工程Ｓ１）。次に電解質膜２０を用いて燃料電池を
形成したときに燃料ガスや酸化ガスの流路に相当する部
位をプラスに帯電させたキャスト台に調製した分散溶液
を流し込んで電解質微粒子２２の密度分布によるパター
ニングを行なう（工程Ｓ２）。電解質微粒子２２はプラ
スに帯電させた部位に集まるから、プラスに帯電させた
部位では電解質微粒子２２の密度分布が高くなり、プラ
スに帯電させていない部位では電解質微粒子２２の密度
分布は低くなる。したがって、実施例では、燃料ガスや
酸化ガスの流路に相当する部位の電解質微粒子２２の密
度分布を高くするパターニングを行なうのである。パタ
ーニングの一例を図３に示す。図３の例では、キャスト
台の斜線によるハッチングした部位をプラスに帯電させ
ることによりつづら折り状のパターニングを行なってい
る。
【００２５】こうしてパターニングを行なった後に溶媒
を揮発させ（工程Ｓ３）、これにバインダ樹脂の溶液を
流し込んで均等な膜厚となるよう調整する（工程Ｓ
４）。そして、溶剤を揮発させて（工程Ｓ５）、実施例
の電解質膜２０を完成する。
を揮発させ（工程Ｓ３）、これにバインダ樹脂の溶液を
流し込んで均等な膜厚となるよう調整する（工程Ｓ
４）。そして、溶剤を揮発させて（工程Ｓ５）、実施例
の電解質膜２０を完成する。
【００２６】以上説明した実施例の電解質膜２０によれ
ば、連続相のバインダ樹脂２４によって支持するから、
電解質微粒子２２によるプロトン伝導性を増加させても
膜強度を維持することができる。粒径が膜厚より若干大
きな電解質微粒子２２を用いることにより、膜の両面に
対して連続相となるイオン経路を有する電解質膜を得る
ことができる。
ば、連続相のバインダ樹脂２４によって支持するから、
電解質微粒子２２によるプロトン伝導性を増加させても
膜強度を維持することができる。粒径が膜厚より若干大
きな電解質微粒子２２を用いることにより、膜の両面に
対して連続相となるイオン経路を有する電解質膜を得る
ことができる。
【００２７】また、実施例の電解質膜２０によれば、電
解質微粒子２２の密度分布によるパターニングを行なう
ことができるから、燃料電池を形成したときに燃料ガス
や酸化ガスの流路に相当する部位の電解質微粒子２２の
密度分布を高くすることもできる。この結果、燃料電池
の性能を向上させることができる。
解質微粒子２２の密度分布によるパターニングを行なう
ことができるから、燃料電池を形成したときに燃料ガス
や酸化ガスの流路に相当する部位の電解質微粒子２２の
密度分布を高くすることもできる。この結果、燃料電池
の性能を向上させることができる。
【００２８】実施例の電解質膜２０では、電解質微粒子
２２の密度分布によるパターニングを行なって製膜する
ものとしたが、電解質微粒子２２の密度分布によるパタ
ーニングを行なわずに、即ち電解質微粒子２２を均一な
密度分布として製膜するものとしても構わない。
２２の密度分布によるパターニングを行なって製膜する
ものとしたが、電解質微粒子２２の密度分布によるパタ
ーニングを行なわずに、即ち電解質微粒子２２を均一な
密度分布として製膜するものとしても構わない。
【００２９】次に本発明の第２の実施例の電解質膜１２
０について説明する。図４は、第２実施例の電解質膜１
２０の構成を模式的に例示する構成図である。第２実施
例の電解質膜１２０は、図示するように、粒径の大きな
電解質微粒子１２２ａと粒径の中くらいの電解質微粒子
１２６ｃと粒径の小さな電解質微粒子１２６ｃとをバイ
ンダ樹脂１２４に層状に埋め込むように形成されてい
る。
０について説明する。図４は、第２実施例の電解質膜１
２０の構成を模式的に例示する構成図である。第２実施
例の電解質膜１２０は、図示するように、粒径の大きな
電解質微粒子１２２ａと粒径の中くらいの電解質微粒子
１２６ｃと粒径の小さな電解質微粒子１２６ｃとをバイ
ンダ樹脂１２４に層状に埋め込むように形成されてい
る。
【００３０】この第２実施例の電解質膜１２０は、粒径
の異なる電解質微粒子１２２ａ〜１２２ｃをそれぞれメ
タノールなどの溶液に分散させて３つの分散溶液を調製
し、各分散溶液を用いて一層ずつ順に第１実施例の電解
質膜２０の製造工程と同一の工程により形成することに
より製膜する。例えば、まず粒径の大きな電解質微粒子
１２２ａを分散させた分散溶液を所定の部位をプラスに
帯電させたキャスト台に流し込んで溶媒を揮発させ、バ
インダ樹脂を流し込んで溶媒を揮発させて第１層を形成
し、この第１層の上に粒径が中くらいの電解質微粒子１
２２を分散させた溶液をプラスに帯電させたままのキャ
スト台の第１層の上に流し込んで揮発させ、更にバイン
ダ樹脂を流し込んで溶媒を揮発させて第１層に重ねるよ
うに第２層を形成し、同様に粒径の小さな電解質微粒子
１２２ｃの分散溶液を用いて第２層に重ねるように第３
層を形成することにより電解質膜１２０を製膜するので
ある。この場合、各層を、その層を形成するのに用いる
電解質微粒子の粒径より若干薄く形成する。これにより
大中小の電解質微粒子１２２ａ〜１２２ｃは、図４に例
示するように密に重なるようになる。
の異なる電解質微粒子１２２ａ〜１２２ｃをそれぞれメ
タノールなどの溶液に分散させて３つの分散溶液を調製
し、各分散溶液を用いて一層ずつ順に第１実施例の電解
質膜２０の製造工程と同一の工程により形成することに
より製膜する。例えば、まず粒径の大きな電解質微粒子
１２２ａを分散させた分散溶液を所定の部位をプラスに
帯電させたキャスト台に流し込んで溶媒を揮発させ、バ
インダ樹脂を流し込んで溶媒を揮発させて第１層を形成
し、この第１層の上に粒径が中くらいの電解質微粒子１
２２を分散させた溶液をプラスに帯電させたままのキャ
スト台の第１層の上に流し込んで揮発させ、更にバイン
ダ樹脂を流し込んで溶媒を揮発させて第１層に重ねるよ
うに第２層を形成し、同様に粒径の小さな電解質微粒子
１２２ｃの分散溶液を用いて第２層に重ねるように第３
層を形成することにより電解質膜１２０を製膜するので
ある。この場合、各層を、その層を形成するのに用いる
電解質微粒子の粒径より若干薄く形成する。これにより
大中小の電解質微粒子１２２ａ〜１２２ｃは、図４に例
示するように密に重なるようになる。
【００３１】こうして製膜された第２実施例の電解質膜
１２０では、電解質微粒子の粒径における膜厚方向の粒
径の異方性により、膜表面における電解質相の開口面積
を膜の両面で変え、膜の両面でその親水性を異ならせる
ことができると共に電解質微粒子による毛管現象を得る
ことができる。即ち、第２実施例の電解質膜１２０で
は、図４に示すように、親水性が低い粒径の大きな電解
質微粒子１２２ａ側をカソード側として用いることによ
り燃料電池の発電に伴って生成される水の排水性を高く
していわゆるフラッディングを抑制し、カソード側から
アノード側に向けて電解質微粒子の粒径を小さくするこ
とにより毛管現象による水のアノード側への拡散を増大
させてアノード側の膜の乾燥を抑止するのである。
１２０では、電解質微粒子の粒径における膜厚方向の粒
径の異方性により、膜表面における電解質相の開口面積
を膜の両面で変え、膜の両面でその親水性を異ならせる
ことができると共に電解質微粒子による毛管現象を得る
ことができる。即ち、第２実施例の電解質膜１２０で
は、図４に示すように、親水性が低い粒径の大きな電解
質微粒子１２２ａ側をカソード側として用いることによ
り燃料電池の発電に伴って生成される水の排水性を高く
していわゆるフラッディングを抑制し、カソード側から
アノード側に向けて電解質微粒子の粒径を小さくするこ
とにより毛管現象による水のアノード側への拡散を増大
させてアノード側の膜の乾燥を抑止するのである。
【００３２】以上説明した第２実施例の電解質膜１２０
によれば、電解質微粒子の粒径を膜厚方向に一様に変化
させることにより、膜表面の親水性を異ならせることが
できると共に毛管現象による水の膜厚方向への拡散を増
大させることができる。したがって、親水性が低い粒径
が大きな電解質微粒子側をカソード側として第２実施例
の電解質膜１２０を用いて燃料電池を構成すれば、カソ
ード側の排水性を高くしてフラッディングを抑制するこ
とができると共に毛管現象によるアノード側への水の拡
散を増加してアノード側の膜の乾燥を防止することがで
きる。この結果、燃料電池の性能を向上させることがで
きる。
によれば、電解質微粒子の粒径を膜厚方向に一様に変化
させることにより、膜表面の親水性を異ならせることが
できると共に毛管現象による水の膜厚方向への拡散を増
大させることができる。したがって、親水性が低い粒径
が大きな電解質微粒子側をカソード側として第２実施例
の電解質膜１２０を用いて燃料電池を構成すれば、カソ
ード側の排水性を高くしてフラッディングを抑制するこ
とができると共に毛管現象によるアノード側への水の拡
散を増加してアノード側の膜の乾燥を防止することがで
きる。この結果、燃料電池の性能を向上させることがで
きる。
【００３３】もとより、第２実施例の電解質膜１２０で
も第１実施例の電解質膜２０と同様に、膜に作用する応
力に対しては連続相のバインダ樹脂２４が作用するか
ら、電解質微粒子１２２ａ〜１２２ｃによるプロトン伝
導性を増加させても膜強度を維持することができる。ま
た、第２実施例の電解質膜１２０でも第１実施例の電解
質膜２０と同様に、製膜の際の各層で電解質微粒子の密
度分布によるパターニングを行なうから、燃料電池を形
成したときに燃料ガスや酸化ガスの流路に相当する部位
の電解質微粒子の密度分布を高くすることができる。し
かもこのパターニングにより膜の両面に対して連続相と
なるイオン経路を形成することができる。この結果、燃
料電池の性能を向上させることがでできる。
も第１実施例の電解質膜２０と同様に、膜に作用する応
力に対しては連続相のバインダ樹脂２４が作用するか
ら、電解質微粒子１２２ａ〜１２２ｃによるプロトン伝
導性を増加させても膜強度を維持することができる。ま
た、第２実施例の電解質膜１２０でも第１実施例の電解
質膜２０と同様に、製膜の際の各層で電解質微粒子の密
度分布によるパターニングを行なうから、燃料電池を形
成したときに燃料ガスや酸化ガスの流路に相当する部位
の電解質微粒子の密度分布を高くすることができる。し
かもこのパターニングにより膜の両面に対して連続相と
なるイオン経路を形成することができる。この結果、燃
料電池の性能を向上させることがでできる。
【００３４】第２実施例の電解質膜１２０では、粒径の
異なる３つの電解質微粒子１２２ａ〜１２２ｃを用いて
異方性を有するよう三層構造として電解質膜１２０を製
膜したが、粒径の異なる２つの電解質微粒子を用いて異
方性を有するよう二層構造として電解質膜を製膜しても
よく、粒径の異なる４つ以上の電解質微粒子を用いて異
方性を有するよう四層以上の構造として電極を製膜する
ものとしてもよい。また、複数の異なる粒径分布を有す
る電解質微粒子を用いて異方性を有するよう複数層構造
として製膜するものとしても構わない。
異なる３つの電解質微粒子１２２ａ〜１２２ｃを用いて
異方性を有するよう三層構造として電解質膜１２０を製
膜したが、粒径の異なる２つの電解質微粒子を用いて異
方性を有するよう二層構造として電解質膜を製膜しても
よく、粒径の異なる４つ以上の電解質微粒子を用いて異
方性を有するよう四層以上の構造として電極を製膜する
ものとしてもよい。また、複数の異なる粒径分布を有す
る電解質微粒子を用いて異方性を有するよう複数層構造
として製膜するものとしても構わない。
【００３５】また、第２実施例の電解質膜１２０でも、
製膜の際の各層で電解質微粒子の密度分布によるパター
ニングを行なったが、電解質微粒子の粒径が膜厚方向に
一様に変化していればよいから、各層における電解質微
粒子の密度分布によるパターニングを行なわないものと
してもよい。
製膜の際の各層で電解質微粒子の密度分布によるパター
ニングを行なったが、電解質微粒子の粒径が膜厚方向に
一様に変化していればよいから、各層における電解質微
粒子の密度分布によるパターニングを行なわないものと
してもよい。
【００３６】第１実施例の電解質膜２０や第２実施例の
電解質膜１２０では、電解質材料により形成された電解
質微粒子とバインダ樹脂とにより製膜したが、カソード
やアノードに用いられる触媒（例えば、白金）を表面に
担持した電解質微粒子とバインダ樹脂とにより製膜する
ものとしてもよい。第１実施例の電解質膜２０における
電解質微粒子２２を表面に触媒としての白金粒子２２３
を担持した電解質微粒子２２２に代えてバインダ樹脂２
２４と製膜した変形例の電解質膜２２０を図５に示す。
こうした変形例の電解質膜２２０によれば、電解質膜２
２０内に浸透またはリークした燃料ガスや酸化ガスを電
解質微粒子２２２が担持している白金粒子２２３上で反
応させて水を生成することができるから、これにより膜
の乾燥を抑制することができる。なお、電解質微粒子２
２２の表面に白金粒子２２３を担持させる手法として
は、カーボン粒子に白金を担持させる手法と同様に、電
解質微粒子２２２とＰｔ（ＮＨ3）4Ｃｌ2とを混合して
酸で処理する手法を用いることができる。こうした触媒
を担持した電解質微粒子とバインダ樹脂とによって電解
質膜を構成する概念は、第１実施例の電解質膜２０に対
するものだけでなく、第２実施例の電解質膜２２０に対
してや第１実施例の電解質膜２０の変形例，第２実施例
の電解質膜１２０の変形例などに対しても適用すること
ができるのは勿論である。
電解質膜１２０では、電解質材料により形成された電解
質微粒子とバインダ樹脂とにより製膜したが、カソード
やアノードに用いられる触媒（例えば、白金）を表面に
担持した電解質微粒子とバインダ樹脂とにより製膜する
ものとしてもよい。第１実施例の電解質膜２０における
電解質微粒子２２を表面に触媒としての白金粒子２２３
を担持した電解質微粒子２２２に代えてバインダ樹脂２
２４と製膜した変形例の電解質膜２２０を図５に示す。
こうした変形例の電解質膜２２０によれば、電解質膜２
２０内に浸透またはリークした燃料ガスや酸化ガスを電
解質微粒子２２２が担持している白金粒子２２３上で反
応させて水を生成することができるから、これにより膜
の乾燥を抑制することができる。なお、電解質微粒子２
２２の表面に白金粒子２２３を担持させる手法として
は、カーボン粒子に白金を担持させる手法と同様に、電
解質微粒子２２２とＰｔ（ＮＨ3）4Ｃｌ2とを混合して
酸で処理する手法を用いることができる。こうした触媒
を担持した電解質微粒子とバインダ樹脂とによって電解
質膜を構成する概念は、第１実施例の電解質膜２０に対
するものだけでなく、第２実施例の電解質膜２２０に対
してや第１実施例の電解質膜２０の変形例，第２実施例
の電解質膜１２０の変形例などに対しても適用すること
ができるのは勿論である。
【００３７】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。
【図１】本発明の一実施例である電解質膜２０の構成を
模式的に例示する構成図である。
模式的に例示する構成図である。
【図２】実施例の電解質膜２０の製造工程を例示する製
造工程図である。
造工程図である。
【図３】燃料ガスや酸化ガスの流路となる部位に電解質
微粒子２２が高密度となるようパターニングする際のパ
ターニングの一例を示す説明図である。
微粒子２２が高密度となるようパターニングする際のパ
ターニングの一例を示す説明図である。
【図４】第２実施例の電解質膜１２０の構成を模式的に
例示する構成図である。
例示する構成図である。
【図５】触媒を担持した電解質微粒子を用いた変形例の
電解質膜２２０の構成を模式的に例示する構成図であ
る。
電解質膜２２０の構成を模式的に例示する構成図であ
る。
２０，１２０，２２０ 電解質膜、２２，１２２，２２
２ 電解質微粒子、２４，１２４，２２４ バインダ樹
脂、２２３ 白金粒子。
２ 電解質微粒子、２４，１２４，２２４ バインダ樹
脂、２２３ 白金粒子。
Claims (11)
- 【請求項１】 燃料電池に用いられる電解質膜であっ
て、 電解質により形成された電解質粒子とバインダ樹脂とを
用いて製膜してなる電解質膜。 - 【請求項２】 粒径が膜厚と略同一の電解質粒子を用い
て製膜されてなる請求項１記載の電解質膜。 - 【請求項３】 粒径が膜厚の１．０倍ないし１．４倍の
電解質粒子を用いて製膜されてなる請求項１記載の電解
質膜。 - 【請求項４】 前記電解質粒子の一部が膜の両面の一部
を形成するよう製膜されてなる請求項１ないし３いずれ
か記載の電解質膜。 - 【請求項５】 前記電解質粒子は、表面に触媒を担持し
てなる請求項１ないし４いずれか記載の電解質膜。 - 【請求項６】 膜厚方向に前記電解質粒子の粒径が一様
に変化するよう形成されてなる請求項１記載の電解質
膜。 - 【請求項７】 粒径が異なる電解質粒子を用いて少なく
とも２層に形成してなる請求項６記載の電解質膜。 - 【請求項８】 前記電解質粒子の密度がパターニングさ
れて製膜されてなる請求項１ないし５いずれか記載の電
解質膜。 - 【請求項９】 請求項１ないし８いずれか記載の電解質
膜を備える燃料電池。 - 【請求項１０】 請求項６または７記載の電解質膜を備
える燃料電池であって、 前記電解質粒子の粒径がカソードからアノードに向けて
小さくなるよう前記電解質膜を配置してなる燃料電池。 - 【請求項１１】 請求項８記載の電解質膜を備える燃料
電池であって、 前記パターニングにより前記電解質粒子の密度が高い部
位に燃料ガスの供給流路を配置してなる燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001323163A JP3788308B2 (ja) | 2001-10-22 | 2001-10-22 | 燃料電池用の電解質膜およびこれを備える燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001323163A JP3788308B2 (ja) | 2001-10-22 | 2001-10-22 | 燃料電池用の電解質膜およびこれを備える燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003132907A true JP2003132907A (ja) | 2003-05-09 |
| JP3788308B2 JP3788308B2 (ja) | 2006-06-21 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001323163A Expired - Fee Related JP3788308B2 (ja) | 2001-10-22 | 2001-10-22 | 燃料電池用の電解質膜およびこれを備える燃料電池 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3788308B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006137357A1 (ja) * | 2005-06-20 | 2006-12-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 膜－電極接合体及びその製造方法並びに燃料電池 |
| WO2008023837A1 (fr) * | 2006-08-25 | 2008-02-28 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Membrane electrolyte polymère, laminé de celle-ci, et leurs procédés de production |
| JP2008084708A (ja) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池及びその製造方法 |
| WO2009104373A1 (ja) * | 2008-02-18 | 2009-08-27 | 株式会社 東芝 | 燃料電池および電子機器 |
| JP2011003552A (ja) * | 2004-04-28 | 2011-01-06 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池用膜−電極接合体、および、これを用いた燃料電池 |
| JP2015527722A (ja) * | 2012-08-29 | 2015-09-17 | コーニング インコーポレイテッド | イオン伝導性複合電解質 |
| US20180040904A1 (en) * | 2016-08-02 | 2018-02-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Composite membrane, method of preparing the composite membrane, and lithium air battery including the composite membrane |
-
2001
- 2001-10-22 JP JP2001323163A patent/JP3788308B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011003552A (ja) * | 2004-04-28 | 2011-01-06 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池用膜−電極接合体、および、これを用いた燃料電池 |
| WO2006137357A1 (ja) * | 2005-06-20 | 2006-12-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 膜－電極接合体及びその製造方法並びに燃料電池 |
| JP2012099492A (ja) * | 2005-06-20 | 2012-05-24 | Panasonic Corp | 膜−電極接合体 |
| JP2012099491A (ja) * | 2005-06-20 | 2012-05-24 | Panasonic Corp | 膜−電極接合体及びその製造方法 |
| WO2008023837A1 (fr) * | 2006-08-25 | 2008-02-28 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Membrane electrolyte polymère, laminé de celle-ci, et leurs procédés de production |
| JP2008084708A (ja) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池及びその製造方法 |
| WO2009104373A1 (ja) * | 2008-02-18 | 2009-08-27 | 株式会社 東芝 | 燃料電池および電子機器 |
| JP2015527722A (ja) * | 2012-08-29 | 2015-09-17 | コーニング インコーポレイテッド | イオン伝導性複合電解質 |
| JP2018085343A (ja) * | 2012-08-29 | 2018-05-31 | コーニング インコーポレイテッド | イオン伝導性複合電解質 |
| US20180040904A1 (en) * | 2016-08-02 | 2018-02-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Composite membrane, method of preparing the composite membrane, and lithium air battery including the composite membrane |
| US10727502B2 (en) * | 2016-08-02 | 2020-07-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Composite membrane including ion-conductive polymer layer and gas blocking inorganic particles, method of preparing the same, and lithium air battery including the same |
| US11600828B2 (en) | 2016-08-02 | 2023-03-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Composite membrane including ion-conductive polymer layer and gas blocking inorganic particles, method of preparing the composite membrane, and lithium air battery including the composite membrane |
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