JP2003317748A - 固体電解質膜 - Google Patents
固体電解質膜Info
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- solid electrolyte
- woven fabric
- woven
- electrolyte membrane
- glass
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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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 周囲温度が高温である状態での使用時にも、
安定してイオン導伝機能を発揮する固体電解質膜を提供
すること。 【解決手段】 ガス透過性と耐熱性を有する無機系素材
（ガラス繊維・セラミック繊維等）の織布または不織布
（１１）にガラス電解質を付着形成させ、同織布または
不織布（１１）の表裏両面に、官能基を有する含フッ素
重合体膜（１２，１２）を積層固着して固体電解質膜
（１０）を形成した。
安定してイオン導伝機能を発揮する固体電解質膜を提供
すること。 【解決手段】 ガス透過性と耐熱性を有する無機系素材
（ガラス繊維・セラミック繊維等）の織布または不織布
（１１）にガラス電解質を付着形成させ、同織布または
不織布（１１）の表裏両面に、官能基を有する含フッ素
重合体膜（１２，１２）を積層固着して固体電解質膜
（１０）を形成した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、周囲温度が高温
（例えば、１５０℃程度）である状態にて使用される例
えば燃料電池において採用するに適した固体電解質膜に
関する。
（例えば、１５０℃程度）である状態にて使用される例
えば燃料電池において採用するに適した固体電解質膜に
関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池に採用される固体電解質膜の一
つとして、官能基（例えば、スルホン酸基、カルボン酸
基等）を有する含フッ素重合体膜を積層させた電解質膜
において、積層間に含フッ素重合体と良好な接着性を有
する補強材を組み入れたものがあり、例えば、特開２０
００−１９５３３３号公報に示されている。
つとして、官能基（例えば、スルホン酸基、カルボン酸
基等）を有する含フッ素重合体膜を積層させた電解質膜
において、積層間に含フッ素重合体と良好な接着性を有
する補強材を組み入れたものがあり、例えば、特開２０
００−１９５３３３号公報に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記した公報に示され
ている固体電解質膜は、電気抵抗が低くかつ機械強度が
高いものの、周囲温度が高温（例えば、１５０℃程度）
である状態にて使用される燃料電池に採用した場合、そ
のイオン導伝機能が著しく低下して、当該燃料電池にて
所期の起電力を得ることができないことがある。
ている固体電解質膜は、電気抵抗が低くかつ機械強度が
高いものの、周囲温度が高温（例えば、１５０℃程度）
である状態にて使用される燃料電池に採用した場合、そ
のイオン導伝機能が著しく低下して、当該燃料電池にて
所期の起電力を得ることができないことがある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記した課題
に対処すべく、ガス透過性と耐熱性を有する無機系素材
（例えば、ガラス繊維・セラミック繊維等）の織布また
は不織布にガラス電解質を付着形成させ、同織布または
不織布の表裏両面に、官能基を有する含フッ素重合体膜
（例えば、登録商標Ｎａｆｉｏｎ・ナフィオンの膜）を
積層固着して、当該固体電解質膜を形成した（請求項１
に係る発明）。また、ガス透過性と耐熱性を有する無機
系素材の織布または不織布にガラス電解質を付着形成さ
せ、同織布または不織布を、官能基を有する含フッ素重
合体膜の表裏両面に積層固着して、当該固体電解質膜を
形成した（請求項２に係る発明）。
に対処すべく、ガス透過性と耐熱性を有する無機系素材
（例えば、ガラス繊維・セラミック繊維等）の織布また
は不織布にガラス電解質を付着形成させ、同織布または
不織布の表裏両面に、官能基を有する含フッ素重合体膜
（例えば、登録商標Ｎａｆｉｏｎ・ナフィオンの膜）を
積層固着して、当該固体電解質膜を形成した（請求項１
に係る発明）。また、ガス透過性と耐熱性を有する無機
系素材の織布または不織布にガラス電解質を付着形成さ
せ、同織布または不織布を、官能基を有する含フッ素重
合体膜の表裏両面に積層固着して、当該固体電解質膜を
形成した（請求項２に係る発明）。
【０００５】
【発明の作用・効果】本発明による固体電解質膜（請求
項１および２に係る発明）は、周囲温度が低温である状
態での使用時、官能基を有する含フッ素重合体膜と、無
機系素材の織布または不織布に付着形成したガラス電解
質が共に安定してイオン導伝機能を発揮するため、固体
電解質膜としての機能が必要十分に得られて、当該固体
電解質膜を採用した燃料電池では所期の起電力を得るこ
とが可能である。
項１および２に係る発明）は、周囲温度が低温である状
態での使用時、官能基を有する含フッ素重合体膜と、無
機系素材の織布または不織布に付着形成したガラス電解
質が共に安定してイオン導伝機能を発揮するため、固体
電解質膜としての機能が必要十分に得られて、当該固体
電解質膜を採用した燃料電池では所期の起電力を得るこ
とが可能である。
【０００６】また、周囲温度が高温（例えば、１５０℃
程度）である状態での使用時には、官能基を有する含フ
ッ素重合体膜がそのイオン導伝機能を低下させるもの
の、無機系素材の織布または不織布に付着形成したガラ
ス電解質が安定してイオン導伝機能を発揮するため、固
体電解質膜としての機能が低下せず、当該固体電解質膜
を採用した燃料電池では所期の起電力を得ることが可能
である。
程度）である状態での使用時には、官能基を有する含フ
ッ素重合体膜がそのイオン導伝機能を低下させるもの
の、無機系素材の織布または不織布に付着形成したガラ
ス電解質が安定してイオン導伝機能を発揮するため、固
体電解質膜としての機能が低下せず、当該固体電解質膜
を採用した燃料電池では所期の起電力を得ることが可能
である。
【０００７】また、本発明による固体電解質膜（請求項
１に係る発明）では、ガス透過性と耐熱性を有する無機
系素材の織布または不織布にガラス電解質を付着形成さ
せ、同織布または不織布の表裏両面に、官能基を有する
含フッ素重合体膜を積層固着して形成したものであるた
め、ガラス電解質の機械的強度の不足を、織布または不
織布により補うことができる。また、ガラス電解質で膜
を形成したときに生じる欠陥を含フッ素重合体膜で塞ぐ
ことができる。
１に係る発明）では、ガス透過性と耐熱性を有する無機
系素材の織布または不織布にガラス電解質を付着形成さ
せ、同織布または不織布の表裏両面に、官能基を有する
含フッ素重合体膜を積層固着して形成したものであるた
め、ガラス電解質の機械的強度の不足を、織布または不
織布により補うことができる。また、ガラス電解質で膜
を形成したときに生じる欠陥を含フッ素重合体膜で塞ぐ
ことができる。
【０００８】また、本発明による固体電解質膜（請求項
２に係る発明）では、ガス透過性と耐熱性を有する無機
系素材の織布または不織布にガラス電解質を付着形成さ
せ、同織布または不織布を、官能基を有する含フッ素重
合体膜の表裏両面に積層固着して形成したものであるた
め、上述の請求項１に係る発明の効果に加えて、ガラス
電解質を付着形成した織布または不織布を電極として使
用することが可能であり、当該固体電解質膜を用いて燃
料電池を構成する際にコンパクトとすることが可能であ
る。
２に係る発明）では、ガス透過性と耐熱性を有する無機
系素材の織布または不織布にガラス電解質を付着形成さ
せ、同織布または不織布を、官能基を有する含フッ素重
合体膜の表裏両面に積層固着して形成したものであるた
め、上述の請求項１に係る発明の効果に加えて、ガラス
電解質を付着形成した織布または不織布を電極として使
用することが可能であり、当該固体電解質膜を用いて燃
料電池を構成する際にコンパクトとすることが可能であ
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の各実施形態を図
面に基づいて説明する。図１は本発明による固体電解質
膜１０の一製造工程を概略的に示していて、この製造工
程では、始めにガラス繊維の織布１１にゾルゲル法にて
ガラス電解質を付着形成する第１工程（図１の（ａ）参
照）がなされる。織布（ガラスクロス）１１としては、
平織または目抜平織で、布厚０．０５〜０．２０ｍｍ、
質量９０〜１２０ｇ／ｃｍ２、経糸密度１５〜５５本／
２５ｍｍ、横糸密度１５〜５０本／２５ｍｍのものが望
ましい。また、ガラス電解質としては、例えば、テトラ
エトキシシラン、トリメチルリン酸、エタノール、水、
塩酸および乾燥制御剤を所定量混合して生成したガラス
電解質ゾルを準備する。
面に基づいて説明する。図１は本発明による固体電解質
膜１０の一製造工程を概略的に示していて、この製造工
程では、始めにガラス繊維の織布１１にゾルゲル法にて
ガラス電解質を付着形成する第１工程（図１の（ａ）参
照）がなされる。織布（ガラスクロス）１１としては、
平織または目抜平織で、布厚０．０５〜０．２０ｍｍ、
質量９０〜１２０ｇ／ｃｍ２、経糸密度１５〜５５本／
２５ｍｍ、横糸密度１５〜５０本／２５ｍｍのものが望
ましい。また、ガラス電解質としては、例えば、テトラ
エトキシシラン、トリメチルリン酸、エタノール、水、
塩酸および乾燥制御剤を所定量混合して生成したガラス
電解質ゾルを準備する。
【００１０】次いで、織布１１の表裏両面にナフィオン
膜１２を積層固着する第２工程（図１の（ｂ）参照）が
なされ、最後に織布１１と両ナフィオン膜１２をホット
プレス加工にて積層固着する第３工程（図１の（ｃ）参
照）がなされる。ナフィオン膜１２は、登録商標Ｎａｆ
ｉｏｎ（米国ＤｕＰｏｎｔ社製）の薄膜（膜厚５０〜１
７５μｍであり、膜厚５０μｍが望ましい）であり、官
能基を有する含フッ素重合体膜の一つである。織布１１
と両ナフィオン膜１２のホットプレス加工は、プレス温
度１６０〜１９０℃、プレス圧力５〜２０ｋｇ／ｃ
ｍ２、成形時間３０ｓｅｃ〜２ｍｉｎの条件が望まし
く、このホットプレス加工では両ナフィオン膜１２（含
フッ素重合体膜）が溶融固化して織布１１と両ナフィオ
ン膜１２が積層固着する。
膜１２を積層固着する第２工程（図１の（ｂ）参照）が
なされ、最後に織布１１と両ナフィオン膜１２をホット
プレス加工にて積層固着する第３工程（図１の（ｃ）参
照）がなされる。ナフィオン膜１２は、登録商標Ｎａｆ
ｉｏｎ（米国ＤｕＰｏｎｔ社製）の薄膜（膜厚５０〜１
７５μｍであり、膜厚５０μｍが望ましい）であり、官
能基を有する含フッ素重合体膜の一つである。織布１１
と両ナフィオン膜１２のホットプレス加工は、プレス温
度１６０〜１９０℃、プレス圧力５〜２０ｋｇ／ｃ
ｍ２、成形時間３０ｓｅｃ〜２ｍｉｎの条件が望まし
く、このホットプレス加工では両ナフィオン膜１２（含
フッ素重合体膜）が溶融固化して織布１１と両ナフィオ
ン膜１２が積層固着する。
【００１１】上記の各工程を経て製造された固体電解質
膜１０の表裏両面には、図２に示したように、一対の電
極２０，２０が貼着され、ホットプレス加工にて積層固
着される。各電極２０は、白金系触媒を坦持したカーボ
ンをナフィオン溶液に混合して得たものを、カーボンク
ロス２１に塗布してなる。固体電解質膜１０と両電極２
０のホットプレス加工は、プレス温度１５０〜２００
℃、プレス圧力５〜２０ｋｇ／ｃｍ２、成形時間３０ｓ
ｅｃ〜２ｍｉｎの条件が望ましい。電極２０のカーボン
クロス２１としては、膜厚０．４ｍｍのものを使用し
た。
膜１０の表裏両面には、図２に示したように、一対の電
極２０，２０が貼着され、ホットプレス加工にて積層固
着される。各電極２０は、白金系触媒を坦持したカーボ
ンをナフィオン溶液に混合して得たものを、カーボンク
ロス２１に塗布してなる。固体電解質膜１０と両電極２
０のホットプレス加工は、プレス温度１５０〜２００
℃、プレス圧力５〜２０ｋｇ／ｃｍ２、成形時間３０ｓ
ｅｃ〜２ｍｉｎの条件が望ましい。電極２０のカーボン
クロス２１としては、膜厚０．４ｍｍのものを使用し
た。
【００１２】ところで、発明者等は、ナフィオン膜１２
にカーボンクロスをホットプレス加工にて積層固着して
なる固体電解質膜を用いて構成した固体高分子型燃料電
池の周囲温度に応じた起電力（セル電圧）Ｂの変化（図
３の破線参照）と、上記した本発明による固体電解質膜
１０を用いて構成した固体高分子型燃料電池の周囲温度
に応じた起電力（セル電圧）Ａの変化（図３の実線参
照）とを比較するために試験用のサンプルを作成した。
にカーボンクロスをホットプレス加工にて積層固着して
なる固体電解質膜を用いて構成した固体高分子型燃料電
池の周囲温度に応じた起電力（セル電圧）Ｂの変化（図
３の破線参照）と、上記した本発明による固体電解質膜
１０を用いて構成した固体高分子型燃料電池の周囲温度
に応じた起電力（セル電圧）Ａの変化（図３の実線参
照）とを比較するために試験用のサンプルを作成した。
【００１３】このサンプルの固体電解質膜１０は、織布
１１として、目抜平織で、布厚０．１２ｍｍ、質量１０
６ｇ／ｃｍ２、経糸密度１９本／２５ｍｍ、横糸密度１
９本／２５ｍｍのものを採用し、織布１１と両ナフィオ
ン膜１２のホットプレス加工条件として、プレス温度１
７５〜１８５℃、プレス圧力２０ｋｇ／ｃｍ２、成形時
間３０ｓｅｃ〜１ｍｉｎを採用した。また、電極２０の
カーボンクロス２１として、膜厚０．４ｍｍのものを採
用し、固体電解質膜１０と両電極２０のホットプレス加
工条件として、プレス温度１８０℃、プレス圧力２０ｋ
ｇ／ｃｍ２、成形時間３０ｓｅｃを採用した。
１１として、目抜平織で、布厚０．１２ｍｍ、質量１０
６ｇ／ｃｍ２、経糸密度１９本／２５ｍｍ、横糸密度１
９本／２５ｍｍのものを採用し、織布１１と両ナフィオ
ン膜１２のホットプレス加工条件として、プレス温度１
７５〜１８５℃、プレス圧力２０ｋｇ／ｃｍ２、成形時
間３０ｓｅｃ〜１ｍｉｎを採用した。また、電極２０の
カーボンクロス２１として、膜厚０．４ｍｍのものを採
用し、固体電解質膜１０と両電極２０のホットプレス加
工条件として、プレス温度１８０℃、プレス圧力２０ｋ
ｇ／ｃｍ２、成形時間３０ｓｅｃを採用した。
【００１４】図３に示した性能比較線図は、固体高分子
型燃料電池の燃料としてジメチルエーテルを使用した発
電試験によって得られたものであり、周囲温度が低温
（１２０℃以下）である状態での使用時、本発明による
固体電解質膜１０を採用した固体高分子型燃料電池の起
電力Ａと比較用の固体電解質膜を採用した固体高分子型
燃料電池の起電力Ｂに大きな相違が見られないものの、
周囲温度が高温（１２０℃を超える温度領域）である状
態での使用時には、本発明による固体電解質膜１０を採
用した固体高分子型燃料電池の起電力Ａが上昇するのに
対して、比較用の固体電解質膜を採用した固体高分子型
燃料電池の起電力Ｂが著しく低下する傾向がみられて、
両起電力Ａ，Ｂに大きな相違が見られる。
型燃料電池の燃料としてジメチルエーテルを使用した発
電試験によって得られたものであり、周囲温度が低温
（１２０℃以下）である状態での使用時、本発明による
固体電解質膜１０を採用した固体高分子型燃料電池の起
電力Ａと比較用の固体電解質膜を採用した固体高分子型
燃料電池の起電力Ｂに大きな相違が見られないものの、
周囲温度が高温（１２０℃を超える温度領域）である状
態での使用時には、本発明による固体電解質膜１０を採
用した固体高分子型燃料電池の起電力Ａが上昇するのに
対して、比較用の固体電解質膜を採用した固体高分子型
燃料電池の起電力Ｂが著しく低下する傾向がみられて、
両起電力Ａ，Ｂに大きな相違が見られる。
【００１５】この相違は、周囲温度が低温（１２０℃以
下）である状態での使用時には、比較用の固体電解質膜
のナフィオン膜１２と、本発明による固体電解質膜１０
のナフィオン膜１２および織布１１に付着形成したガラ
ス電解質が共に安定してイオン導伝機能を発揮するのに
対して、周囲温度が高温（１２０℃を超える温度領域）
である状態での使用時には、ナフィオン膜１２がそのイ
オン導伝機能を低下させるものの、織布１１に付着形成
したガラス電解質が安定してイオン導伝機能を発揮する
ためと推定される。
下）である状態での使用時には、比較用の固体電解質膜
のナフィオン膜１２と、本発明による固体電解質膜１０
のナフィオン膜１２および織布１１に付着形成したガラ
ス電解質が共に安定してイオン導伝機能を発揮するのに
対して、周囲温度が高温（１２０℃を超える温度領域）
である状態での使用時には、ナフィオン膜１２がそのイ
オン導伝機能を低下させるものの、織布１１に付着形成
したガラス電解質が安定してイオン導伝機能を発揮する
ためと推定される。
【００１６】上記実施形態においては、織布１１の素材
としてガラス繊維を採用して実施したが、他のガス透過
性と耐熱性を有する無機系素材（例えば、セラミック繊
維等）を採用して実施することも可能である。また、上
記実施形態においては、両ナフィオン膜１２間に織布１
１が介在するようにして実施したが、両ナフィオン膜１
２間に不織布が介在するようにして実施することも可能
である。また、上記実施形態においては、官能基を有す
る含フッ素重合体膜としてナフィオン膜１２を採用した
が、他の官能基を有する含フッ素重合体膜を採用して実
施することも可能である。
としてガラス繊維を採用して実施したが、他のガス透過
性と耐熱性を有する無機系素材（例えば、セラミック繊
維等）を採用して実施することも可能である。また、上
記実施形態においては、両ナフィオン膜１２間に織布１
１が介在するようにして実施したが、両ナフィオン膜１
２間に不織布が介在するようにして実施することも可能
である。また、上記実施形態においては、官能基を有す
る含フッ素重合体膜としてナフィオン膜１２を採用した
が、他の官能基を有する含フッ素重合体膜を採用して実
施することも可能である。
【００１７】また、上記実施形態においては、図１にて
概略的に示したように、ガラス電解質を付着形成した織
布１１の表裏両面に、ナフィオン膜１２を積層固着し
て、当該固体電解質膜１０を形成したが、図４にて概略
的に示したように、ガラス電解質を付着形成した織布１
１を、ナフィオン膜１２の表裏両面に積層固着して当該
固体電解質膜１０Ａを形成することも可能である。な
お、図４の（ａ）は、ガラス繊維の織布１１にゾルゲル
法にてガラス電解質を付着形成する第１工程を示し、図
４の（ｂ）は、織布１１をナフィオン膜１２の表裏両面
に積層固着する第２工程を示し、図４の（ｃ）は、両織
布１１とナフィオン膜１２をホットプレス加工にて積層
固着する第３工程を示している。
概略的に示したように、ガラス電解質を付着形成した織
布１１の表裏両面に、ナフィオン膜１２を積層固着し
て、当該固体電解質膜１０を形成したが、図４にて概略
的に示したように、ガラス電解質を付着形成した織布１
１を、ナフィオン膜１２の表裏両面に積層固着して当該
固体電解質膜１０Ａを形成することも可能である。な
お、図４の（ａ）は、ガラス繊維の織布１１にゾルゲル
法にてガラス電解質を付着形成する第１工程を示し、図
４の（ｂ）は、織布１１をナフィオン膜１２の表裏両面
に積層固着する第２工程を示し、図４の（ｃ）は、両織
布１１とナフィオン膜１２をホットプレス加工にて積層
固着する第３工程を示している。
【００１８】図４に示した工程を経て形成された固体電
解質膜１０Ａでは、上記した実施形態の効果が得られる
とともに、ガラス電解質を付着形成した織布１１を電極
として使用することが可能であり、当該固体電解質膜１
０Ａを用いて燃料電池を構成する際に上記実施形態の電
極２０を用いることなくコンパクトとすることが可能で
ある。
解質膜１０Ａでは、上記した実施形態の効果が得られる
とともに、ガラス電解質を付着形成した織布１１を電極
として使用することが可能であり、当該固体電解質膜１
０Ａを用いて燃料電池を構成する際に上記実施形態の電
極２０を用いることなくコンパクトとすることが可能で
ある。
【図１】 本発明による固体電解質膜の一製造工程を概
略的に示した工程図である。
略的に示した工程図である。
【図２】 図１に示した固体電解質膜と電極（白金系触
媒を坦持したカーボンを塗布したカーボンクロス）を一
体化する工程を概略的に示した工程図である。
媒を坦持したカーボンを塗布したカーボンクロス）を一
体化する工程を概略的に示した工程図である。
【図３】 比較用の固体電解質膜を用いて構成した燃料
電池の周囲温度に応じた起電力の変化と、本発明による
固体電解質膜を用いて構成した燃料電池の周囲温度に応
じた起電力の変化を示した性能比較線図である。
電池の周囲温度に応じた起電力の変化と、本発明による
固体電解質膜を用いて構成した燃料電池の周囲温度に応
じた起電力の変化を示した性能比較線図である。
【図４】 本発明による固体電解質膜の他の製造工程を
概略的に示した工程図である。
概略的に示した工程図である。
【符号の説明】
１０…固体電解質膜、１１…織布、１２…ナフィオン
膜、２０…電極、２１…カーボンクロス。
膜、２０…電極、２１…カーボンクロス。
Claims (2)
- 【請求項１】 ガス透過性と耐熱性を有する無機系素材
の織布または不織布にガラス電解質を付着形成させ、同
織布または不織布の表裏両面に、官能基を有する含フッ
素重合体膜を積層固着して形成した固体電解質膜。 - 【請求項２】 ガス透過性と耐熱性を有する無機系素材
の織布または不織布にガラス電解質を付着形成させ、同
織布または不織布を、官能基を有する含フッ素重合体膜
の表裏両面に積層固着して形成した固体電解質膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002120932A JP2003317748A (ja) | 2002-04-23 | 2002-04-23 | 固体電解質膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002120932A JP2003317748A (ja) | 2002-04-23 | 2002-04-23 | 固体電解質膜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003317748A true JP2003317748A (ja) | 2003-11-07 |
Family
ID=29537017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002120932A Pending JP2003317748A (ja) | 2002-04-23 | 2002-04-23 | 固体電解質膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003317748A (ja) |
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