JP2004063430A

JP2004063430A - 燃料電池用固体高分子電解質膜

Info

Publication number: JP2004063430A
Application number: JP2002224232A
Authority: JP
Inventors: Mineo Wajima; 和島　峰生
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】ＰＴＦＥを補強基材とした電解質膜のような高コスト化と基材の撥水性の問題がなく、さらに、薄肉構成からくるクロスオーバ現象のない実用性の高い燃料電池用固体高分子電解質膜を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質を補強基材に含浸させて構成される燃料電池用固体高分子電解質膜において、補強基材をセルローズ等の繊維質材より構成する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用固体高分子電解質膜に関し、特に、安価な特質を有するとともに、補強基材に撥水性の問題がなく、さらに、ＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール燃料電池）に適用したとき、メタノール燃料のクロスオーバを抑えた燃料電池用固体高分子電解質膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、燃料電池を模擬的に示したもので、電解質膜１を、その両側よりアノード２とカソード３とで挟み、これらアノード２およびカソード３の外側にそれぞれガス拡散層４および５を配置した構造を基本構成とする。
【０００３】
この構成において、電解質膜１は、パーフルオロスルホン酸系等のイオン導電性樹脂を成分とした固体高分子電解質より構成するのが普通であり、一方、触媒層６は、炭素系粒子等の担体上への白金等の貴金属触媒担持品とイオン導電性樹脂より構成するとともに、燃料中にＣＯを含む場合にはアノード側にルテニウム混合の白金を適用するのが通例である。
【０００４】
また、ガス拡散層４および５の構成材としては、多くの場合、導電性と通気性に優れたカーボン繊維のペーパ、織布あるいは不織布等を適用するのが普通であり、そして、以上のように構成される燃料電池は、以下のように機能する。
【０００５】
まず、燃料となる水素ガスがアノード２側より導入されて固体高分子電解質膜１表面の触媒層６と接触させられ、これにより活性水素イオン（プロトン）と電子とを生成する。次に、生成した水素イオンは、固体高分子電解質膜１内を通過した後、カソード３側において、ガス拡散層５を通してカソード３に供給される酸素ガスと外部回路を経てカソード３に供給される電子とに反応することによって水を生成する。
【０００６】
以上が燃料電池としての機能経緯であり、この間の反応をアノードおよびカソード別にまとめると、下記式のようになる。
アノード：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻カソード：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
【０００７】
ところで、前述した構成における電解質膜１としては、イオン導電性の固体高分子電解質を膜状に成型した単一構成体と、イオン導電性の固体高分子電解質を補強基材に含浸させた複合形式によるものとが一般に使用されている。
【０００８】
前者の例としては、デュポン社製のナフィオン膜、あるいは旭ガラス社製のフレミオン膜のようなパーフルオロスルホン酸系ポリマからの直接成型体が知られており、一方、後者の例としては、ジャパンゴアテックス社製のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ膜に代表される延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を補強基材としたものが知られている。
【０００９】
これらの膜は、いずれも、燃料電池用電解質膜として有用性が高く、それぞれに高い評価を受けている。しかし、電解質を直接成型した前者の電解質膜によると、膜が含水によって膨潤する弱点を有しているとともに、機械的強度が充分でないことからくるセル組立工程の煩雑性、あるいは電池内での破れやすさ等の問題を有しており、従って、最近では、これらの問題を有しない後者の複合形式による電解質膜が多用される傾向にある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＰＴＦＥを補強基材とした従来の電解質膜によると、ＰＴＦＥ特有の高コスト化の問題を有するとともに、ＰＴＦＥの高撥水性が電解質の含浸時あるいは動作上における水分による電解質湿潤時に好ましくない影響を与えることが多い。
【００１１】
また、このタイプの電解質膜においては、高コスト化抑制のために薄肉設計が常識かつ前提となるが、膜が薄くなると、ＤＭＦＣを適用対象とするとき、メタノール燃料が膜中を通過してカソード側に到達する、いわゆるクロスオーバ現象が発生しやすくなる。
【００１２】
従って、本発明の目的は、構成中に補強基材を組み入れた電解質膜において、ＰＴＦＥを補強基材としたときのような高コスト化と基材の撥水性の問題がなく、さらに、厚肉構成からくるクロスオーバ現象の少ない実用性の高い燃料電池用固体高分子電解質膜を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、固体高分子電解質を補強基材に含浸させて構成される燃料電池用固体高分子電解質膜において、
前記補強基材は、セルローズ等の繊維質材より構成されることを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質膜を提供するものである。
【００１４】
上記の繊維質材としては、セルローズ以外にポリアミド繊維等の合成繊維も使用可能である。なお、繊維質材が撥水性を有する場合には、固体高分子電解質の含浸を良好にするとともにスルーホール不良の発生を防ぐ意味から、親水処理を施すことが好ましい。
【００１５】
また、天然セルローズ繊維を適用するときには、これに元来含まれる金属元素成分、あるいはパルプ化の際に含まれる塩基性成分は、燃料電池の性能および寿命に悪影響を与えるため、できるだけ少なくすることが好ましい。この意味から、酸、アルカリ洗浄により金属イオン等を除去した濾紙の使用は、本発明を具現化するうえにおいて最も好ましい実施形態となる。
【００１６】
なお、本発明に使用される固体高分子電解質としては、含ふっ素高分子をポリマ骨格とし、これにスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基あるいはホスホン基等を結合させたイオン導電性樹脂が好ましい例として挙げられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による燃料電池用固体高分子電解質膜の実施の形態を説明する。
まず、パーフルオロスルホン酸系ポリマであるナフィオンのアルコール液（ポリマ成分２０％、デュポン社製）を補強基材としての濾紙（アドバンテック社製セルローズ繊維紙Ｎｏ．４Ａ）に含浸させ、次いで、これを６０℃のホットプレート上で乾燥させる工程を繰り返し３回実施することにより、所定の燃料電池用固体高分子電解質膜を製作した。
【００１８】
なお、この電解質膜の製作過程において、ポリマ含浸前後における濾紙の厚さを測定したところ、含浸する前の厚さ１２０μｍが、含浸および乾燥を施した後には、１５０μｍの厚さに増えていることが確認された。
【００１９】
図１の（ａ）および（ｂ）は、ポリマ含浸前後の濾紙の顕微鏡写真を示したものである。含浸および乾燥処理後を対象とした後者の写真からは、セルローズ繊維間への充分かつ良好な状態での電解質ポリマの含浸が認められる。なお、前述したアルコール液中の電解質ポリマの態様は分散状態であり、一旦乾燥後すると、殆どの液体に溶解しにくくなるため、濾紙から分離するようなことは起こり得ない。
【００２０】
次に、以上により得られた固体高分子電解質膜の性能を確認するため、この膜を図２の燃料電池に組み込み、アノード極側の燃料に純水素を供給するとともに、カソード極側に大気を供給することによって電池性能を測定したところ、実用的電流密度０．５Ａ／ｃｍ^２当たり約０．６Ｖの端子間電圧が得られた。この値は、燃料電池として充分な水準にあるといえる。
【００２１】
また、同じ固体高分子電解質膜をメタノール燃料電池の電解質膜として組み込み、その発電効率とクロスオーバ現象発生の有無とを確認したところ、固体高分子電解質単体の膜を使用したときと同等の発電効率を示し、さらに、クロスオーバ現象の発生の兆候がほとんど認められなかった。１５０μｍという電解質膜の充分な厚さが、クロスオーバ現象を防いでいることは明らかである（ＰＴＦＥを基材とした電解質膜の厚さは、平均で２０〜３０μｍ）。
【００２２】
そして、この実施の形態によれば、以上の利点以外に、濾紙を補強基材とすることによる優れた低廉性を有しているとともに、非撥水性ゆえの良好な電解質含浸性を備えており、さらには、天然セルローズ構成にも拘わらず金属イオン等を含まない品質上の利点をも備えており、従って、従来のＰＴＦＥを基材とした電解質膜と比べたとき、実用性の格段に高い燃料電池用固体高分子電解質膜を提供することが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による燃料電池用固体高分子電解質膜によれば、固体高分子電解質を補強基材に含浸させた構成の固体高分子電解質膜において、補強基材としてセルローズ等の繊維質材を使用しているため、ＰＴＦＥを補強基材とする電解質膜のような高コスト化および基材の撥水性の問題がなく、さらには、薄肉構成からくるクロスオーバ現象のない実用性の高い燃料電池用固体高分子電解質膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池用固体高分子電解質膜の実施の形態を示す説明図であり、（ａ）は電解質含浸前の基材の顕微鏡写真、（ｂ）は電解質含浸後の顕微鏡写真を示す。
【図２】燃料電池の構成を模擬的に示す説明図。
【符号の説明】
１　　　固体高分子電解質膜
２　　　アノード
３　　　カソード
４、５　　　ガス拡散層
６　　　触媒層

Claims

固体高分子電解質を補強基材に含浸させて構成される燃料電池用固体高分子電解質膜において、
前記補強基材は、セルローズ等の繊維質材より構成されることを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質膜。
前記補強基材は、濾紙より構成されることを特徴とする請求項１項記載の燃料電池用固体高分子電解質膜。