JP2004235169A - Solid polymer fuel cell, its manufacturing process and electrolyte film therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電効率及び耐久性にすぐれた固体高分子形燃料電池用電解質膜と、これを用いた固体高分子形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell having excellent power generation efficiency and durability, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.
固体高分子形燃料電池60は、図8に示すように、電解質膜10の一方の側にアノード20、他方の側にカソード22の両電極を配したセル24を、片面に燃料室30が形成された燃料プレート32と、片面に酸化剤室34が形成された酸化剤プレート36によって挟持したセルユニット26を多数積層して構成される。なお、図では1つのセルユニットのみを示している。
As shown in FIG. 8, the polymer
燃料室30には、純水素ガス又は改質器で改質された水素リッチガスなどの燃料ガスが供給される。また、酸化剤室34には、ファンなどによって送給された酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。
The
燃料ガスと酸化剤ガスが供給されると、アノード側では、燃料ガス中の水素ガスがH2→2H++2e-の反応によってプロトンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜を通ってカソードに進み、電子は外部回路(図示せず)を流れる。カソードでは、酸化剤中の酸素ガスと、固体高分子電解質膜を通って移動したプロトン、及び外部回路を通って流入した電子が、1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応により、水を生ずるとともに起電力を発生する。 When the fuel gas and the oxidizing gas are supplied, on the anode side, the hydrogen gas in the fuel gas generates protons and electrons by a reaction of H 2 → 2H + + 2e − . Protons pass through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode, and electrons flow through an external circuit (not shown). At the cathode, oxygen gas in the oxidant, protons that have moved through the solid polymer electrolyte membrane, and electrons that have flowed through the external circuit are reacted by a reaction of 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O. It generates water and generates electromotive force.
電解質膜10は、図8に示すように、膜厚Cが全面に亘ってほぼ均一に形成されており、アノード20及びカソード22の両電極は、図9に示すように、燃料室30、酸化剤室34と対向する領域(以下「電極形成領域」という)に形成されている。
As shown in FIG. 8, the
電解質膜10の電極の形成されない外周領域14と、燃料プレート32及び酸化剤プレート36の外周部分との間には、反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材40が、図9に示すように、燃料室30及び酸化剤室34の外側を夫々一周して装着されている。
As shown in FIG. 9, a
電解質膜10は、電気抵抗を低減すると共に、膜中の水移動を活発化させ、さらに湿潤状態を容易に維持するために、薄く形成することが望ましい。しかしながら、電解質膜10を薄くすると、外周シール部分での強度が低下して、電解質膜10が破損することがある。シール部分で電解質膜10が破損すると、反応ガスが漏洩するため、燃料ガスや酸化剤ガスの利用率が低下し、発電効率が低下してしまう。
The
本発明の目的は、発電効率を低下させることなく、強度を高めた電解質膜及びこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane having increased strength without lowering the power generation efficiency, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.
上記課題を解決するために、本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜10は、アノード20及びカソード22の両電極が形成される電極形成領域12と、電極が形成されない外周領域14を有する固体高分子形燃料電池用電解質膜であって、電極形成領域12の膜厚を、外周領域14の膜厚よりも薄くなるように形成したものである。
In order to solve the above problem, the polymer electrolyte membrane for a polymer
また、本発明の固体高分子形燃料電池60は、電解質膜10の一方の電極形成領域12にアノード20、他方の電極形成領域12にカソード22を形成したセル24に対し、アノード側に燃料室30、カソード側に酸化剤室34を形成してなるセルユニット26を複数積層した固体高分子形燃料電池において、電解質膜10として、電極形成領域12の膜厚を、外周領域14の膜厚よりも薄くなるように形成した電解質膜を用いているものである。
Further, the polymer
本発明の電解質膜10は、アノード20及びカソード22の両電極が形成される電極形成領域12の膜厚を薄く形成しているから、電気抵抗が小さく、また、電解質膜中での水移動を活発化でき、さらに電解質膜の湿潤状態を容易に維持することができる。
In the
また、両電極が形成されない外周領域14の膜厚を厚くしているから、強度が高く、シール部材40が強く押し当てられても破損することはない。従って、反応ガスの漏洩は防止され、燃料ガスや酸化剤ガスについての所定の利用率を確保することができる。
Further, since the film thickness of the outer
本発明の電解質膜10を利用した固体高分子形燃料電池60は、高いセル性能を有すると共に、長寿命化を達成できる。
The polymer
電解質膜10は、パーフルオロカーボンスルホン酸などの高分子材料から形成することができる。
The
電解質膜10は、電極形成領域12の膜厚を薄くするために、図1(b)に示すように、電極形成領域12に対応する部分が凸形状に張り出した膜型52に、イオン交換樹脂溶液(例えば、Nafion溶液:アルドリッチケミカル社製)を流し込み、溶媒を揮発させることによって作製することができる。膜型52を用いて作製された電解質膜10を図1(a)に示している。また、作製された凹形状の電解質膜を張り合わせたり、凸形状の膜型52を2個準備し、両面から押し当てることによって、両面が凹んだ電解質膜を作製することもできる。
In order to reduce the film thickness of the
また、図2に示すように、膜厚がほぼ均一な電解質材11の片面又は両面に、電極形成領域に相当する部分が切り取られた電解質材11aを配置し、ホットプレスなどによって、これら電解質材11、11aを接合して、電解質膜10を作製することもできる。
As shown in FIG. 2, an electrolyte material 11a having a portion corresponding to an electrode formation region is disposed on one or both sides of an electrolyte material 11 having a substantially uniform film thickness, and these electrolyte materials are hot-pressed or the like. The
セル24は、電解質膜10の電極形成領域12に、図3に示すように、白金担持カーボンを材料とするアノード20及びカソード22を、ホットプレスにより接合して作製される。
As shown in FIG. 3, the
セル24を挟持するプレート32、36は、カーボン多孔体から作製され、図9に示すように、両プレートの内、アノード側の燃料プレート32には、アノードに対向して燃料室30が形成され、カソード側の酸化剤プレート36には、カソードに対向して酸化剤室34が形成されている。なお、図では、燃料プレート32と酸化剤プレート36を夫々別部材で形成しているが、燃料室の裏面に酸化剤室を形成した所謂バイポーラプレート(図示せず)から構成することもできる。
The
セルユニット26は、図9に示すように、上記セル24の外周領域の両面に夫々シール部材40を配し、アノードと燃料室30、カソードと酸化剤室34が対向するように、両プレートでセルを挟持することによって作製される。
As shown in FIG. 9, the
図3は、本発明のセルユニット26の断面図である。図に示すように、本発明の電解質膜10は、外周領域の膜厚Bを電極形成領域の膜厚Aよりも厚くしているから、図8示すように、膜厚Cが全面に亘ってほぼ同じである従来の電解質膜10を使用した場合に比べて、外周領域の強度を高めることができる。
FIG. 3 is a sectional view of the
上記構成のセルユニット26を多数積層することによって固体高分子形燃料電池60が作製され、作製された固体高分子形燃料電池60の燃料室30に燃料ガス、酸化剤室34)に酸化剤ガスを供給することによって発電を行なうことができる。
A polymer
電極形成領域12の膜厚A(最小値)に対する外周領域14の膜厚B(平均値)を、種々変えた電解質膜10を準備し(表1参照)、これら電解質膜10に電極を形成したセル1乃至セル4を用いた固体高分子形燃料電池60を組み立てて、セル性能の比較を行なった。膜厚の比A/Bを併せて表1に示す。
得られた両電極を、電解質膜の電極形成領域12に、150℃、50kg/cm2の条件で、60秒間ホットプレスして、セル1及びセル4を作製した。
Both of the obtained electrodes were hot-pressed in the
作製されたセルを用いてセルユニット26を組み立て、運転開始直後と、500時間運転後のセル電圧を測定した。なお、運転条件は、電流密度0.5A/cm2、セル温度80℃、燃料ガス利用率70%、酸化剤ガス(空気)利用率20%である。
The
結果を図4に示す。図4を参照すると、電池運転開始直後のセル電圧は、外周領域14の膜厚Bの厚さに拘わらず、ほぼ同じであった。これは、運転開始直後は、電解質膜10の外周領域14における劣化が生じていないためである。一方、500時間運転後は、外周領域14の膜厚Bが厚いほど、高いセル電圧を示しており、外周領域14の膜厚Bが薄いセル、つまり、膜厚の比A/Bが大きいセルほど、セル電圧の減少が大きいことがわかる。これは、外周領域14の膜厚Bが薄いほど、電解質膜10の外周シール部分における強度が低いためであり、長時間の運転によって、シール部分が破損して、ガスリークを生じ、セル電圧が低下したためである。逆に、外周領域14の膜厚Bが厚いセル、つまり、膜厚の比A/Bが小さいセルは、外周シール部分における強度が高いため、長時間の運転後も、シール部分からのガスリークはほとんど生じず、高いセル電圧を維持している。
FIG. 4 shows the results. Referring to FIG. 4, the cell voltage immediately after the start of the battery operation was substantially the same regardless of the thickness B of the outer
これらの結果より、膜厚の比A/Bは、0.7以下とすることが望ましい。 From these results, it is desirable that the film thickness ratio A / B be 0.7 or less.
一方、膜厚の比A/Bを0.1よりも小さくすること(外周領域の膜厚Bを電極形成領域の膜厚Aの10倍よりも大きくすること)は、製造上困難であり、また、図4からもわかるとおり、膜厚の比A/Bを0.1よりも小さくしても、これ以上の性能向上は期待できない。さらに、発電に直接寄与しない外周領域の膜厚を必要以上に厚くすると、電解質膜の材料コストが高くなる不都合がある。 On the other hand, it is difficult to make the film thickness ratio A / B smaller than 0.1 (the film thickness B in the outer peripheral region is larger than 10 times the film thickness A in the electrode forming region) in production. Further, as can be seen from FIG. 4, even if the film thickness ratio A / B is smaller than 0.1, further improvement in performance cannot be expected. Further, if the thickness of the outer peripheral region that does not directly contribute to power generation is made unnecessarily large, there is a disadvantage that the material cost of the electrolyte membrane increases.
従って、膜厚の比A/Bは、0.1以上とすることが望ましい。 Therefore, it is desirable that the film thickness ratio A / B be 0.1 or more.
つぎに、電極形成領域12の膜厚Aと外周領域14の膜厚Bの比A/Bを一定にしつつ、膜厚Aと膜厚Bを表2に示すように変えた電解質膜10を準備し、これら電解質膜10に電極を形成したセル5及びセル10を用いた固体高分子形燃料電池60を組み立てて、運転開始直後のセル電圧を測定した。なお、電解質膜10の膜厚が異なる以外、製造条件、実験条件等は、実施例1と同じである。
Next, an
電極形成領域12の膜厚Aと、セル電圧との関係を示す実験結果を図5に示す。
FIG. 5 shows experimental results showing the relationship between the film thickness A of the
従って、電極形成領域12の膜厚Aは、5μm以上200μm以下にすることが望ましい。
Therefore, it is desirable that the film thickness A of the
つぎに、外周領域14の膜厚Bが、電解質膜10の耐久性に及ぼす影響を調べるために、電解質膜10の湿潤と乾燥を繰り返すサイクル試験を行ない、試験後のガスリーク量を調べた。サイクル試験には、図6に示すように、電極形成領域12の膜厚Aが、外周領域14の膜厚Bと同じ厚さの電解質膜10を用いたセルユニット26を使用した。なお、本実施例において、膜厚Aと膜厚Bを同じ厚さにしたのは、本実施例におけるサイクル試験が、外周領域14におけるガスリークの測定を目的としたものであり、ガスリークが生じない電極形成領域12の膜厚は、外周領域14からのガスリークとは直接関係しないためである。
Next, in order to examine the influence of the thickness B of the outer
実験には、10cm角で外周領域14の膜厚Bが表3に示す厚さの電解質膜10(パーフルオロカーボンスルホン酸製)の外周両面にシール部材40を配して、実施例1と同じ条件でセルユニット26を作製した。
In the experiment, the sealing
上記サイクルを行なうことによって、電解質膜10は、膨張と収縮、湿潤と乾燥を繰り返す。その結果、強度の低い電解質膜10は、外周シール部分にて劣化が加速的に進行するので、本サイクル試験によって、短時間で電解質膜10の耐久性を判断できる。
By performing the above cycle, the
100回のサイクル終了後、外部と1atmの差圧が生じるように、セルユニットの内部にN2ガスを導入し、密閉状態で5分間放置し、5分経過後の内圧変化量を測定した。結果を図7に示す。 After the completion of 100 cycles, N 2 gas was introduced into the cell unit so as to generate a pressure difference of 1 atm from the outside, and the cell unit was allowed to stand in a sealed state for 5 minutes. FIG. 7 shows the results.
図7を参照すると、外周領域14の膜厚Bが10μmよりも薄くなると、内圧が急激に低下しており、ガスリーク量が増大することがわかる。ガスリークが増大すると、燃料ガスや酸化剤ガスの利用率が低下し、発電効率が低下する。このため、外周領域14の膜厚Bは10μm以上とすることが望ましい。
Referring to FIG. 7, when the film thickness B of the outer
上記実施例1乃至実施例3の結果をまとめると、電極形成領域12の膜厚Aと、外周領域14の膜厚Bについて、少なくとも膜厚Aの厚さが膜厚Bの厚さよりも薄い条件の下で、膜厚の比A/Bが0.1以上0.7以下、膜厚Aが5μm以上200μm以下、膜厚Bが10μm以上の3条件の少なくとも1つを満足するように電解質膜10を作製することが望ましく、これら条件のうち2つを満足させることがより望ましく、これら条件をすべて満足させることが最も望ましい。
Summarizing the results of Examples 1 to 3 above, the film thickness A of the
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。 The description of the above embodiments is intended to explain the present invention, and should not be construed as limiting the invention described in the claims or reducing the scope thereof. Further, the configuration of each part of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the technical scope described in the claims.
10 電解質膜
12 電極形成領域
14 外周領域
26 セルユニット
60 固体高分子形燃料電池
Claims (5)
前記電解質膜は、少なくとも一方の面に電極が嵌合する凹みを備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池用電解質膜。 An electrolyte membrane used for a polymer electrolyte fuel cell,
An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the electrolyte membrane has at least one surface with a recess in which an electrode fits.
凸部を有する膜型に前記電解質膜の溶液を投入することよって、前記電解質膜の少なくとも一方の面に電極が嵌合する凹みが形成される溶液投入ステップと、
前記電解質膜の溶液から溶媒分を除去する溶媒除去ステップと、
を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell,
By introducing the solution of the electrolyte membrane into a membrane having a convex portion, a solution introduction step in which a recess for fitting an electrode is formed on at least one surface of the electrolyte membrane,
A solvent removing step of removing a solvent component from the solution of the electrolyte membrane,
A method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
前記電解質膜に部材を押し当てることによって、前記電解質膜の少なくとも一方の面に電極が嵌合する凹みが形成される電解質膜圧縮ステップ
を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell,
Pressing the member against the electrolyte membrane to form a recess in which an electrode is fitted on at least one surface of the electrolyte membrane. An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: Manufacturing method.
第1の電解質材と第2の電解質材とを接合することによって、前記電解質膜の少なくとも一方の面に電極が嵌合する凹みが形成される電解質材接合ステップ
を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell,
An electrolyte material joining step of forming a recess for fitting an electrode on at least one surface of the electrolyte membrane by joining the first electrolyte material and the second electrolyte material. A method for producing an electrolyte membrane for a molecular fuel cell.
前記電解質膜は、少なくとも一方の面に前記電極が嵌合する凹みを備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
In a polymer electrolyte fuel cell comprising: an electrolyte membrane; a first electrode formed on one surface of the electrolyte membrane; and a second electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane.
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane has a concave portion on at least one surface where the electrode fits.
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