JP2006286631A - 燃料電池用高分子電解質膜とその製造方法,燃料電池用膜−電極接合体,および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によれば,微細気孔を有する多孔性支持体と,多孔性支持体の微細気孔の内部表面に存在する金属イオン吸着性物質および水素イオン伝導性高分子とを含むことを特徴とする燃料電池用高分子電解質膜とその製造方法,燃料電池用膜−電極接合体,および燃料電池システムが提供される。
【選択図】図1
Description
図1及び図2は本発明の第1の実施形態に係る燃料電池用高分子電解質膜の断面を拡大して示した模式図である。図1に示したように,本実施形態に係る燃料電池用高分子電解質膜100は,微細気孔101を有する多孔性支持体103の気孔の内部表面に金属イオン吸着性物質及び水素イオン伝導性高分子105が充填されている。また,図2に示したように,燃料電池用高分子電解質膜200は,多孔性支持体203の微細気孔211の内部表面に形成された金属イオン吸着性物質層205及び上記金属イオン吸着性物質層205が形成された多孔性支持体の微細気孔の内部に存在する水素イオン伝導性高分子207を含む。
[含湿された水の質量/(含湿された水+支持体の質量)]×100
(含湿された水の質量)/(含湿された水の質量+高分子の質量)×100(%)
本発明の第2の実施形態によれば,図2に示したように,多孔性支持体203の微細気孔の内部に金属イオン吸着性物質層205を形成した後,水素イオン伝導性高分子207を充填することができる。多孔性支持体,金属イオン吸着性物質,及び水素イオン伝導性高分子は上記で説明した通りである。
(実施例)
16μmの厚さ及び70体積%の気孔度を有し,平均直径が3μmの開放型微細気孔が形成されたポリテトラフルオロエチレンフィルムを準備した。別途に,金属イオン吸着性物質であるポリアクリル酸を水に3質量%の濃度で溶解して製造された溶液,及び15質量%のポリ(パーフルオロスルホン酸)(Nafion112(登録商標),DuPont社製)アルコール溶液を混合した。
16μmの厚さ及び70体積%の気孔度を有し,平均直径が3μmの開放型微細気孔が形成されたポリテトラフルオロエチレンフィルムを準備した。別途に,金属イオン吸着性物質であるポリアクリル酸を水に3質量%の濃度で溶解して溶液を製造した。
20μmの厚さ及び70体積%の気孔度を有し,平均直径が5μmの開放型微細気孔が形成されたポリテトラフルオロエチレンフィルムを準備して,別途に,金属イオン吸着性物質であるゼオライト(1g)をバインダー成分であるNafion(0.2g)と共にイソプロピルアルコール(15g)に分散させて溶解して溶液を製造した。
ポリ(パーフルオロスルホン酸)(Nafion112(登録商標),DuPont社製)70質量%(7g)及びポリアクリル酸30質量%(3g)をジメチルアセテート溶媒100mlの中で混合して高分子電解質膜形成用組成物を製造し,これをフィルム形態に成形して50μmの厚さの高分子電解質膜を製造した。
上記の実施例2でポリアクリル酸水溶液のコーティング段階を省略することを除いては実施例1と同一に実施して,多孔性ポリテトラフルオロエチレンフィルムにポリ(パーフルオロスルホン酸)(Nafion112(登録商標),DuPont社製)を含浸させた燃料電池用高分子電解質膜を製造した。
5 酸化剤供給部
7 スタック
9 燃料タンク
10 燃料電池システム
11 燃料ポンプ
13 ポンプ
19 電気発生部
21 膜−電極接合体
23,25 セパレータ
100,200 燃料電池用高分子電解質膜
101,211 微細気孔
103,203 多孔性支持体
105,207 水素イオン伝導性高分子
205 金属イオン吸着性物質層
Claims (22)
- 微細気孔を有する多孔性支持体と,
前記多孔性支持体の前記微細気孔の内部表面に存在する,金属イオン吸着性物質および水素イオン伝導性高分子と,
を含むことを特徴とする,燃料電池用高分子電解質膜。 - 前記多孔性支持体は,膨張比で5質量%以下の含湿性を有することを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記多孔性支持体は,気孔度が前記多孔性支持体の体積全体に対して40〜90体積%であることを特徴とする,請求項1または2に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記多孔性支持体に形成された前記微細気孔は,開放型微細気孔であることを特徴とする,請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記多孔性支持体に形成された前記微細気孔は,平均直径が1〜10μmであることを特徴とする,請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記多孔性支持体は,ポリオレフィン,ポリエステル,ポリスルホン,ポリイミド,ポリエーテルイミド,ポリアミド,ポリテトラフルオロエチレン,レーヨン,およびガラス繊維からなる群から選択される1種以上の高分子,または,前記高分子の共重合体を含むことを特徴とする,請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記高分子電解質膜は,前記多孔性支持体の前記微細気孔の内部表面に形成された前記金属イオン吸着性物質層と,
前記金属イオン吸着物質層が形成された前記微細気孔の内部に充填された前記水素イオン伝導性高分子と,
を含むことを特徴とする,請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。 - 前記金属イオン吸着性物質層は,平均の厚さが0.01〜1μmであることを特徴とする,請求項7に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記金属イオン吸着性物質は,−COOHまたは−OH基を有する高分子,および無機物からなる群から選択される1種以上であることを特徴とする,請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記金属イオン吸着性物質は,ポリアクリル酸,ポリメタクリル酸,ポリヒドロキシアルキルメタクリレート,ゼオライト,シリカ,およびアルミナからなる群から選択される1種以上であることを特徴とする,請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記燃料電池用高分子電解質膜は,当該燃料電池用高分子電解質膜の体積全体に対して40〜90体積%の水素イオン伝導性高分子を含むことを特徴とする,請求項1〜10のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記水素イオン伝導性高分子は,膨張比で5〜50質量%の含湿性を有することを特徴とする,請求項1〜11のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記水素イオン伝導性高分子は,パーフルオロ系高分子,ベンズイミダゾル系高分子,ポリイミド系高分子,ポリエーテルイミド系高分子,ポリフェニレンスルフィド系高分子,ポリスルホン系高分子,ポリエーテルスルホン系高分子,ポリエーテルケトン系高分子,ポリエーテル-エーテルケトン系高分子,及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなる群から選択される1種以上であることを特徴とする,請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 金属イオン吸着性物質及び水素イオン伝導性高分子を含むことを特徴とする,燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記金属イオン吸着性物質は,−COOHまたは−OH基を有する高分子および無機物からなる群から選択される1種以上であることを特徴とする,請求項14に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記水素イオン伝導性高分子は,膨張比で5〜50質量%の含湿性を有することを特徴とする,請求項14または15に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記水素イオン伝導性高分子は,パーフルオロ系高分子,ベンズイミダゾル系高分子,ポリイミド系高分子,ポリエーテルイミド系高分子,ポリフェニレンスルフィド系高分子,ポリスルホン系高分子,ポリエーテルスルホン系高分子,ポリエーテルケトン系高分子,ポリエーテル-エーテルケトン系高分子,及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなる群から選択される1種以上であることを特徴とする,請求項14〜16のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記燃料電池用高分子電解質膜は,前記金属イオン吸着性物質及び前記水素イオン伝導性高分子を,5:95〜50:50の質量比で含むことを特徴とする,請求項14〜17のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 前記燃料電池用高分子電解質膜は,前記水素イオン伝導性高分子及び前記金属イオン吸着性物質を混合してコーティング溶液を製造した後,離型フィルム上にコーティング及び乾燥して離型フィルムを剥離する段階を含む製造方法によって製造されることを特徴とする,請求項14〜18のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜。
- 微細気孔を有する多孔性支持体を準備する工程と,
前記多孔性支持体の前記微細気孔の内部表面に金属イオン吸着性物質及び水素イオン伝導性高分子を充填する工程と,
を含むことを特徴とする,燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。 - 互いに対向して設けられるアノード電極及びカソード電極と,
前記アノード電極と前記カソード電極との間に配設される高分子電解質膜と,
を含み,
前記高分子電解質膜は,請求項1〜19のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜であることを特徴とする,燃料電池用膜−電極接合体。 - 互いに対向して設けられるアノード電極及びカソード電極と前記アノード電極と前記カソード電極との間に配設される請求項1〜19のいずれかに記載の高分子電解質膜とを含む少なくとも一つの膜−電極接合体と,セパレータと,を含み,燃料及び酸化剤の電気化学的な反応によって電気を発生させる少なくとも一つの電気発生部と,
前記燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部と,
前記酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部と,
を含むことを特徴とする,燃料電池システム。
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