JP2007042617A - 燃料電池用隔膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池用隔膜6は、全重合性単量体中に占める二官能以上の架橋性単量体の割合が0.5〜40モル%の単量体組成物を重合させて膜形成させた架橋型のイオン交換樹脂からなる固体高分子電解質膜の少なくとも一方の表面に、該イオン交換樹脂の有するイオン交換基とは逆極性の荷電基を有する重量平均分子量が5000〜100万の重合体が0.0001〜0.5mg/cm2付着されてなる。
【選択図】図1
Description
一方、予め既知の量の逆極性重合体をポリエチレンテレフタレートフィルム上に塗布し、同様にしてスペクトルの吸収強度を測定する。このデータにより、逆極性重合体量とスペクトルの吸収強度との関係を示す検量線が作製される。この検量線を用いて、前記測定した試料の吸収強度に対応する逆極性重合体の付着量(単位平面積(cm2)当たり)が算出される(以下、この測定方法を、「ATR法」と称する)。
この方法において、ゲルマニウム光学結晶は、通常、20mm×50mm×3mmのものが用いられ、測定に供する固体高分子電解質膜は、10mm×45mmの面積のものが用いられる。
固体高分子電解質膜表面に付着している逆極性重合体の付着量は、必ずしも均一ではない。しかし、付着量が多い箇所や少ない箇所の微細なバラツキは前記程度の面積のゲルマニウム光学結晶を用い、前記程度の大きさの固体高分子電解質膜を測定試料として用いれば、測定結果にほとんど影響を与えない。
上記ATR法では、逆極性重合体の付着量が0.001mg/cm2よりも少なくなると、その測定精度が低下し、該逆極性重合体の付着量の測定精度が低下する。したがって、固体高分子電解質膜の表面に付着する逆極性重合体の付着量が、0.001mg/cm2を下回り、0.0001mg/cm2に至るまでの範囲の場合には、前記した溶媒浸漬法を応用した次の方法によって、その表面への付着量が求められる。
まず、本発明の燃料電池用隔膜に対して、前記した溶媒浸漬法を実施して、この方法による逆極性重合体の付着量を求める。前記したように本発明の燃料電池用隔膜において、逆極性重合体は膜の内部へは殆ど侵入せず、その多くは膜表面に付着している。したがって、この方法によって求められる逆極性重合体の量は、膜表面における付着量に極めて近い値になるが、この測定方法では、以下の測定により、逆極性重合体の内部への実質的な浸入量も求めて、この値を差し引くことで、より正確な表面への付着量を求める。
すなわち、前記と同じ方法で作成した燃料電池隔膜の表層部を、サンドブラスト処理で1μmの厚さ削り取る。このようにして得られた、表層部を削り取った燃料電池隔膜を用いて、再び、溶媒浸漬法を実施して、その量を求めることにより、該表層部を削り取った燃料電池隔膜内に浸入していた逆極性重合体の実質的な量を求める。なお、前記ATR法において、測定に用いる赤外線は固体高分子電解質膜の表層への透過深さは一般に0.4μm程度と推定されるため、上記燃料電池隔膜の表層部を1μm削り取れば、該方法により逆極性重合体の表面への付着量として測定していた部分は除去できる。
そうして、表層部を削り取る前の逆極性重合体の量から、表層部を削り取った後の逆極性重合体の量を差し引くことで、本発明の燃料電池隔膜の表面に付着した逆極性重合体の正確な量を求めることができる。
この方法において、溶出させる隔膜も、通常、8cm×8cmのものが用いられる。この場合にも、逆極性重合体の隔膜表面への付着量にバラツキがあったとしても、上記程度の面積の隔膜を用いれば、バラツキが測定結果に影響を及ぼすことはほとんどない。
燃料電池用隔膜を1mol/l−HCl水溶液に10時間以上浸漬する。
含水率=100×(W−D)/D[%]
2)膜抵抗
白金黒電極を備えた2室セル中に燃料電池用隔膜を挟み、隔膜の両側に3mol/L−硫酸水溶液を満たして、交流ブリッジ(周波数1000サイクル/秒)により25℃における電極間の抵抗を測定した。同様にして燃料電池用隔膜を設置せずに電極間の抵抗を測定し、これと隔膜を設置した場合の電極間の抵抗の差により膜抵抗を求めた。上記測定に使用する隔膜は、あらかじめ3mol/L−硫酸水溶液中で平衡にしたものを用いた。
0.5mol/l水酸化ナトリウム水溶液とメタノールの等質量混合溶液40mlを用意した。この溶液に、逆極性重合体が付着した燃料電池用隔膜(8cm×8cm)を、室温で16時間浸漬し、逆極性重合体を溶出させた。次いで、得られた溶液を液体クロマトグラフィーで分析した。ポリ4−ビニルピリジン(重量平均分子量16万)、またはポリエチレンイミン(重量平均分子量7万)を用いて作製した検量線を用いて、溶出した逆極性重合体量を求めた。この測定結果を燃料電池用隔膜の上下両面の面積(128cm2)で除して、燃料電池用隔膜片面の単位面積(cm2)当たりの付着量を算出し、この値を逆極性重合体の付着総量とした。
・ATR法(付着量が0.001mg/cm2以上の場合に適用)
逆極性重合体が付着した燃料電池用隔膜(10mm×45mm)2枚をゲルマニウム光学結晶(20mm×50mm×3mm)の上下両面に重ねて試料を調製した。25℃で50%RHの環境下で、赤外分光装置(パーキンエルマー製スペクトラムワン)を用いて、全反射吸収スペクトル法に従って、入射角45°で、前記試料の多重反射法赤外分光スペクトルを測定した。
・溶媒浸漬法を応用した方法(付着量が0.001mg/cm2未満の場合に適用)
まず、上記3)で説明した溶媒浸漬法を実施して、この状態での逆極性重合体の付着総量を求めた。
作成直後の燃料電池用隔膜−触媒電極接合体を用い、JISK−5400のXカットテープ法に準拠し、テープ剥離試験を行った。テープ剥離後、イオン交換膜上に残った電極層の状態を目視で10点法により評価し、作成直後の接合性とした。
燃料電池用隔膜−触媒電極接合体を、厚みが200μmであり、空孔率が80%のカーボンペーパーで挟み込み、図1に示す構造の燃料電池セルに組み込んだ。次いで、燃料電池セル温度を30℃に設定し、大気圧で加湿温度30℃の水素と空気をそれぞれ200ml/min、500ml/minの流量で供給して発電試験を行ない、電流密度0A/cm2、0.2A/cm2におけるセルの端子電圧を測定した。
燃料電池用隔膜−触媒電極接合体を、厚みが200μmであり、空孔率が80%のカーボンペーパーで挟み込み、図1に示す構造の燃料電池セルに組み込んだ。次いで、燃料電池セル温度を25℃に設定し、燃料極側に20重量%メタノール水溶液を1ml/minの流量で供給し、酸化剤極側には大気圧の酸素を200ml/minで供給して発電試験を行ない、電流密度0A/cm2、0.1A/cm2におけるセルの端子電圧を測定した。
上記の燃料電池出力電圧の測定後、水素燃料型では25℃、0.2A/cm2で、また、直接メタノール型では25℃、0.1A/cm2で連続発電試験を行い、250時間後の出力電圧を測定し、燃料電池用隔膜−触媒電極接合体の耐久性を評価した。
スチレン100質量部、ジビニルベンゼン10質量部(全重合性単量体中8.0モル%)、t−ブチルパーオキシエチルヘキサノエート5質量部よりなる単量体組成物を調整し、これにポリエチレン(PE、重量平均分子量25万)製の多孔質膜(膜厚25μm、空隙率37%、平均孔径0.03μm)を大気圧下、25℃で10分浸漬し、単量体組成物を含浸させた。
製造例1の単量体組成物と多孔質膜を表1に示すものに変えた以外は同様にして陽イオン交換膜を得た。これら陽イオン交換膜のイオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚を測定した結果を表2に示した。
製造例1の陽イオン交換膜を室温で24時間乾燥した後、4−ビニルピリジン100質量部、ジビニルベンゼン80質量部(全重合性単量体中39.0モル%)、t−ブチルパーオキシエチルヘキサノエート5質量部、トルエン900質量部、ピリジン200質量部よりなる単量体組成物中に室温で30分間浸漬した。
クロルメチルスチレン90質量部、ジビニルベンゼン10質量部(全重合性単量体中8.0モル%)、ポリエチレングリコールジエポキシド(分子量400)5質量部、t−ブチルパーオキシエチルヘキサノエート5質量部よりなる単量体組成物を調整し、これにポリエチレン(PE、重量平均分子量25万)製の多孔質膜(膜厚25μm、空隙率37%、平均孔径0.03μm)を大気圧下、25℃で10分浸漬し、単量体組成物を含浸させた。
製造例1の陽イオン交換膜を、ポリエチレンイミン(重量平均分子量1万)の0.3質量%水溶液に室温で15分間浸漬した。次いで、上記陽イオン交換膜を取り出した後、25℃、大気圧下で16時間、さらに40℃の減圧下で5時間乾燥して、本発明の燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を測定した結果を表4に示した。
ポリエチレンイミンの重量平均分子量を7万に変えた以外は、実施例1と同様にして燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を表4に示した。
製造例1の陽イオン交換膜をそのまま燃料電池用隔膜として、実施例1と同様にして燃料電池用隔膜−触媒電極接合体を作成した。接合性、水素燃料型での燃料電池出力電圧、水素燃料型燃料電池での耐久性を評価した結果を表4に示した。
ポリエチレンイミンの重量平均分子量を600に変えた以外は、実施例1と同様にして燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を表4に示した。
非架橋の陽イオン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸膜(Du Pont社製Nafion117、膜物性は表2に記載)を用いた以外は実施例1と同様にして、ポリエチレンイミンを付着させた燃料電池用隔膜を得た。本燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を表4に示した。
製造例1の陽イオン交換膜を、ポリ−2−ビニルピリジン(重量平均分子量1.6万)の0.2質量%メタノール溶液に室温で15分間浸漬した。次いで、上記陽イオン交換膜を取り出した後、25℃、大気圧下で10時間乾燥して、本発明の燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を表4に示した。
陽イオン交換膜、付着させる逆極性重合体の種類、逆極性重合体のメタノール溶液濃度を表3に示したものに変えた以外は実施例3と同様にして燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を表4に示した。
製造例1の陽イオン交換膜を、ポリ2−ビニルピリジン(重量平均分子量4000)の0.2質量%メタノール溶液に、室温で15分間浸漬した。次いで、陽イオン交換膜を取り出して、25℃、大気圧下で10時間乾燥して燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を測定した結果を表4に示した。
製造例1の陽イオン交換膜を、ポリ4−ビニルピリジン(重量平均分子量16万)の0.001質量%メタノール溶液に、室温で2分間浸漬した。次いで、陽イオン交換膜を取り出して、25℃、大気圧下で10時間乾燥して燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を測定した結果を表4に示した。
製造例1の陽イオン交換膜を、ポリ4−ビニルピリジン(重量平均分子量16万)の10.0質量%メタノール溶液に、室温で15分間浸漬した。次いで、陽イオン交換膜を取り出して、25℃、大気圧下で10時間乾燥して燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を測定した結果を表4に示した。
パーフルオロカーボンスルホン酸膜(Du Pont社製Nafion117、膜物性は表2に記載)を用いた以外は実施例4と同様にして、ポリ4−ビニルピリジンを付着させた燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を測定した結果を表4に示した。
製造例5の陽イオン交換膜を、ポリ4−ビニルピリジン(重量平均分子量16万)の0.06質量%メタノール溶液に、室温で15分間浸漬した。次いで、陽イオン交換膜を取り出して、25℃、大気圧下で10時間乾燥して燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を測定した結果を表5に示した。
ポリ4−ビニルピリジン(重量平均分子量16万)の濃度を0.1質量%に変えた以外は実施例11と同様にして燃料電池隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を測定した結果を表5に示した。
製造例5の陽イオン交換膜をそのまま燃料電池用隔膜として、実施例11と同様にして燃料電池用隔膜−触媒電極接合体を作成した。接合性、直接メタノール型での燃料電池出力電圧、直接メタノール型燃料電池での耐久性を評価した結果を表5に示した。
製造例6の陰イオン交換膜を、ポリスチレンスルホン酸(分子量75000)の0.2質量%水溶液に室温で15分間浸漬した。次いで、陰イオン交換膜を取り出した後、25℃、大気圧下で24時間乾燥して本発明の燃料電池用隔膜を得た。得られた燃料電池用隔膜のアニオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、逆極性重合体の付着量を測定した結果を表4に示した。
製造例6の陰イオン交換膜をそのまま燃料電池用隔膜として、実施例14と同様にして燃料電池用隔膜−触媒電極接合体を作成した。接合性、水素燃料型での燃料電池出力電圧、水素燃料型燃料電池での耐久性を評価した結果を表4に示した。
2;燃料流通孔
3;酸化剤ガス流通孔
4;燃料室側拡散電極
5;酸化剤室側ガス拡散電極
6;固体高分子電解質
7;燃料室
8;酸化剤室
Claims (4)
- 架橋型のイオン交換樹脂からなる固体高分子電解質膜の少なくとも一方の表面に、該イオン交換樹脂の有するイオン交換基とは逆極性の荷電基を有する重量平均分子量が5000〜100万の重合体が0.0001〜0.5mg/cm2付着されてなる燃料電池用隔膜。
- 架橋型のイオン交換樹脂が、全重合性単量体中に占める二官能以上の架橋性単量体の割合が0.5〜40モル%の単量体組成物を重合させて膜形成させたものである請求項1記載の燃料電池用隔膜。
- 請求項1または請求項2記載の燃料電池用隔膜の表面に、前記固体高分子電解質膜を形成する架橋型のイオン交換樹脂と同極性のイオン交換樹脂と触媒物質を含む触媒電極層が接合されてなる燃料電池用隔膜−電極接合体。
- 架橋型のイオン交換樹脂からなる固体高分子電解質膜の少なくとも一方の表面に、該イオン交換樹脂の有するイオン交換基とは逆極性の荷電基を有する重量平均分子量が5000〜100万の重合体溶液を接触させた後乾燥し、該固体高分子電解質膜の表面に0.0001〜0.5mg/cm2付着させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用隔膜の製造方法。
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