JP2008047315A - Solid polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.
燃料電池は、燃料極に水素を含む燃料ガスを導入し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを導入して、電気化学反応によって電気と熱を得る。固体高分子電解質型燃料電池では、電解質として高分子膜を適用し、その両面に電極を配置する。電極は、ガス拡散層上に触媒層を塗布して得られる。触媒としては、白金などの貴金属を炭素粒子上に担持したものが用いられる(特許文献7等参照)。 A fuel cell introduces a fuel gas containing hydrogen into a fuel electrode, introduces an oxidant gas containing oxygen into an oxidant electrode, and obtains electricity and heat by an electrochemical reaction. In a solid polymer electrolyte fuel cell, a polymer membrane is applied as an electrolyte, and electrodes are disposed on both sides thereof. The electrode is obtained by applying a catalyst layer on the gas diffusion layer. As the catalyst, a catalyst in which a noble metal such as platinum is supported on carbon particles is used (see Patent Document 7).
従来の高分子電解質膜としては、パーフルオロスルフォン酸を製膜したもので、膜厚15〜100μmのものが用いられている(特許文献1)。パーフルオロスルフォン酸は主鎖、側鎖ともにフッ素化、すなわち炭素と結合している水素がフッ素に置換されているために、化学的に安定であるが価格が高いという欠点もある。固体高分子電解質型燃料電池においては、高分子電解質膜はプロトンの伝導体となると同時に、反応ガスのシール機能を有する。高分子電解質膜が破損すると、反応ガスのクロスリークを生じ、運転不能となる。パーフルオロスルフォン酸膜といえども数千〜2万時間の運転時間で破損し、燃料電池の目標寿命に対しては足りない実情がある。 As a conventional polymer electrolyte membrane, a perfluorosulfonic acid film is formed, and a membrane having a thickness of 15 to 100 μm is used (Patent Document 1). Perfluorosulfonic acid is fluorinated in both the main chain and the side chain, that is, because hydrogen bonded to carbon is substituted with fluorine, it is chemically stable but has a disadvantage of high price. In a solid polymer electrolyte fuel cell, the polymer electrolyte membrane serves as a proton conductor and simultaneously has a reaction gas sealing function. When the polymer electrolyte membrane is damaged, a cross leak of the reaction gas occurs, and the operation becomes impossible. Even perfluorosulfonic acid membranes are damaged in the operation time of several thousand to 20,000 hours, and there is a situation that is insufficient for the target life of the fuel cell.
パーフルオロスルフォン酸に対して、全くフッ素化しない炭化水素系膜が開発されている。化学的安定性を向上させるために、ポリエーテルエーテルケトンなどの芳香族化合物を主鎖とするのが主流である(特許文献2参照)。特許文献3には、ポリエーテルスルフォン共重合体から成る高分子電解質膜が報告されている。これらの炭化水素系膜は、フッ素化されていないために、安価に製造でき、パーフルオロスルフォン酸膜の1/10のコストと言われている。しかし、酸素の還元反応の際に生じる過酸化水素に対する耐性が低く、数百時間の運転時間で高分子膜が破損し、クロスリークが生じるという欠点がある。
Hydrocarbon membranes that are not fluorinated at all have been developed for perfluorosulfonic acid. In order to improve chemical stability, the mainstream is an aromatic compound such as polyetheretherketone (see Patent Document 2).
高分子膜が劣化するメカニズムは多くの研究者が研究した報告がされている。主に、過酸化水素の乖離の際に生じるOHラジカルによる化学劣化が要因であるとされている(特許文献4参照)。過酸化水素は、酸化剤極から燃料極へリークした酸素による生成、酸化剤極での2電子反応による生成のメカニズムが考えられる。以下に詳細に説明する。 Many researchers have reported on the mechanism of polymer membrane degradation. It is considered that the main cause is chemical deterioration due to OH radicals generated when hydrogen peroxide is dissociated (see Patent Document 4). Hydrogen peroxide can be generated by oxygen leaking from the oxidant electrode to the fuel electrode and by a two-electron reaction at the oxidant electrode. This will be described in detail below.
高分子膜はガスシール機能を有するが、微小なガスのリークは健全であっても存在する。これは高分子膜中に含まれる水分に反応ガスが溶解して拡散するものである。酸化剤極から燃料極に酸素がリークすると燃料極触媒の存在下で水素と反応し、過酸化水素(H2O2)を生成する。反応速度は電位に依存し、電位が0V付近で非常に加速される。 Although the polymer film has a gas sealing function, a minute gas leak exists even if it is healthy. This is because the reaction gas dissolves and diffuses in the water contained in the polymer film. When oxygen leaks from the oxidizer electrode to the fuel electrode, it reacts with hydrogen in the presence of the fuel electrode catalyst to produce hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). The reaction rate depends on the potential, and is very accelerated when the potential is around 0V.
O2+H2 → H2O2 (1)
酸化剤極における通常の燃料電池反応においては、(2)式のようにプロトンと酸素が反応し水を生成する反応が生じている。この反応には4つの電子が寄与するため4電子反応と呼ばれる。(2)式の反応の素過程として、(3)式のような反応によって、H2O2が生成する。この反応には2つの電子が寄与するため2電子反応と呼ばれる。
O 2 + H 2 → H 2 O 2 (1)
In a normal fuel cell reaction at the oxidizer electrode, a reaction occurs in which protons and oxygen react to generate water as shown in equation (2). This reaction is called a four-electron reaction because four electrons contribute. As an elementary process of the reaction of the formula (2), H 2 O 2 is generated by the reaction of the formula (3). This reaction is called a two-electron reaction because two electrons contribute.
4H++O2+4e− → 2H2O (2)
2H++O2+2e− → H2O2 (3)
これらの反応のうち、クロスリークした酸素と水素によるH2O2の生成を防止する技術として、反応ガス透過防止層を付けるという技術がある(特許文献5参照)。これは、反応ガス透過防止層中における触媒において、クロスリークした酸素を消費することによって、酸素のクロスリークを防止しH2O2の生成を抑制するものである。また、反応ガス透過防止層を特に燃料極側に付けることによって、一層効果的であることも見出されている。
4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O (2)
2H + + O 2 + 2e − → H 2 O 2 (3)
Among these reactions, there is a technique of attaching a reactive gas permeation preventive layer as a technique for preventing the generation of H 2 O 2 by cross leaked oxygen and hydrogen (see Patent Document 5). In the catalyst in the reaction gas permeation preventive layer, oxygen that cross-leaks is consumed to prevent oxygen cross-leak and suppress the generation of H 2 O 2 . It has also been found that the reactive gas permeation preventive layer is particularly effective when applied to the fuel electrode side.
また、高分子電解質膜を複数枚貼り合せることによって、ピンホールの拡大を防ぐ技術が特許文献6に紹介されている。化学的な劣化に対しては、同種の膜同士を貼り合せても膜厚効果による耐久性向上が期待できる。特許文献7には、メタノールなどの液体有機燃料を燃料とする燃料電池において、高分子電解質膜を貼り合せることによって、メタノールの透過量を抑制し、かつ機械的強度を向上させる方法が紹介されている。この特許文献7では、フルオロカーボン系樹脂の高分子電解質膜と、NH基を有するようなポリインドール膜やポリアニリン膜、あるいはポリスチレンスルフォン酸のような炭化水素系高分子膜とを貼り合せる。炭化水素系高分子膜はフルオロカーボン系樹脂の高分子電解質膜よりもメタノールの透過量を抑制することができる利点と、フルオロカーボン系高分子電解質膜の機械的強度に優れる利点を合わせ持っている。
固体高分子電解質型燃料電池において、高分子電解質膜の耐久性およびコストが課題となっている。前述の通り、パーフルオロスルフォン酸膜は、寿命は数千〜2万時間程度であるが高価である。燃料電池の実用化に向けて、電池スタックのコストは1/10以下に抑えることが要求されており、高分子電解質膜の価格も抑える必要がある。フッ素化されていないスルフォン化芳香族ポリマー膜ではコストはパーフルオロスルフォン酸膜の1/10程度と安価であるが、1000時間以下の耐久性しかないのが現状である。 In solid polymer electrolyte fuel cells, the durability and cost of polymer electrolyte membranes are issues. As described above, the perfluorosulfonic acid film has a lifetime of about several thousand to 20,000 hours, but is expensive. For the practical use of fuel cells, the cost of the battery stack is required to be reduced to 1/10 or less, and the price of the polymer electrolyte membrane needs to be suppressed. The cost of a non-fluorinated sulfonated aromatic polymer film is as low as about 1/10 of that of a perfluorosulfonic acid film, but the durability is only 1000 hours or less.
特許文献5にあるような耐久性向上の施策である反応ガス透過防止層は、貴金属触媒を分散させたパーフルオロスルフォン酸膜であるために、コスト・工数ともにかかってしまうという課題がある。
Since the reactive gas permeation preventive layer, which is a measure for improving durability as described in
また、特許文献7にある高分子電解質膜の貼り合わせにおいては、異質の電解質膜同士を貼り合せるために、両者の界面における接着性に問題がある。すなわち、剥がれ易い、あるいは接触抵抗が高いために電池特性が低いという課題がある。特許文献7においては、接着性を上げるために両者の間に電解質溶液を塗布しているが、液体を塗布すると高分子膜が膨潤し皺にならないように圧着することが難しいという課題がある。特許文献7においては、フルオロカーボン系高分子電解質膜の厚さは20〜200μm、炭化水素系電解質膜の厚さが5〜100μmである。コストの高いフルオロカーボン系高分子電解質膜の厚さは従来と変わらず、コスト高になるという課題もある。 Further, in the bonding of polymer electrolyte membranes described in Patent Document 7, there is a problem in adhesion at the interface between the two because different electrolyte membranes are bonded together. That is, there is a problem that battery characteristics are low due to easy peeling or high contact resistance. In Patent Document 7, an electrolyte solution is applied between the two in order to improve adhesion, but there is a problem that it is difficult to press-bond so that the polymer film does not swell and become wrinkles when a liquid is applied. In Patent Document 7, the thickness of the fluorocarbon polymer electrolyte membrane is 20 to 200 μm, and the thickness of the hydrocarbon electrolyte membrane is 5 to 100 μm. The thickness of the high-cost fluorocarbon polymer electrolyte membrane is the same as before, and there is a problem that the cost is high.
そこで、本発明は、固体高分子電解質型燃料電池の高分子電解質膜を、安価でかつ耐久性の高いものとすることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to make the polymer electrolyte membrane of a solid polymer electrolyte fuel cell inexpensive and highly durable.
上記目的を達成するために、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池は、プロトン伝導性の高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に隣接して配置された燃料極と、前記高分子電解質膜の他方の面に隣接して配置された酸化剤極と、を有する固体高分子電解質型燃料電池において、前記高分子電解質膜は、炭化水素系電解質膜と、この炭化水素系電解質膜の少なくとも一方の表面にコーティングされたフルオロカーボン系電解質被膜と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a proton conductive polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode disposed adjacent to one surface of the polymer electrolyte membrane. A solid polymer electrolyte fuel cell having an oxidant electrode disposed adjacent to the other surface of the polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte membrane includes a hydrocarbon-based electrolyte membrane and the hydrocarbon And a fluorocarbon-based electrolyte film coated on at least one surface of the system electrolyte membrane.
また、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池製造方法は、スルフォン化芳香族ポリマー膜をパーフルオロスルフォン酸電解質溶液中に浸漬してスルフォン化芳香族ポリマー膜の両面にパーフルオロスルフォン酸電解質溶液を付着させる浸漬工程と、前記浸漬工程の後に前記パーフルオロスルフォン酸電解質溶液を乾燥させてプロトン伝導性の高分子電解質膜を形成する乾燥工程と、を含むことを特徴とする。 In addition, the method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes immersing a sulfonated aromatic polymer membrane in a perfluorosulfonic acid electrolyte solution to form a perfluorosulfonic acid electrolyte solution on both sides of the sulfonated aromatic polymer membrane. And a drying step of drying the perfluorosulfonic acid electrolyte solution to form a proton conductive polymer electrolyte membrane after the immersion step.
また、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池製造方法は、スルフォン化芳香族ポリマー膜の少なくとも片面にパーフルオロスルフォン酸電解質溶液を塗布する塗布工程と、前記塗布工程の後に前記パーフルオロスルフォン酸電解質溶液を乾燥させてプロトン伝導性の高分子電解質膜を形成する乾燥工程と、を含むことを特徴とする。 The solid polymer electrolyte fuel cell production method according to the present invention includes a coating step of applying a perfluorosulfonic acid electrolyte solution to at least one surface of a sulfonated aromatic polymer membrane, and the perfluorosulfonic acid after the coating step. And a drying step of drying the electrolyte solution to form a proton conductive polymer electrolyte membrane.
本発明によれば、固体高分子電解質型燃料電池の高分子電解質膜を、安価でかつ耐久性の高いものとすることができる。 According to the present invention, the polymer electrolyte membrane of the solid polymer electrolyte fuel cell can be made inexpensive and highly durable.
[第1の実施形態]
図1は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第1の実施形態における膜電極接合体(MEA)1の部分断面図である。図1に示すように、膜電極接合体1は次のように複数の層が重ね合わされて形成されている。すなわち、炭化水素系電解質膜12の両面にフルオロカーボン系電解質被膜13がコーティングされている。フルオロカーボン系電解質被膜13の外側に接して両側に燃料極触媒層20と酸化剤極触媒層21が配置されている。これらの触媒層20、21の外側にはガス拡散層30が配置されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a membrane electrode assembly (MEA) 1 in a first embodiment of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. As shown in FIG. 1, the
炭化水素系電解質膜12としては、たとえばスルフォン化芳香族ポリマーが適用できる。また、フルオロカーボン系電解質被膜13としては、たとえばパーフルオロスルフォン酸を適用できる。フルオロカーボン系電解質被膜13を形成した分だけ膜厚が増えるため、電気抵抗および水移動に対する抵抗成分が増加する。これらの抵抗増加は電池性能の低下要因となるため、できるだけ薄い方が望ましい。したがって、フルオロカーボン系電解質被膜13の厚さは、炭化水素系電解質膜12の厚さの1/10以下とするのが好ましい。
As the
炭化水素系電解質膜12の表面にフルオロカーボン系電解質被膜13をコーティングする方法としては、たとえば、パーフルオロスルフォン酸電解質の溶液中に、炭化水素系電解質膜12を浸漬し、その後、乾燥させる。これにより、炭化水素系電解質膜12の表面に薄いフルオロカーボン系(たとえばパーフルオロスルフォン酸)電解質被膜13が形成される。他のコーティング方法としては、フルオロカーボン系電解質の溶液を炭化水素系電解質膜12の表面に塗布し、乾燥させることもできる。
As a method for coating the surface of the hydrocarbon-based
スルフォン化芳香族ポリマーはパーフルオロスルフォン酸膜に比べて、ガス透過係数が小さい、すなわちガス透過防止に優れているという特徴がある。そのため、本実施形態の高分子電解質膜においては、従来のパーフルオロスルフォン酸膜よりも酸素のクロスリーク量を低減し燃料極におけるH2O2の生成を抑制する効果がある。 The sulfonated aromatic polymer has a characteristic that it has a smaller gas permeability coefficient than that of a perfluorosulfonic acid film, that is, it is excellent in preventing gas permeation. Therefore, the polymer electrolyte membrane of the present embodiment has an effect of reducing the amount of oxygen cross leak and suppressing the generation of H 2 O 2 at the fuel electrode as compared with the conventional perfluorosulfonic acid membrane.
一方、表面に形成されたパーフルオロスルフォン酸の被膜は、酸化剤極で生成されるH2O2によるスルフォン化芳香族ポリマーの劣化を抑制する効果があり、スルフォン化芳香族ポリマーの耐久性を向上させることができる。 On the other hand, the film of perfluorosulfonic acid formed on the surface has the effect of suppressing deterioration of the sulfonated aromatic polymer due to H 2 O 2 produced at the oxidizer electrode, and the durability of the sulfonated aromatic polymer is reduced. Can be improved.
したがって、前述のH2O2が生成する2つのメカニズムのいずれに対しても、本実施形態は有効に抑制することができるため、高分子電解質膜の耐久性を向上させることが可能である。 Therefore, since this embodiment can be effectively suppressed with respect to any of the two mechanisms that H 2 O 2 generates, the durability of the polymer electrolyte membrane can be improved.
パーフルオロスルフォン酸は高価な材料であるが、表面に被膜を形成することによって、数μm程度の厚みにすることができ、厚みが25〜100μmである従来のパーフルオロスルフォン酸膜よりも材料費を安価に抑えることができる。特に、従来のパーフルオロスルフォン酸膜の1/10以下の厚さにすれば、材料費を1/10に抑えることができる。 Perfluorosulfonic acid is an expensive material, but by forming a film on the surface, it can be made to have a thickness of about several μm, and the material cost is higher than that of a conventional perfluorosulfonic acid film having a thickness of 25 to 100 μm. Can be suppressed at low cost. In particular, the material cost can be reduced to 1/10 if the thickness is 1/10 or less of the conventional perfluorosulfonic acid film.
図4に示すように、高分子電解質膜の寿命は、パーフルオロスルフォン酸コーティングの厚みに従って向上する。図4においてパーフルオロスルフォン酸コーティングの厚みが3μm以上であるとき、寿命向上の効果が得られる。すなわち、コーティングの厚みとしては3μm以上であることが望ましい。 As shown in FIG. 4, the lifetime of the polymer electrolyte membrane increases with the thickness of the perfluorosulfonic acid coating. In FIG. 4, when the thickness of the perfluorosulfonic acid coating is 3 μm or more, the effect of improving the life can be obtained. That is, the coating thickness is desirably 3 μm or more.
以上の厚さの制約を満足させるためには、炭化水素系電解質膜12の厚さを30〜100μmとし、フルオロカーボン系電解質被膜の厚さを3〜10μmとすることが望ましい。3〜10μm厚の膜は、ピンホールなどの欠陥無しで製膜することが難しく、また取り扱いも困難であり、特許文献7のような膜の貼りあわせで製造することは困難である。すなわち、本実施形態のように表面にコーティングして被膜を形成することによって、実現が可能である。
In order to satisfy the above thickness restrictions, it is desirable that the thickness of the hydrocarbon-based
次に図1に示す本発明の実施形態の具体的実施例について説明する。 Next, specific examples of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described.
本実施例においては、炭化水素系膜表面をパーフルオロスルフォン酸でコーティングした。パーフルオロスルフォン酸電解質溶液としては、一般に販売されているDuPont社製Nafion(商品名)溶液を用いた。溶液中に炭化水素系膜を10分間浸漬した後に、70℃の乾燥炉中で1時間乾燥させた。浸漬−乾燥を1サイクルとして、3回繰り返して、炭化水素系膜表面にパーフルオロスルフォン酸の層を形成した。コーティング前後の重量変化から算出された層の厚さは1μmであった。 In this example, the surface of the hydrocarbon film was coated with perfluorosulfonic acid. As the perfluorosulfonic acid electrolyte solution, a commercially available Nafion (trade name) solution manufactured by DuPont was used. After immersing the hydrocarbon-based film in the solution for 10 minutes, it was dried in a drying furnace at 70 ° C. for 1 hour. A dipping-drying cycle was repeated three times to form a perfluorosulfonic acid layer on the surface of the hydrocarbon film. The layer thickness calculated from the change in weight before and after coating was 1 μm.
本高分子電解質膜を用いて、膜電極接合体を作成した。触媒層はカーボンに担持された白金触媒を電解質溶液中に分散して得られたスラリーをガス拡散層上に塗布して形成した。ガス拡散層は、カーボンペーパー上にカーボン粉末とテフロン(商品名。フッ素樹脂)粉末を混合した層を形成した後に、熱処理したものである。このように作成された電極を高分子電解質膜の両面に熱圧着によって接着して膜電極接合体を作成した。 Using this polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly was prepared. The catalyst layer was formed by coating a slurry obtained by dispersing a platinum catalyst supported on carbon in an electrolyte solution on the gas diffusion layer. The gas diffusion layer is a layer formed by mixing carbon powder and Teflon (trade name: fluororesin) powder on carbon paper and then heat-treating it. The electrode prepared in this manner was bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding to prepare a membrane electrode assembly.
この膜電極接合体を用いて発電試験を行ない、高分子電解質膜の耐久性を確認した。試験は連続発電運転を行ない、定期的に反応ガスのクロスリーク量を測定した。高分子電解質の耐久性は、反応ガスのクロスリーク量が許容値を越えるまでの運転時間で評価した。試験の結果、パーフルオロスルフォン酸でコーティングすることによって、耐久性向上を確認することができた。図4にパーフルオロスルフォン酸被覆の厚みと高分子電解質膜の推定寿命との関係を示す。図にも明らかなように、被覆を厚くすることによって、より耐久性が向上していることがわかる。なお、本図の縦軸は、発明者らによる高分子電解質膜の劣化加速試験の結果を基にして、実運転条件での高分子電解質膜の寿命を求めた推定値を示している。また、図に示されたように、寿命延長の効果は、3μm以上で顕著である。したがって、フルオロカーボン系被膜13の厚みは3μm以上であることが望ましい。
Using this membrane / electrode assembly, a power generation test was conducted to confirm the durability of the polymer electrolyte membrane. In the test, continuous power generation operation was performed, and the amount of cross-leakage of the reaction gas was measured periodically. The durability of the polymer electrolyte was evaluated by the operation time until the cross leak amount of the reaction gas exceeded the allowable value. As a result of the test, it was confirmed that durability was improved by coating with perfluorosulfonic acid. FIG. 4 shows the relationship between the thickness of the perfluorosulfonic acid coating and the estimated lifetime of the polymer electrolyte membrane. As is apparent from the figure, it can be seen that the durability is further improved by increasing the thickness of the coating. In addition, the vertical axis | shaft of this figure has shown the estimated value which calculated | required the lifetime of the polymer electrolyte membrane on actual driving | running conditions based on the result of the deterioration acceleration test of the polymer electrolyte membrane by the inventors. Further, as shown in the figure, the effect of extending the life is remarkable at 3 μm or more. Therefore, the thickness of the fluorocarbon-based
[第2の実施形態]
以下に図2および図3を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第2の実施形態について説明する。ただし、第1の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。図2は、第2の実施形態における膜電極接合体1の部分断面図である。また、図3は、第2の実施形態における高分子電解質膜を形成する過程を示す模式的斜視図である。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. 2 and FIG. However, parts that are the same as or similar to those in the first embodiment are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted. FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the
この実施形態では、フルオロカーボン系電解質被膜13が炭化水素系電解質膜12の片面だけに施されている。
In this embodiment, the fluorocarbon-based
フルオロカーボン系電解質被膜13を特に酸化剤極触媒層21側に形成することによって、酸素による化学劣化を防止することができる。すなわち、酸化剤極においては前述の燃料電池反応におけるH2O2の生成が生じる。したがって、酸化剤極側にフッ素化されていない炭化水素系電解質膜12が酸化剤極触媒層21に晒されると、比較的容易に化学的な劣化を起こしてしまう。したがって、高分子電解質膜の劣化を抑制するためには、図2に示すように、酸化剤極触媒層21に接する側にフッ素化されたフルオロカーボン系電解質被膜13を配置するのが好ましい。
By forming the fluorocarbon-based
この実施形態において、炭化水素系電解質膜12の表面にフルオロカーボン系電解質被膜13をコーティングする方法としては、たとえば、スクリーンプリンター、カーテンコーターでフルオロカーボン系電解質被膜13を形成し、その後で乾燥させる。所定の量を塗布することができるので、電解質溶液中に浸漬する方法よりもより正確な製膜が可能になる。
In this embodiment, as a method of coating the surface of the
カーテンコーターを使った塗布方法の例について、図3を参照して説明する。初めに炭化水素系電解質膜12がロール41として巻かれている。液溜め50にはフルオロカーボン系電解質溶液42が溜められていて、底部にスリット(図示せず)が設けられ、液溜め50内のフルオロカーボン系電解質溶液42が液膜状(カーテン状)に垂下するようになっている。ロール41から炭化水素系電解質膜12が水平方向に引き出され、この炭化水素系電解質膜12の上に、液溜め50から液膜状にフルオロカーボン系電解質溶液42が垂下することにより、炭化水素系電解質膜12の上にフルオロカーボン系電解質溶液42が塗布される。
An example of a coating method using a curtain coater will be described with reference to FIG. First, the hydrocarbon-based
その後、炭化水素系電解質膜12は乾燥機51の下方を通過し、フルオロカーボン系電解質溶液42の液分が蒸発し、フルオロカーボン系電解質被膜13が炭化水素系電解質膜12の上に形成される。その後このフルオロカーボン系電解質被膜13が付着した炭化水素系電解質膜12はロール60に巻き取られる。
Thereafter, the hydrocarbon-based
炭化水素系電解質膜12に塗布されるフルオロカーボン系電解質溶液の厚さは、スリットの幅と巻き取り速度を制御することで、調整できる。ロール41、60を用いることにより、量産時の生産性を上げ、コストを下げることができる。
The thickness of the fluorocarbon electrolyte solution applied to the
カーテンコーターを使った塗布方法の他の例として、予め所定の大きさに切り出した高分子電解質膜上に、被膜となる溶液を塗布することも可能である。この場合、溶液を塗布された際に高分子電解質膜が膨潤して波打つことを防止するため、額縁状の枠(図示せず)で高分子電解質膜を固定することが望ましい。 As another example of a coating method using a curtain coater, it is also possible to apply a solution to be a coating on a polymer electrolyte membrane that has been cut into a predetermined size in advance. In this case, in order to prevent the polymer electrolyte membrane from swelling and undulating when the solution is applied, it is desirable to fix the polymer electrolyte membrane with a frame-like frame (not shown).
12…炭化水素系電解質膜
13…フルオロカーボン系電解質被膜
20…燃料極触媒層
21…酸化剤極触媒層
30…ガス拡散層
41…ロール
42…フルオロカーボン系電解質溶液
50…液溜め
51…乾燥機
60…ロール
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記高分子電解質膜は、炭化水素系電解質膜と、この炭化水素系電解質膜の少なくとも一方の表面にコーティングされたフルオロカーボン系電解質被膜と、を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 A proton conductive polymer electrolyte membrane, a fuel electrode disposed adjacent to one surface of the polymer electrolyte membrane, and an oxidant electrode disposed adjacent to the other surface of the polymer electrolyte membrane; In a solid polymer electrolyte fuel cell having
The polymer electrolyte membrane includes a hydrocarbon-based electrolyte membrane and a fluorocarbon-based electrolyte coating coated on at least one surface of the hydrocarbon-based electrolyte membrane.
前記浸漬工程の後に前記パーフルオロスルフォン酸電解質溶液を乾燥させてプロトン伝導性の高分子電解質膜を形成する乾燥工程と、
を含むことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池製造方法。 An immersing step of immersing the sulfonated aromatic polymer membrane in a perfluorosulfonic acid electrolyte solution to attach the perfluorosulfonic acid electrolyte solution to both sides of the sulfonated aromatic polymer membrane;
A drying step of drying the perfluorosulfonic acid electrolyte solution after the dipping step to form a proton conductive polymer electrolyte membrane;
A method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising:
前記塗布工程の後に前記パーフルオロスルフォン酸電解質溶液を乾燥させてプロトン伝導性の高分子電解質膜を形成する乾燥工程と、
を含むことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池製造方法。 An application step of applying a perfluorosulfonic acid electrolyte solution to at least one surface of the sulfonated aromatic polymer film;
A drying step of drying the perfluorosulfonic acid electrolyte solution after the coating step to form a proton conductive polymer electrolyte membrane;
A method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising:
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