JP2010199061A - 燃料電池用電解質膜、燃料電池用膜・電極接合体及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明による燃料電池用電解質膜1は、少なくとも金属リン酸塩及びリン酸類で構成されたプロトン伝導性電解質層2と、少なくとも固体高分子形電解質で構成された固体高分子形電解質層3とを備えている。プロトン伝導性電解質層2は、その両面に固体高分子形電解質層3が配置されている。
【選択図】図1
Description
M1‐xNxP2O7 ・・・(1)
(ここで、M,Nは金属元素、Xは0≦X<0.5であり、MがZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Ca,Mg及びAlの群から選ばれる1種であり、NがAl,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce及びLaの群から選ばれる1種である。)
2< [P]/([M]+[N]) ≦ 4 ・・・(2)
(燃料電池用電解質膜)
本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池用電解質膜(以下で、単に「電解質膜」ともいう。)は、図1に示すように、少なくとも金属リン酸塩及びリン酸類で構成されたプロトン伝導性電解質層2と、少なくとも固体高分子形電解質で構成された固体高分子形電解質層3とを備え、プロトン伝導性電解質層2の両面に固体高分子形電解質層3が配置されている。
(ここで、M,Nは金属元素、Xは0≦X<0.5であり、MはZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Ca,Mg及びAlの群から選ばれる1種であり、Nはドーピング金属元素であり、Al,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce及びLaの群から選ばれる1種である。)
より好ましくは、下記式(3)を満たすことが好ましい。
本実施の形態における固体高分子形電解質層3は、プロトン伝導性電解質層2の吸湿性を防ぐためのものである。その厚みは限定的でないが、通常約1〜20μm程度、好ましくは、約2〜15μm程度、より好ましくは、約2〜10μm程度であるのがよい。
本実施の形態に係る燃料電池用電解質膜1の製造方法は、例えば、金属酸化物とリン酸類とから金属リン酸塩を合成する工程と、金属リン酸塩、リン酸類、固体高分子形電解質及び溶媒を用いてプロトン伝導性電解質ペーストを調製する工程と、固体高分子形電解質をキャスト基材上に塗工・乾燥して固体高分子形電解質層3を形成した後、プロトン伝導性電解質ペーストを固体高分子形電解質層3上に塗工・乾燥し、プロトン伝導性電解質層2を形成する工程と、プロトン伝導性電解質層2上に固体高分子形電解質層3を形成する工程とを備える。
以下、詳細に説明をする。
スズ等の主金属及びインジウム等のドーピング金属を含む、それぞれの金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、或いは金属硝酸化物等と液体リン酸を所定のモル数で配合する。次いで、これに水を加えて、温度、約100〜300℃程度で、約1〜3時間程度スターラー等を用いて攪拌して分散させる。この分散液を坩堝に入れて、例えば、約300〜700℃程度の温度で焼成する。焼成する時間は、例えば、約1〜3時間程度である。上記高温状態ではリン酸が消失するおそれがあるため、液体リン酸のモル数は大目、例えば、モル当量の約1.1〜1.5倍程度加えるのが望ましい。
固体リン酸を用いることにより、モル当量のリン酸が、金属酸化物と反応し、余剰物は高温により揮発するため余剰のリン酸が付着せず再現性の良い金属リン酸塩を得ることができる。
金属リン酸塩及びリン酸と固体高分子電解質の配合量は、質量比で、(金属リン酸塩及びリン酸):(固体高分子電解質)=1:1〜10:1、好ましくは、2:1〜5:1である。これに所定量の液体リン酸を添加し、固形分量が、約2〜50%程度、好ましくは、約5〜20%程度になるよう調製する。
(燃料電池用膜・電極接合体)
本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池用膜・電極接合体11は、図2に示すように、第1の実施の形態に記載の燃料電池用電解質膜1と、一対の触媒電極4,5とを備え、燃料電池用電解質膜1が、触媒電極4,5に挟持されて構成される。
(燃料電池)
本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池21は、図3に示すように、第2の実施の形態で示した図2と同様の膜・電極接合体11と、一対のセパレータ6,7とを備える。膜・電極接合体11は、セパレータ6,7に挟持されて構成される。その他の構成は、第2の実施の形態と同様であるので説明は省略する。
セパレータ6は、燃料をアノード極側触媒電極4に供給するためのものであり、燃料を流通するための燃料流路8を有する。一方、セパレータ7は、酸化剤ガスをカソード極側触媒電極5に供給するためのものであり、酸化剤ガスを流通するための酸化剤ガス流路9を有する。
燃料流路8に水素ガスあるいはメタノールなどの水素供給可能な燃料が、アノード極側触媒電極4に供給され、この燃料からプロトン(H+)と電子(e−)が生成される。生成されたプロトンは電解質膜1によってカソード極側触媒電極5側へと搬送される。一方、酸化剤ガス流路9には空気あるいは酸素ガス等の酸化剤ガスがカソード極側触媒電極5に供給され、電解質膜1によって搬送されてきたプロトンと外部回路10からくる電子及び酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このようにして燃料電池として機能する。
まず、金属リン酸塩を以下のようにして作製した。酸化スズ(SnO2:Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)及び酸化インジウム(In2O3:ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)にリン酸水素2アンモニウム(ナカライテスク社製)27.99g(0.212モル)を加え、これらを薬さじで混合した。
まず、金属リン酸塩を以下のようにして作製した。酸化スズ(SnO2:Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)及び酸化インジウム(In2O3:ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)にリン酸水素2アンモニウム(ナカライテスク社製)27.99g(0.212モル)を加え、これらを薬さじで混合した。
まず、金属リン酸塩を以下のようにして作製した。酸化スズ(SnO2:Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)及び酸化インジウム(In2O3:ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)にリン酸水素2アンモニウム(ナカライテスク社製)27.99g(0.212モル)を加え、これらを薬さじで混合した。
まず、金属リン酸塩を以下のようにして作製した。酸化スズ(SnO2:Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)及び酸化インジウム(In2O3:ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)にリン酸水素2アンモニウム(ナカライテスク社製)27.99g(0.212モル)を加え、これらを薬さじで混合した。
実施例1と同様の金属リン酸塩(Sn0.9In0.1P2O7)5gに、85%リン酸水溶液0.9g、固体高分子形電解質Nafion(登録商標)10g、メタノール40gを遊星ボールミルで約24時間分散しプロトン伝導性電解質膜ペーストを得た。
このプロトン伝導性電解質ペーストを50μmのポリイミドフィルム上にブレードコーターで塗工し、約150℃で、約30分乾燥し、厚さ100μmの電解質膜1を得た。
実施例1〜4及び比較例1の電解質膜1の吸湿性及び接合性について調べた。
吸湿性について、電解質膜1を作製した後、GDEを接合する前に、目視により電解質膜1表面を観察した。その結果、比較例1の電解質膜1では、大気中の水分を吸水し、膜表面に水滴が認められた。これに対して、実施例1〜4では電解質膜1の表面に水滴や湿りなどは発生していないことが確認できた。
比較例1のMEAは、粘着テープの端部を引き上げたところ、GDEが電解質膜1から剥離した。これに対して、実施例1〜4のMEAは、GDEと電解質膜1は密着したままで、粘着テープのみが剥離した。
2・・・プロトン伝導性電解質層
3・・・固体高分子形電解質層
4・・・触媒電極(アノード極側)
5・・・触媒電極(カソード極側)
6・・・セパレータ(アノード極側)
7・・・セパレータ(カソード極側)
8・・・燃料流路
9・・・酸化剤ガス流路
10・・・外部回路
11・・・燃料電池用膜・電極接合体
21・・燃料電池
Claims (7)
- 少なくとも金属リン酸塩及びリン酸類で構成されたプロトン伝導性電解質層と、
少なくとも 固体高分子形電解質で構成された固体高分子形電解質層と
を備え、前記プロトン伝導性電解質層の両面に前記固体高分子形電解質層が配置されたことを特徴とする燃料電池用電解質膜。 - 前記金属リン酸塩が、下記式(1)で表される化合物からなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電解質膜。
M1‐xNxP2O7 ・・・(1)
(ここで、M,Nは金属元素、Xは0≦X<0.5であり、MがZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Ca,Mg及びAlの群から選ばれる1種であり、NがAl,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce及びLaの群から選ばれる1種である。) - 前記MがSn又はCsであり、前記NがIn又はAlであり、前記M及び前記Nの原子数をそれぞれ[M]及び[N]、前記金属リン酸塩及びリン酸類のリンの原子数の合計を[P]として、[M],[N]及び[P]の関係が下記式(2)で表されることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用電解質膜。
2< [P]/([M]+[N]) ≦ 4 ・・・(2) - 前記固体高分子形電解質層が、固体高分子形電解質とプロトン伝導性電解質を含んでおり、前記固体高分子形電解質が主成分であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用電解質膜。
- 前記固体高分子形電解質が、フッ素系又は炭化水素系イオノマーからなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用電解質膜。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用電解質膜と、
一対の触媒電極と
を備え、前記燃料電池用電解質膜が、前記触媒電極に挟持されたことを特徴とする燃料電池用膜・電極接合体。 - 請求項6に記載の燃料電池用膜・電極接合体と、
一対のセパレータと
を備え、前記燃料電池用膜・電極接合体が、前記セパレータに挟持されたことを特徴とする燃料電池。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20140225 |