JP2024066263A - Solid polymer electrolyte fuel cell and method for producing solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
Solid polymer electrolyte fuel cell and method for producing solid polymer electrolyte fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024066263A JP2024066263A JP2022175738A JP2022175738A JP2024066263A JP 2024066263 A JP2024066263 A JP 2024066263A JP 2022175738 A JP2022175738 A JP 2022175738A JP 2022175738 A JP2022175738 A JP 2022175738A JP 2024066263 A JP2024066263 A JP 2024066263A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- membrane
- polymer electrolyte
- fuel cell
- electrolyte fuel
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 133
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 96
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims description 28
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 11
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 274
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 37
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 claims abstract description 28
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 26
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 26
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 24
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 22
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 21
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 17
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 17
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 9
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 9
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 6
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N fluoromethane Chemical compound FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 6
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 25
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 15
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 7
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 4
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 4
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920003934 Aciplex® Polymers 0.000 description 2
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 2
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009878 intermolecular interaction Effects 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- SUTQSIHGGHVXFK-UHFFFAOYSA-N 1,2,2-trifluoroethenylbenzene Chemical class FC(F)=C(F)C1=CC=CC=C1 SUTQSIHGGHVXFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- RTCRSTNTVASFHS-UHFFFAOYSA-N C(C)OC=COS(=O)(=O)F Chemical compound C(C)OC=COS(=O)(=O)F RTCRSTNTVASFHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004693 Polybenzimidazole Substances 0.000 description 1
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 1
- 229910000929 Ru alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- CLBRCZAHAHECKY-UHFFFAOYSA-N [Co].[Pt] Chemical compound [Co].[Pt] CLBRCZAHAHECKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920006271 aliphatic hydrocarbon resin Polymers 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000002144 chemical decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 iron ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- PCLURTMBFDTLSK-UHFFFAOYSA-N nickel platinum Chemical compound [Ni].[Pt] PCLURTMBFDTLSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 1
- CFQCIHVMOFOCGH-UHFFFAOYSA-N platinum ruthenium Chemical compound [Ru].[Pt] CFQCIHVMOFOCGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001643 poly(ether ketone) Polymers 0.000 description 1
- 229920000172 poly(styrenesulfonic acid) Polymers 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229920002480 polybenzimidazole Polymers 0.000 description 1
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 1
- 229940005642 polystyrene sulfonic acid Drugs 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】高分子電解質膜のプロトン輸送抵抗を維持しつつ耐久性を高めた、固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】実施形態の固体高分子形燃料電池は、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。前記高分子電解質膜は、第一電解質材料を含む第一膜と、第二電解質材料を含む第二膜と、を備える複合膜である。前記第二膜は前記第一膜の一部を覆っている。前記第二膜の酸素透過度は、前記第一膜の酸素透過度よりも小さい。前記第二膜の引張強度は、前記第一膜の引張強度よりも大きい。【選択図】図1[Problem] To provide a polymer electrolyte fuel cell with improved durability while maintaining the proton transport resistance of the polymer electrolyte membrane. [Solution] A polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment has a proton-conductive polymer electrolyte membrane, a fuel electrode disposed adjacent to one side of the polymer electrolyte membrane, and an oxidizer electrode disposed adjacent to the other side of the polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane is a composite membrane comprising a first membrane containing a first electrolyte material and a second membrane containing a second electrolyte material. The second membrane covers a portion of the first membrane. The oxygen permeability of the second membrane is smaller than that of the first membrane. The tensile strength of the second membrane is greater than that of the first membrane. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明による実施形態は、固体高分子形燃料電池及び固体高分子形燃料電池の製造方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a polymer electrolyte fuel cell and a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell.
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。固体高分子電解質形燃料電池では、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)。 In a fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is introduced to the fuel electrode, and an oxidant gas containing oxygen is introduced to the oxidant electrode, and electricity and heat are obtained by an electrochemical reaction. In a solid polymer electrolyte fuel cell, a polymer membrane is used as the electrolyte, and electrodes are placed on both sides of the membrane. The electrodes are obtained by applying a catalyst layer onto a gas diffusion layer. The catalyst used is a precious metal such as platinum supported on carbon particles (see Patent Document 7, etc.).
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。固体高分子電解質形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。燃料電池システムを実用化するためには、長期間の運転に耐える高耐久の高分子電解質膜が必要とされる。 Conventional polymer electrolyte membranes are made of perfluorosulfonic acid and have a thickness of 15 to 100 μm (Patent Document 1). Both the main chain and the side chain of perfluorosulfonic acid are fluorinated, that is, hydrogen bonded to carbon is replaced with fluorine, so it is chemically stable but has the disadvantage of being expensive. In solid polymer electrolyte fuel cells, the polymer electrolyte membrane serves as a proton conductor and also has a sealing function for reactant gases. If the polymer electrolyte membrane is damaged, cross leakage of reactant gases occurs, making the system inoperable. To put fuel cell systems into practical use, highly durable polymer electrolyte membranes that can withstand long-term operation are required.
パーフルオロスルフォン酸に対して、全くフッ素化されてい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、芳香族を主鎖に含む化合物を用いるのが主流である(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、数千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ことがあるので、改善が望まれている。 Completely unfluorinated hydrocarbon-based membranes have been developed for perfluorosulfonic acid. To improve chemical stability, it is common to use compounds containing aromatics in the main chain, such as polyether ether ketone (see Patent Document 2). Patent Document 3 reports a polymer electrolyte membrane made of a polyether sulfone copolymer. These hydrocarbon-based membranes can be produced inexpensively because they are not fluorinated, and are said to cost 1/10 of the cost of perfluorosulfonic acid membranes. However, they have low resistance to hydrogen peroxide generated during the reduction reaction of oxygen, and the polymer membrane can be damaged after several thousand hours of operation, causing cross leakage, so improvements are desired.
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 studied and reported on the mechanism by which polymer membranes deteriorate. It is believed that the main cause is chemical deterioration due to OH radicals that are generated when hydrogen peroxide dissociates (see Patent Document 4). Hydrogen peroxide is thought to be generated by oxygen leaking from the oxidizer electrode to the fuel electrode, and by a two-electron reaction at the oxidizer electrode. This is explained in detail below.
酸化剤極における通常の燃料電池反応においては、(1)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。この反応は、4つの電子が寄与するため4電子反応と呼ばれる。
4H++O2+4e- → 2H2O (1)
In a typical fuel cell reaction at the oxidizer electrode, protons react with oxygen to produce water, as shown in formula (1). This reaction is called a four-electron reaction because four electrons are involved.
4H + +O 2 +4e − → 2H 2 O (1)
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酸素が水素と反応し、(1)式の反応の素過程として、(2)式のような反応によって、過酸化水素を生成する。この反応は、2つの電子が寄与するため2電子反応と呼ばれる。
2H++O2+2e- → H2O2 (2)
Although the polymer membrane has a gas sealing function, even when it is healthy, there are small gas leaks. This occurs when the reactive gas dissolves in the moisture contained in the polymer membrane and diffuses. When oxygen leaks from the oxidizer electrode to the fuel electrode, it reacts with hydrogen in the presence of the fuel electrode catalyst, producing hydrogen peroxide through the reaction shown in formula (2) as an elementary process of the reaction shown in formula (1). This reaction is called a two-electron reaction because two electrons are involved.
2H + +O 2 +2e − → H 2 O 2 (2)
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過酸化水素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、過酸化水素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。 One of the techniques for preventing the generation of hydrogen peroxide from cross-leaked oxygen and hydrogen in these reactions is the application of a reactive gas permeation prevention layer (see Patent Document 5). This prevents oxygen cross-leaking and suppresses the generation of hydrogen peroxide by consuming cross-leaked oxygen in the catalyst in the reactive gas permeation prevention layer. It has also been found that applying the reactive gas permeation prevention layer, especially to the fuel electrode side, is even more effective.
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わせる。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酸素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とを、合わせ持っている。 Patent Document 6 also introduces a technique for preventing the enlargement of pinholes by laminating multiple polymer electrolyte membranes. With regard to chemical deterioration, even if the same type of membrane is laminated together, the durability can be expected to be improved due to the membrane thickness effect. Patent Document 7 introduces a method for suppressing the amount of methanol permeation and improving mechanical strength by laminating polymer electrolyte membranes in a fuel cell that uses liquid organic fuel such as methanol as fuel. In this Patent Document 7, a polymer electrolyte membrane of a fluorocarbon resin is laminated with a polyindole membrane or polyaniline membrane having an NH group, or a hydrocarbon polymer membrane such as polystyrene sulfonic acid. The hydrocarbon polymer membrane has the advantage of being able to suppress the amount of oxygen permeation more than a polymer electrolyte membrane of a fluorocarbon resin, and the advantage of the superior mechanical strength of the fluorocarbon polymer electrolyte membrane.
固体高分子形燃料電池において、高分子電解質膜の性能および耐久性が課題となっている。パーフルオロスルフォン酸膜は、プロトン伝導率が高く湿度依存性が低い一方で、ガス透過性が高く、酸素のクロスリークによって生じたラジカル種によって化学的な劣化が生じやすい。他方、フッ素化されていない芳香族炭化水素系膜は、芳香族による分子間相互作用によりラジカル種の生成の原因となる酸素のクロスリークを抑えることができるが、プロトン伝導率の湿度依存性が大きく低加湿条件下でプロトン輸送抵抗が大きくなってしまう。また、芳香族炭化水素系膜は柔軟性に乏しく、薄膜化が困難であるのが現状である。
特許文献8にある高分子電解質膜の浸漬では、パーフルオロスルフォン酸膜を炭化水素系電解質の前面に形成するために、電極反応が起こる場所での電解質膜厚の増加が課題である。すなわち、複合化に伴う膜厚の増加により、プロトン輸送抵抗が増加するために電池特性が低くなるという課題がある。
In solid polymer fuel cells, the performance and durability of polymer electrolyte membranes are an issue. Perfluorosulfonic acid membranes have high proton conductivity and low humidity dependency, but they also have high gas permeability and are prone to chemical degradation due to radical species generated by oxygen cross-leakage. On the other hand, non-fluorinated aromatic hydrocarbon-based membranes can suppress oxygen cross-leakage, which is the cause of radical species generation, due to intermolecular interactions with aromatics, but their proton conductivity is highly humidity-dependent, resulting in high proton transport resistance under low humidity conditions. In addition, aromatic hydrocarbon-based membranes are poor in flexibility and difficult to make into thin films.
In the case of immersion of a polymer electrolyte membrane as described in Patent Document 8, a perfluorosulfonic acid membrane is formed on the front surface of a hydrocarbon electrolyte, so that an increase in the electrolyte membrane thickness at the location where the electrode reaction occurs is an issue. In other words, there is a problem that the increase in membrane thickness accompanying the composite increases the proton transport resistance, resulting in a decrease in battery characteristics.
本発明による実施形態は、高分子電解質膜のプロトン輸送抵抗を維持しつつ耐久性を高めた、固体高分子形燃料電池を提供する。 An embodiment of the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell that has improved durability while maintaining the proton transport resistance of the polymer electrolyte membrane.
実施形態による固体高分子形燃料電池は、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、を有し、前記高分子電解質膜が、第一電解質材料を含む第一膜と、第二電解質材料を含む第二膜と、を備える複合膜であり、前記第二膜が前記第一膜の一部を覆っており、前記第二膜の酸素透過度が、前記第一膜の酸素透過度よりも小さく、前記第二膜の引張強度が、前記第一膜の引張強度よりも大きいことを特徴とする。 The solid polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment has a proton-conductive polymer electrolyte membrane, a fuel electrode disposed adjacent to one side of the polymer electrolyte membrane, and an oxidizer electrode disposed adjacent to the other side of the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane is a composite membrane including a first membrane containing a first electrolyte material and a second membrane containing a second electrolyte material, the second membrane covers a part of the first membrane, the oxygen permeability of the second membrane is smaller than the oxygen permeability of the first membrane, and the tensile strength of the second membrane is greater than the tensile strength of the first membrane.
本発明による実施形態によれば、高分子電解質膜のプロトン輸送抵抗を維持しつつ耐久性を高めた、固体高分子形燃料電池を提供できる。 According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that has improved durability while maintaining the proton transport resistance of the polymer electrolyte membrane.
以下に、図面を参照しながら種々の実施形態について説明する。各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比等は実際と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 Various embodiments will be described below with reference to the drawings. Each figure is a schematic diagram to facilitate understanding of the embodiment, and the shapes, dimensions, ratios, etc. may differ from the actual ones in some places, but these can be appropriately modified in design by taking into account the following explanations and known technologies.
図1は、実施形態の固体高分子形燃料電池の一例を示す斜視図である。図1に示すように、固体高分子形燃料電池1は、プロトン伝導性の高分子電解質膜10と、高分子電解質膜10の一方の面に隣接して配置された燃料極20と、高分子電解質膜10の他方の面に隣接して配置された酸化剤極30と、を有する。即ち、高分子電解質膜10の両面に、燃料極20と酸化剤極30とが熱圧着された構成である。
Figure 1 is a perspective view showing an example of a solid polymer fuel cell according to an embodiment. As shown in Figure 1, the solid
燃料極20は、固体高分子形燃料電池1の外部から水素を導入する水素入口部2Aを備えることが好ましい。酸化剤極30は、固体高分子形燃料電池1の外部から空気を導入する空気入口部3を備えることが好ましい。かかる固体高分子形燃料電池1は、外部から水素及び空気を導入し、水素及び空気中の酸素を用いて発電を行うように構成されている。
The
燃料極20及び酸化剤極30は、例えば、触媒金属微粒子を担持した炭素担体、及びアイオノマーを含んでいる。触媒金属微粒子としては、白金及び白金合金を用いることができる。より具体的には、白金、白金-ルテニウム合金、白金-ニッケル合金、白金-コバルト合金等を用いることができる。
The
アイオノマーの代表例としては、プロトン伝導性を有する高分子電解質を挙げることができる。特に好ましい具体例としては、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)を挙げることができる。また、トリフルオロスチレン誘導体の共重合体、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸、脂肪族炭化水素樹脂等の、プロトンを輸送可能な電解質で構成できる。中でも、ナフィオン(登録商標)が特に好ましい。 Representative examples of ionomers include polymer electrolytes with proton conductivity. Particularly preferred examples include Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), and Aciplex (registered trademark). In addition, the ionomers can be composed of electrolytes capable of transporting protons, such as copolymers of trifluorostyrene derivatives, polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid, aromatic polyether ketone sulfonic acid, and aliphatic hydrocarbon resins. Among these, Nafion (registered trademark) is particularly preferred.
高分子電解質膜10は、第一膜11と第二膜12とを備える複合膜である。以下、第一膜11と第二膜12について説明する。
The
第一膜11は、第一電解質材料を含むものである。第一電解質材料は、フルオロカーボンを主骨格とする高分子化合物であることが好ましい。フルオロカーボンを主骨格とする高分子化合物の具体例としては、パーフルオロスルフォン酸が挙げられる。パーフルオロスルフォン酸とは、テトラフルオロエチレンとパーフルオロスルホニルエトキシビニルエーテルとの共重合の後、加水分解によって得られた高分子である。パーフルオロスルフォン酸の具体例としては、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)を挙げることができる。中でも、ナフィオン(登録商標)が好ましい。
パーフルオロスルフォン酸は、フッ素の高い電気陰性度によりスルフォン酸基の解離度が大きい。そのため、パーフルオロスルフォン酸を用いると、高いプロトン伝導率を有し、且つプロトン輸送抵抗の湿度依存性が低いという特徴を有する。即ち、第一膜11にパーフルオロスルフォン酸を用いることで、第一膜11におけるプロトン輸送抵抗を小さく維持できるとともに、低加湿条件下であっても第一膜11におけるプロトン輸送抵抗を小さく維持できる。
The
Perfluorosulfonic acid has a high dissociation degree of sulfonic acid group due to the high electronegativity of fluorine. Therefore, when perfluorosulfonic acid is used, it has the characteristics of having high proton conductivity and low humidity dependency of proton transport resistance. That is, by using perfluorosulfonic acid for the
第二膜12は、第二電解質材料を含むものである。第二電解質材料は、芳香族を主骨格とする高分子化合物であることが好ましい。このような第二電解質材料は、芳香族部分における分子間相互作用により、酸素が分子間を透過しにくいという性質を有する。そのため、第二膜12のガスバリア性が向上し、第二膜12における酸素のクロスリークを抑制できる。その結果、燃料極20における過酸化水素の生成を抑制できる。
また、第二膜12が第二電解質材料を含むことで、第二膜12の引張強度は大きくなる。即ち、第二膜12を備える高分子電解質膜10において、機械的強度を高めることができる。
The
Furthermore, since the
芳香族を主骨格とする高分子化合物の具体例としては、スルフォン化芳香族ポリマー及びポリエーテルエーテルケトンが挙げられる。中でも、スルフォン化芳香族ポリマーが好ましい。スルフォン化芳香族ポリマーは、スルフォン化されていない高分子化合物と比較してプロトン輸送能が高く、第二膜12におけるプロトン輸送抵抗を小さく維持できる。また、スルフォン化芳香族ポリマーの膜は、フルオロカーボンを主骨格とする高分子化合物の膜に比べて、乾湿サイクルに対する寸法安定性に優れている。そのため、実施形態における高分子電解質膜10では、第一膜11及び第二膜12の複合膜であるが故に、第一膜11単独の電解質膜とする場合よりも、機械的劣化を抑制できる。
Specific examples of polymer compounds having an aromatic backbone include sulfonated aromatic polymers and polyether ether ketones. Among them, sulfonated aromatic polymers are preferred. Sulfonated aromatic polymers have higher proton transport capacity than non-sulfonated polymer compounds, and can maintain a low proton transport resistance in the
高分子電解質膜10において、第二膜12は第一膜11の一部を覆っている。前述の通り、第一膜11に含まれる第一電解質材料は、高いプロトン伝導率を有する。第二膜12が第一膜11の一部のみを覆うことで、第一膜11の全面を覆う場合と比較して、高分子電解質膜10におけるプロトン輸送抵抗の増加を抑制できる。即ち、高分子電解質膜10全体としてのプロトン輸送抵抗を小さく維持できる。
また、第二膜12が第一膜11の一部を覆った構造とすることで、第二膜12が第一膜11の全面を覆う場合と比較して、高分子電解質膜10の厚さを小さくできる。即ち、高分子電解質膜10の薄膜化が可能になる。高分子電解質膜10の厚さとしては、200μm以下が好ましく、100μm以下がより好ましく、50μm以下が更に好ましい。他方、高分子電解質膜10の機械的強度を維持する観点から、高分子電解質膜10の厚さは、1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましく、10μm以上が更に好ましい。
In the
Furthermore, by adopting a structure in which the
高分子電解質膜10のプロトン輸送抵抗を小さく維持する観点から、第二膜12の厚さは、50μm以下が好ましく、30μm以下がより好ましく、10μm以下が更に好ましい。また、高分子電解質膜10の機械的強度を維持する観点から、第二膜12の厚さは、0.1μm以上が好ましく、1μm以上がより好ましく、5μm以上が更に好ましい。
From the viewpoint of maintaining a small proton transport resistance of the
高分子電解質膜10のプロトン輸送抵抗を小さく維持する観点から、高分子電解質膜10の厚さに対する第二膜12の厚さの割合は、50%以下が好ましく、30%以下がより好ましく、20%以下が更に好ましい。また、高分子電解質膜10の機械的強度を維持する観点から、高分子電解質膜10の厚さに対する第二膜12の厚さの割合は、0.1%以上が好ましく、1%以上がより好ましく、10%以上が更に好ましい。
From the viewpoint of maintaining a small proton transport resistance of the
高分子電解質膜10において、第二膜12の酸素透過度は、第一膜11の酸素透過度よりも小さい。即ち、第一膜11の一部が、酸素透過度の小さい第二膜12で覆われている。こうすることで、高分子電解質膜10は、第一膜11単独の電解質膜とする場合と比較して、酸素のクロスリークを抑制できる。
In the
酸素透過度は、「プラスチックフィルム及びシートの気体透過度試験方法(JIS K7126-2:2006 B法(等圧法))」に準拠して、温度23℃、相対湿度60%の環境下にて測定できる。測定機は、酸素透過度測定装置(OX-TRAN 2/20、モダンコントロール社製)を用いることができる。 Oxygen permeability can be measured in accordance with "Gas permeability test method for plastic films and sheets (JIS K7126-2:2006 Method B (isobaric method))" at a temperature of 23°C and a relative humidity of 60%. The measurement device used is an oxygen permeability measuring device (OX-TRAN 2/20, manufactured by Modern Controls).
高分子電解質膜10において、第二膜12の引張強度は、第一膜11の引張強度よりも大きい。即ち、第一膜11の一部が、引張強度の大きい第二膜12で覆われている。こうすることで、高分子電解質膜10は、第一膜11単独の電解質膜とする場合と比較して、寸法安定性に優れるようになり、機械的劣化を抑制できる。その詳細は、以下の通りである。
In the
発電反応によって、固体高分子形燃料電池1は60~80℃の温度になるとともに、生成する水によって高湿度にもなる。第一膜11に含まれる第一電解質材料には、水分を含むと膨潤する性質を持つものがある。第一膜11の膨潤によって燃料極20又は酸化剤極30が外側へ押し広げられるため、外部をセパレータ40等によって拘束された固体高分子形燃料電池1では、燃料極20とセパレータ40との間等に応力が発生する。固体高分子形燃料電池1の発電及び停止を繰り返し、温度及び湿度が繰り返し変化すると、応力の発生と緩和とが繰り返され、機械的劣化が進行する。
そこで、引張強度の小さい第一膜11の一部を、引張強度の大きい第二膜12で覆うことで、高分子電解質膜10の寸法安定性を向上でき、機械的劣化を抑制できるようになっている。
The power generation reaction causes the polymer
Therefore, by covering a part of the
実施形態では、セパレータ40に用いる材料は、導電性を有する多孔質カーボンが好ましい。このような材料を用いることで、冷却水を負圧にしてセパレータ40の内部を循環させることができる。これにより、発電反応によって生じる水を強制的に冷却水の流路4Bに取り込むことができ、フラッディングを防止できる。
In this embodiment, the material used for the
引張強度は、以下のようにして引張試験を行うことで、測定できる。
第一膜11を20mmの幅で切り出し、サンプルとする。島津オートグラフAG 10kNX(株式会社島津製作所製)のチャック部分に、切り出したサンプルの両端を挟む。1m/minの引張速度でサンプルを引っ張り、応力歪み曲線の最大値の応力値を、第一膜11の引張強度とする。
第二膜12の引張強度も、第一膜11の引張強度と同様にして測定できる。
The tensile strength can be measured by carrying out a tensile test as follows.
The
The tensile strength of the
第二膜12で第一膜11を覆う分、高分子電解質膜10の低湿度でのプロトン輸送抵抗は増加する。そのため、プロトン輸送抵抗を小さく維持する観点では、第二膜12で第一膜11を覆う面積は、できるだけ小さくすることが好ましい。具体的には、高分子電解質膜10の表面の面積に対して、第二膜12が占める面積の割合は、50%以下が好ましく、30%以下がより好ましく、10%以下が更に好ましい。
また、第二膜12で第一膜11を覆う分、酸素のクロスリークを防止できるとともに、高分子電解質膜10の寸法安定性を向上できる。これらの観点では、第二膜12で第一膜11を覆う面積は、ある程度の大きさが必要である。具体的には、高分子電解質膜10の表面の面積に対して、第二膜12が占める面積の割合は、0.1%以上が好ましく、1%以上がより好ましく、5%以上が更に好ましい。
なお、高分子電解質膜10の表面の面積とは、一方の面(燃料極20と接する面)の面積と、他方の面(酸化剤極30と接する面)の面積と、の合計を意味する。同様に、第二膜12が占める面積も、一方の面(燃料極20と接する面)において第二膜12が占める面積と、他方の面(酸化剤極30と接する面)において第二膜12が占める面積と、の合計を意味する。
The proton transport resistance of the
Furthermore, since the
The surface area of the
次に、高分子電解質膜10の各実施形態について説明する。
Next, each embodiment of the
[第一実施形態]
第一実施形態においては、図2に示すように、高分子電解質膜10の両方の面(燃料極20に隣接する面及び酸化剤極30に隣接する面)の周縁部において、第二膜12が第一膜11を覆っている。即ち、高分子電解質膜10の両方の面において、周縁部が第二膜12で構成されている。
高分子電解質膜10の両方の面の周縁部は、第一膜11の膨潤に伴う応力を受けやすい。該周縁部を寸法安定性に優れる第二膜12で覆うことで、高分子電解質膜10の膨潤を抑制でき、固体高分子形燃料電池1の機械的劣化を効果的に防止できる。
[First embodiment]
2 , the
The peripheral portions on both sides of the
また、図示はしないが、高分子電解質膜10のいずれか一方の面(燃料極20に隣接する面又は酸化剤極30に隣接する面)の周縁部において、第二膜12が第一膜11を覆っている形態も好ましい。いずれか一方の面を第二膜12で覆うことによっても、固体高分子形燃料電池1の機械的劣化を同様に防止できる。
Although not shown, it is also preferable that the
[第二実施形態]
第二実施形態においては、図3に示すように、高分子電解質膜10では、燃料極20に隣接する面の一部に第二膜12が形成されている。その上で、第二膜12と水素入口部2Aとが、平面視において重なるように配置されている。即ち、第一膜11において水素入口部2Aに近接する部分が、第二膜12で覆われている。なお、図3では、酸化剤極30を省略して示している。
また、本明細書において平面視とは、高分子電解質膜10のいずれかの面(燃料極20に隣接する面又は酸化剤極30に隣接する面)に対して上方から観察することである。
固体高分子形燃料電池1において、第二膜12が存在しない場合には、水素入口部2Aの近辺ではクロスリークが発生しやすく、ラジカル種による化学的劣化も生じやすい。第二実施形態では、第一膜11のうち水素入口部2Aに近接する部分を、酸素透過度の小さい第二膜12で覆うことで、水素入口部2Aに近接する部分でのクロスリークを効果的に防止できるとともに、高分子電解質膜10の化学的劣化に対する耐久性を向上できる。
[Second embodiment]
In the second embodiment, as shown in Fig. 3, a
In this specification, a plan view refers to observing one of the surfaces of the polymer electrolyte membrane 10 (the surface adjacent to the
In the solid polymer
第二実施形態においては、図3に示すように、水素の流路2Bは直線状に複数設けられており、複数の水素の流路2Bは平行に配置されている。水素は水素入口部2Aから燃料極20の内部に入った後、反対側から燃料極20の外部に出る。水素は外部に設置されたマニホールド(図示せず)を通じて折り返し、再び燃料極20の内部に導入される。このようにして水素を燃料極20に出入りさせることを繰り返し、燃料極20の内部に水素を効率よく導入できる。
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, multiple
また、図示はしないが、第二膜12は水素入口部2Aの近辺に加えて、他の部分に存在してもよい。例えば、酸化剤極30に接する面の一部において、第二膜12が第一膜11を覆っていてもよい。
Although not shown, the
[第三実施形態]
第三実施形態においては、図4に示すように、高分子電解質膜10では、酸化剤極30に隣接する面の一部に第二膜12が形成されている。その上で、第二膜12と空気入口部3Aとが、平面視において重なるように配置されている。即ち、第一膜11において空気入口部3Aに近接する部分が、第二膜12で覆われている。なお、図3では、燃料極20を省略して示している。
固体高分子形燃料電池1において、空気入口部3Aでは酸素分圧が最も高く、第二膜12が存在しない場合には、空気入口部3Aの近辺では酸素による化学的劣化が発生しやすい。第三実施形態では、第一膜11のうち空気入口部3Aに近接する部分を第二膜12で覆うことで、第一膜11を化学的劣化から防ぐことができるため、高分子電解質膜10の化学的劣化に対する耐久性を向上できる。また、第二膜12は酸素透過度が小さく、酸素分圧が高い部分においてクロスリークを防止できる。
[Third embodiment]
In the third embodiment, as shown in Fig. 4, the
In the solid polymer
第三実施形態においては、図4に示すように、空気の流路3Bは直線状に複数設けられており、複数の空気の流路3Bは平行に配置されている。空気は空気入口部3Aから酸化剤極30の内部に入った後、反対側から酸化剤極30の外部に出る。酸素は外部に設置されたマニホールド(図示せず)を通じて折り返し、再び酸化剤極30の内部に導入される。このようにして空気を酸化剤極30に出入りさせることを繰り返し、酸化剤極30の内部に空気を効率よく導入できる。
In the third embodiment, as shown in FIG. 4, multiple
また、図示はしないが、第二膜12は空気入口部3Aの近辺に加えて、他の部分に存在してもよい。例えば、燃料極20に接する面の一部において、第二膜12が第一膜11を覆っていてもよい。
Although not shown, the
[第四実施形態]
第四実施形態においては、図5に示すように、高分子電解質膜10は、酸化剤極30に隣接する面の一部に第二膜12が形成されている。また、固体高分子形燃料電池1は、酸化剤極30の高分子電解質膜10とは反対側の面に、セパレータ40を備える。また、セパレータ40は、固体高分子形燃料電池1の外部から冷却水を導入する冷却水入口部4Aを備える。その上で、第二膜12と冷却水入口部4Aとが、平面視において重なるように配置されている。即ち、第一膜11において冷却水入口部4Aに近接する部分が、第二膜12で覆われている。なお、図5では、燃料極20を省略して示している。
固体高分子形燃料電池1において、冷却水入口部4Aの近辺は最も冷却されやすく、第二膜12が存在しない場合には、高分子電解質膜10の急激な収縮に伴い機械的に劣化しやすい。第四実施形態では、第一膜11のうち冷却水入口部4Aに近接する部分を、寸法安定性に優れた第二膜12で覆うことで、高分子電解質膜10の機械的劣化に対する耐久性を向上できる。
また、冷却水には、第一膜11を化学的に劣化させる物質(例えば、鉄イオン等)が溶解している場合がある。かかる場合であっても、第四実施形態では、第二膜12によって第一膜11の化学的劣化を抑制できる。
[Fourth embodiment]
In the fourth embodiment, as shown in Fig. 5, the
In the solid polymer
Furthermore, the cooling water may contain dissolved substances (e.g., iron ions, etc.) that chemically deteriorate the
第四実施形態においては、図5に示すように、冷却水の流路4Bは、セパレータ40の内部を蛇行するように設けられている。セパレータ40の内部で冷却水を蛇行させることで、発電反応に伴い発熱した固体高分子形燃料電池1を効率よく冷却できる。
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 5, the cooling
また、図示はしないが、冷却水は、セパレータ40の内部に加えて、燃料極20の外側(燃料極20が高分子電解質膜10と隣接する面とは反対側)に隣接する部材の内部に導入してもよい。こうすることで、固体高分子形燃料電池1を更に効率よく冷却できる。
Although not shown, the cooling water may be introduced into the
次に、固体高分子形燃料電池の製造方法を説明する。 Next, we will explain the manufacturing method for solid polymer fuel cells.
[第五実施形態]
第五実施形態の製造方法は、第一膜の表面の一部を加熱しながら圧力を加え、第一膜の表面に凹部を形成する工程(以下、「加圧工程」と称する。)と、凹部に第二膜を嵌合させた状態で第一膜及び第二膜を加熱し、高分子電解質膜を形成する工程(以下、「接合工程」と称する。)と、をこの順に有する。第五実施形態について、図6を参照しながら以下に説明する。
[Fifth embodiment]
The manufacturing method of the fifth embodiment includes, in this order, a step of applying pressure to a part of a surface of a first membrane while heating the part, thereby forming a recess in the surface of the first membrane (hereinafter referred to as a "pressurizing step"), and a step of heating the first membrane and the second membrane in a state in which the second membrane is fitted into the recess, thereby forming a polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as a "bonding step"). The fifth embodiment will be described below with reference to FIG. 6.
加圧工程では、例えば、第一電解質材料を含む第一膜11の表面に対して、加熱した金型51を押し当てる(図6(A))。このとき、金型51の温度が第一電解質材料の融点以上又はガラス転移点以上となるように加熱することで、第一膜11が塑性変形し、加圧部分の膜厚が薄くなる。その結果、第一膜11の表面に凹部13を設けることができる(図6(B))。なお、本明細書において、凹部とは、周囲に比較して膜厚が薄い部分を意味し、膜の中心に近い部分で周囲よりも膜厚が薄い部分の他、膜の周縁部において膜厚が薄い部分も包含される。
また、金型51の形状を適宜変更することで、第一膜11の表面に所望の形状の凹部13を設けることができる。
加圧工程には、公知のホットプレスを用いることができる。
In the pressurizing step, for example, a
Furthermore, by appropriately changing the shape of the
In the pressing step, a known hot press can be used.
加圧工程の後の接合工程では、例えば、凹部13の形状に嵌合するように切り出した第二膜12を、第一膜11の表面の凹部13に嵌合させる(図6(C))。その状態で、第一膜11及び第二膜12を加熱する。このとき、第一電解質材料の融点以上又はガラス転移点以上で、且つ第二電解質材料の融点以上又はガラス転移点以上となるように加熱することで、第一膜11と第二膜12とが界面で接合し、一体化した複合膜となる(図6(D))。このようにして、第一膜11の一方の面の一部を所望の形状の第二膜12で覆った高分子電解質膜10を製造できる。
接合工程では、接着剤を用いることなく、第一膜11と第二膜12とを接合できる。従って、第一膜11と第二膜12との間の接着剤によって、高分子電解質膜10のプロトン伝導性が低下することを防止できる。
In the bonding step after the pressurizing step, for example, the
In the bonding step, the
第一膜11の他方の面も同様にして、所望の形状の第二膜12で覆うことができる。その結果、図2に示すような高分子電解質膜10を製造することもできる。
また、金型16の形状及び第二膜12の形状を図6に示すものから適宜変更することで、図3~5に示すような高分子電解質膜10を製造することもできる。
The other surface of the
Moreover, by appropriately changing the shape of the mold 16 and the shape of the
[第六実施形態]
第六実施形態の製造方法は、第一膜の表面の一部を加熱しながら圧力を加え、第一膜の表面に凹部を形成する工程(加圧工程)と、第二電解質材料を溶解した塗布液を凹部に塗布する工程(以下、「塗布工程」と称する。)と、塗布液を乾燥して前記第二膜を形成する工程(以下、「乾燥工程」と称する。)と、をこの順に有する。第六実施形態について、図7を参照しながら以下に説明する。
なお、第六実施形態における加圧工程については、第五実施形態における加圧工程と同様であるため、説明を省略する。
[Sixth embodiment]
The manufacturing method of the sixth embodiment includes, in this order, a step of applying pressure to a part of the surface of the first film while heating the part, thereby forming a recess in the surface of the first film (pressurizing step), a step of applying a coating liquid in which a second electrolyte material is dissolved, to the recess (hereinafter referred to as a "coating step"), and a step of drying the coating liquid to form the second film (hereinafter referred to as a "drying step"). The sixth embodiment will be described below with reference to FIG. 7.
The pressurizing step in the sixth embodiment is similar to the pressurizing step in the fifth embodiment, and therefore a description thereof will be omitted.
加圧工程の後の塗布工程では、例えば、第一膜11の表面のうち、加圧工程にて加圧されなかった部分を、所定の形状のマスク材52で予め覆っておく(図7(A))。その状態で、第二電解質材料を溶解した塗布液をスプレーノズル53から噴射し、スプレー塗布を行う(図7(B))。スプレー塗布により、凹部13に塗布液を塗布することができる。その際、凹部13とともに、マスク材52にも塗布液が塗布される。
なお、スプレー塗布の代わりに、他の湿式塗布方式で塗布してもよい。例えば、スピンコート法、ドクターブレード法、ダイコーター法等の方法で塗布してもよい。
In the coating step after the pressurizing step, for example, the portion of the surface of the
Instead of spray coating, other wet coating methods may be used, such as spin coating, doctor blade coating, and die coater coating.
塗布工程の後の乾燥工程では、例えば、マスク材52を第一膜11から除去し、加熱装置にて第一膜11を加熱乾燥する。加熱乾燥により、凹部13に塗布された塗布液から溶媒を除去し、凹部13に第二電解質材料からなる第二膜12を形成する(図7(C))。このようにして、第一膜11の一方の面の一部を所望の形状の第二膜12で覆った高分子電解質膜10を製造できる。
なお、マスク材52は、乾燥する前ではなく乾燥した後に除去してもよい。
In the drying step after the coating step, for example, the
The
第六実施形態において、形成される第二膜12の厚さは、塗布液における第二電解質材料の濃度、及び塗布液の塗布時間等を適宜制御することで、調整できる。
乾燥工程における乾燥時間を短くする観点から、塗布液における第二電解質材料の濃度は、0.001g/mL以上が好ましく、0.005g/mL以上がより好ましく、0.01g/mL以上が更に好ましい。また、塗布液の扱いやすさの観点から、塗布液における第二電解質材料の濃度は、0.1g/mL以下が好ましく、0.05g/mL以下がより好ましく、0.03g/mL以下が更に好ましい。
第二膜12を確実に形成する観点から、塗布液の塗布時間は、5秒以上が好ましく、30秒以上がより好ましく、60秒以上が更に好ましい。また、乾燥工程における乾燥時間を短くする観点から、塗布液の塗布時間は、600秒以下が好ましく、300秒以下がより好ましく、150秒以下が更に好ましい。
In the sixth embodiment, the thickness of the
From the viewpoint of shortening the drying time in the drying step, the concentration of the second electrolyte material in the coating liquid is preferably 0.001 g/mL or more, more preferably 0.005 g/mL or more, and even more preferably 0.01 g/mL or more. From the viewpoint of ease of handling of the coating liquid, the concentration of the second electrolyte material in the coating liquid is preferably 0.1 g/mL or less, more preferably 0.05 g/mL or less, and even more preferably 0.03 g/mL or less.
From the viewpoint of reliably forming the
乾燥工程において加熱乾燥を行う場合、第一膜11の変形を防ぐ観点から、加熱の温度は、第一電解質材料の融点未満又はガラス転移点未満とすることが好ましい。
When heat drying is performed in the drying process, the heating temperature is preferably less than the melting point or glass transition point of the first electrolyte material in order to prevent deformation of the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.
1 固体高分子形燃料電池
2A 水素入口部
2B 水素の流路
3A 空気入口部
3B 空気の流路
4A 冷却水入口部
4B 冷却水の流路
10 高分子電解質膜
11 第一膜
12 第二膜
13 凹部
20 燃料極
30 酸化剤極
40 セパレータ
51 金型
52 マスク材
53 スプレーノズル
REFERENCE SIGNS
Claims (9)
前記高分子電解質膜が、第一電解質材料を含む第一膜と、第二電解質材料を含む第二膜と、を備える複合膜であり、
前記第二膜が前記第一膜の一部を覆っており、
前記第二膜の酸素透過度が、前記第一膜の酸素透過度よりも小さく、
前記第二膜の引張強度が、前記第一膜の引張強度よりも大きい、固体高分子形燃料電池。 A solid polymer electrolyte fuel cell having a proton-conductive polymer electrolyte membrane, a fuel electrode disposed adjacent to one surface of the polymer electrolyte membrane, and an oxidizer electrode disposed adjacent to the other surface of the polymer electrolyte membrane,
the polymer electrolyte membrane is a composite membrane comprising a first membrane containing a first electrolyte material and a second membrane containing a second electrolyte material;
the second film covers a portion of the first film;
the oxygen permeability of the second membrane is smaller than the oxygen permeability of the first membrane,
A polymer electrolyte fuel cell, wherein the second membrane has a tensile strength greater than the tensile strength of the first membrane.
前記燃料極に隣接する前記第二膜と、前記水素入口部とが、平面視において重なる、請求項1又は2に記載の固体高分子形燃料電池。 the fuel electrode has a hydrogen inlet port through which hydrogen is introduced from outside the polymer electrolyte fuel cell;
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the second membrane adjacent to the fuel electrode and the hydrogen inlet port overlap each other in a plan view.
前記酸化剤極に隣接する前記第二膜と、前記空気入口部とが、平面視において重なる、請求項1又は2に記載の固体高分子形燃料電池。 the oxidizer electrode has an air inlet portion for introducing air from the outside of the polymer electrolyte fuel cell,
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the second membrane adjacent to the oxidizer electrode and the air inlet portion overlap in a plan view.
前記セパレータが、前記固体高分子形燃料電池の外部から冷却水を導入する冷却水入口部を備え、
前記酸化剤極に隣接する前記第二膜と、前記冷却水入口部とが、平面視において重なる、請求項1又は2に記載の固体高分子形燃料電池。 the solid polymer electrolyte fuel cell has a separator arranged on a surface of the oxidizer electrode opposite to the polymer electrolyte membrane,
the separator has a cooling water inlet portion for introducing cooling water from the outside of the polymer electrolyte fuel cell;
3 . The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 , wherein the second membrane adjacent to the oxidizer electrode and the cooling water inlet portion overlap in a plan view.
前記第一膜の表面の一部を加熱しながら圧力を加え、前記第一膜の表面に凹部を形成する工程と、
前記凹部に前記第二膜を嵌合させた状態で前記第一膜及び前記第二膜を加熱し、前記高分子電解質膜を形成する工程と、
をこの順に有する、固体高分子形燃料電池の製造方法。 3. The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1,
applying pressure to a portion of a surface of the first film while heating the portion to form a recess in the surface of the first film;
heating the first membrane and the second membrane in a state in which the second membrane is fitted into the recess to form the polymer electrolyte membrane;
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell comprises the steps of:
前記第一膜の表面の一部を加熱しながら圧力を加え、前記第一膜の表面に凹部を形成する工程と、
前記第二電解質材料を溶解した塗布液を前記凹部に塗布する工程と、
前記塗布液を乾燥して前記第二膜を形成する工程と、
をこの順に有する、固体高分子形燃料電池の製造方法。 3. The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1,
applying pressure to a portion of a surface of the first film while heating the portion to form a recess in the surface of the first film;
applying a coating liquid in which the second electrolyte material is dissolved to the recess;
drying the coating liquid to form the second film;
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell comprises the steps of:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022175738A JP2024066263A (en) | 2022-11-01 | 2022-11-01 | Solid polymer electrolyte fuel cell and method for producing solid polymer electrolyte fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022175738A JP2024066263A (en) | 2022-11-01 | 2022-11-01 | Solid polymer electrolyte fuel cell and method for producing solid polymer electrolyte fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024066263A true JP2024066263A (en) | 2024-05-15 |
Family
ID=91064663
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022175738A Pending JP2024066263A (en) | 2022-11-01 | 2022-11-01 | Solid polymer electrolyte fuel cell and method for producing solid polymer electrolyte fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2024066263A (en) |
-
2022
- 2022-11-01 JP JP2022175738A patent/JP2024066263A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4327732B2 (en) | Solid polymer fuel cell and manufacturing method thereof | |
US8192893B2 (en) | Membrane-membrane reinforcing membrane assembly, membrane-catalyst layer assembly, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
CA2539602C (en) | Catalyst-coated membrane with integrated sealing material and membrane-electrode assembly produced therefrom | |
JP5551215B2 (en) | Method for producing polymer electrolyte fuel cell | |
CN107180986B (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell including the same | |
WO2010084745A1 (en) | Fuel cell | |
JP5286887B2 (en) | Membrane / electrode assembly with reinforcing sheet for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same | |
KR100832213B1 (en) | Direct oxidation fuel cell and production method thereof | |
KR100645832B1 (en) | Membrane electrode assembly for pemfc, method for preparing the same, and fuel cell using the same | |
US11424467B2 (en) | Method for manufacturing membrane electrode assembly, and stack | |
KR100719095B1 (en) | A direct methanol fuel cell having less crossover phenomenon of methanol comprising a layer of material for controlling diffusion rate of fuel | |
Wannek | High-temperature PEM fuel cells: electrolytes, cells, and stacks | |
US20100068592A1 (en) | Electrodes for use in hydrocarbon-based membrane electrode assemblies of direct oxidation fuel cells | |
JP2024066263A (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell and method for producing solid polymer electrolyte fuel cell | |
JP4786008B2 (en) | Fuel cell | |
JP5870643B2 (en) | Manufacturing method of membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell | |
Scott | Membrane electrode assemblies for polymer electrolyte membrane fuel cells | |
JP3619737B2 (en) | Fuel cell and fuel cell | |
JP2006066161A (en) | Manufacturing method of fuel cell film/electrode junction | |
KR102188833B1 (en) | Membrane electrode assembly, manufacturing method of membrane electrode assembly and fuel cell | |
JP2007042600A (en) | Fuel cell | |
JP2010170895A (en) | Method and device for manufacturing membrane electrode assembly | |
US11557783B2 (en) | Polymer electrolyte membrane for fuel cells and method for manufacturing the same | |
JP2005032520A (en) | Fuel cell and its manufacturing method | |
JP2010062040A (en) | Method of manufacturing fuel cell |