JP3382655B2 - 改良されてなる固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

改良されてなる固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number
JP3382655B2
JP3382655B2 JP03942193A JP3942193A JP3382655B2 JP 3382655 B2 JP3382655 B2 JP 3382655B2 JP 03942193 A JP03942193 A JP 03942193A JP 3942193 A JP3942193 A JP 3942193A JP 3382655 B2 JP3382655 B2 JP 3382655B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
film
water content
polymer electrolyte
polymer
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP03942193A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH06231783A (ja
Inventor
正之 田村
清成 實方
優 吉武
晴久 三宅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Glass Co Ltd filed Critical Asahi Glass Co Ltd
Priority to JP03942193A priority Critical patent/JP3382655B2/ja
Publication of JPH06231783A publication Critical patent/JPH06231783A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3382655B2 publication Critical patent/JP3382655B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体高分子電解質型燃料
電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年プロトン伝導性の高分子膜を電解質
として用いる燃料電池(固体高分子電解質型燃料電池)
の研究が進んでいる。固体高分子電解質型燃料電池は、
低温で作動し出力密度が高く小型化が可能であるという
特徴を有し、車載用電源等の用途に対し有視されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】固体高分子電解質型燃
料電池に用いられる高分子膜は、通常厚さ100〜20
0μmのプロトン伝導性イオン交換膜が用いられ、特に
スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体から
なる陽イオン交換膜が基本特性に優れ広く検討されてい
る。しかし、現在提案されている陽イオン交換膜の電気
抵抗は、より高出力密度の電池を得る観点から必ずしも
十分に低いとは言えない。
【0004】陽イオン交換膜の電気抵抗を低減する方法
としてはスルホン酸基濃度の増加と膜厚の低減がある
が、スルホン酸基濃度の著しい増加は膜の機械的強度を
低下させたり、長期運転において膜がクリープしやす
なり耐久性を低下させるなどの問題点が生じる。一方膜
厚の低減は膜の機械的強度を低下させたり、更にガス拡
散電極との接合等の加工性・取扱い性を低下させるなど
の問題点が生じる。かくして、電気抵抗が低くつ機械
的強度が高い隔膜の開発が望まれていた。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は前述の問題点を
解決すべくなされたものであり、スルホン酸基を有する
パーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜を
固体高分子電解質として正極と負極の間に配置して有
る燃料電池において、陽イオン交換膜が、異なる含水率
を有する重合体フィルム3層以上の積層構造を有し
に隣接する重合体フィルムの含水率及び負極に隣接
る重合体フィルムの含水率が、正極にも負極にも隣接し
ない中間の重合体フィルムの含水率よりも高いことを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池を提供するもので
ある。
【0006】本発明で陽イオン交換膜は、その負極及び
正極に面する重合体フィルムが、かかる両層に挟まれた
中間の重合体フィルムに比べて、含水率が5〜50重量
%、特には10〜30重量%大きいことが好ましい。負
極に隣接する重合体フィルムと極に隣接する重合体フ
ィルムは、そのいずれか一方が他方よりも大きい含水率
を有してもよい。各重合体フィルムの含水率は、いずれ
も30〜110重量%、特には35〜95重量%に制御
するのが好ましい。
【0007】本発明で重合体フィルム(スルホン酸型)
の含水率(ΔW)は以下のように定義される。 ΔW=(W1/W2−1)×100(重量%) W1:90℃、純水中24時間浸漬後の膜重量。 W2:W1を測定後、100℃にて16時間真空乾燥した
後の膜重量。
【0008】パーフルオロカーボン重合体フィルムを積
層してなる陽イオン交換膜は、膜厚として30〜300
μm、更には50〜250μmであるのが好ましい。上
記範囲の下限値より薄いと膜強度及び電極接合等におけ
る膜取扱い性が低下し、一方上限値より厚いと膜抵抗が
上昇し、出力が低下するため好ましくない。
【0009】本発明に用いられるスルホン酸基を有する
(以下、スルホン酸型という。)パーフルオロカーボン
重合体としては、テトラフルオロエチレンとCF2=C
F−(OCF2CFX)m−Oq−(CF2n−A(式中
0〜3、n0〜12、q0又は1、XF又は
CF3、Aスルホン酸基。)で表されるフルオロビニ
ル化合物との共重合体が好ましく採用可能である。
【0010】上記フルオロビニル化合物の好ましい例と
しては、CF2=CFO(CF2 r SO 3 H、CF2=C
FOCF2CF(CF3)O(CF2 s SO 3 H、CF2
CF(CF2 t SO 3 H、CF2=CF(OCF2CF
(CF3)) u O(CF22SO 3 H、などが挙げられ
る。ただし、rは1〜8であり、sは1〜8であり、t
は0〜8 であり、uは1〜5である。
【0011】なお、スルホン酸型パーフルオロカーボン
重合体を構成するためのコモノマーである上記テトラフ
ルオロエチレンの代わりにヘキサフルオロプロピレン
如きパーフルオロオレフィン、パーフルオロアルキル
ビニルエーテル)等を用いることも可能である。
【0012】上記パーフルオロカーボン重合体フィルム
の積層体である陽イオン交換膜は、フィブリル状、織布
状、又は不織布状のパーフルオロカーボン重合体で補強
することもできる。
【0013】本発明の、異なる含水率を有する重合体フ
ィルム積層体からなる陽イオン交換膜は通常の既知の
手法に従ってその表面にガス拡散電極を密着させ、次い
で集電体を取り付け燃料電池として組み立てられる。
【0014】ガス拡散電極は、通常白金触媒微粒子を担
持させた導電性のカーボンブラック粉末をポリテトラフ
ルオロエチレンなどの疎水性樹脂結着材で保持させた多
孔質体のシートよりなるが、該多孔質体がスルホン酸型
パーフルオロカーボン重合体や該重合体で表面を被覆さ
れた微粒子を含んでいてもよい。ガス拡散電極とスルホ
ン酸型パーフルオロカーボン重合体とは加熱プレス法等
により密着される。
【0015】集電体は燃料ガス又は酸化剤ガスの通路
となる溝が形成された導電性カーボン板等が用いられ
る。
【0016】
【作用】本発明で良好な効果が達成される機構は必ずし
も明らかではないが、以下のように考えられる。水素ガ
ス燃料電池においては以下の反応に従って化学エネルギ
ーが電気エネルギーに変換される。 負極: H2→2H++2e- 正極: 1/2O2+2H++2e-→H2O 燃料電池における陽イオン交換膜中のプロトンの移動性
は、該膜の含水率に大きく関わっており、含水率が高い
ほどプロトン移動性は高く、膜抵抗は低下する。
【0017】陽イオン交換膜の正極側は上記の反応に従
って水を生成するため、高含水状態となりプロトンの移
動性も高い状態に維持されるが、一方、膜の負極側は相
対的に含水率が低くなり、膜中のプロトン移動は負極
が律速になると推定される。かかる膜の負極側に高い含
を有する層を設置することにより、プロトン移動
性の低下を防ぐことが可能であり、結果として燃料電池
の高出力化が達成されると考えられる。
【0018】一方、正極で発生した水分子は膜内を負極
側へ拡散するが、さらにかかる膜の正極側にも高い含水
を有する層を設置することにより、膜内の水分子の拡
散が加速されると考えられる。この結果膜負極側の低
含水状態を緩和しさらに抵抗の低い膜が得られる。
【0019】
【実施例】実施例1 特開平2−88645号公報に記載されている方法に準
拠し、CF2=CF2とCF2=CFOC2CF
3)O(CF22SO2Fとの共重合体からなるイオン
交換容量(以下ARという。1.0ミリ当量/g乾
燥樹脂の共重合体、及びARが1.1ミリ当量/g乾燥
樹脂の共重合体をそれぞれ得た。前者の共重合体を22
0℃で押し出し製膜し、厚さ60μmのフィルムを得
た。次に後者の共重合体を220℃で押し出し製膜し、
厚さ20μmのフィルムを得た。
【0020】上記2種類の共重合体フィルムのうち、A
Rが1.0ミリ当量/g乾燥樹脂で 厚さ60μmのフィ
ルム1枚とARが1.1ミリ当量/g乾燥樹脂で厚さ2
0μmのフィルム2枚を使用し、220℃にてロール
レスにより、2枚の厚さ20μmのフィルムで厚さ60
μmのフィルムを挟むようにして積層した。得られ
層体を、ジメチルスルホキシド30重量%と苛性カリ1
5重量%とを含む水溶液中で加水分解を行い、水洗した
後1Nの塩酸中に浸漬した。次に得られた陽イオン交換
膜を水洗し、膜の四辺を専用治具で拘束した後60℃
1時間乾燥した。なお、上記重合体フィルムの含水率
は、AR1.0ミリ当量/g乾燥樹脂のものは50重
量%であり、AR1.1ミリ当量/g乾燥樹脂のもの
は70重量%であった。
【0021】この陽イオン交換膜を用いた燃料電池の特
性を評価した。白金触媒微粒子を担持させたカーボンブ
ラック粉末にポリテトラフルオロエチレンを混し、ロ
ールプレスを用いて厚さ250μmシート状のガス拡
散電極を作製した。上記2枚のガス拡散電極の間に上記
陽イオン交換膜を挿入し平板熱プレス機を用いて積層す
ることにより膜電極接合体を作製した。膜電極接合体の
白金触媒量は膜面積1cm2当り1mgであった。
【0022】次に、膜電極接合体をチタン製の集電体、
ポリテトラフルオロエチレン製のガス供給室、ヒーター
の順番で両側からみ、有効膜面積9cm2の燃料電池
を組みあげたセルの温度を80℃に保ち、正極に酸
素、負極に水素をそれぞれ5気圧で供給したときの電流
密度に対する端子電圧を測定したところ、電流密度1A
/cm2 においてセル電圧0.65Vであった。
【0023】比較例1 実施例1で使用したのと同じイオン交換容量1.0ミリ
当量/g乾燥樹脂の共重合体単独を220℃で押し出し
製膜し、厚さ100μmのフィルムを得た。これに実施
例1と同様な処理を施し、陽イオン交換膜を製造した。
実施例1と同様な方法により燃料電池を組みあげた後、
同様な条件下で電流密度に対する端子電圧を測定したと
ころ、電流密度1A/cm2 においてセル電圧0.60
Vであった。
【0024】上記の結果からわかるように、実施例1の
陽イオン交換膜は比較例1の膜に比べ、燃料電池を組み
あげたときのエネルギー損失が小さい。
【0025】
【発明の効果】従来膜にない低い電気抵抗を有する陽イ
オン交換膜を固体高分子電解質とすることにより、高性
能の固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−92394(JP,A) 特開 昭58−199884(JP,A) 特開 平2−88645(JP,A) 特開 平4−264367(JP,A) 特開 昭57−25331(JP,A) 特開 昭54−112398(JP,A) 特開 平6−84528(JP,A) 特開 平4−366137(JP,A) 特開 平6−231778(JP,A) 特表 昭58−500570(JP,A) 特表 昭62−500759(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 - 8/24 H01M 4/86 - 4/98

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スルホン酸基を有するパーフルオロカーボ
    ン重合体からなる陽イオン交換膜を固体高分子電解質と
    して正極と負極の間に配置して有する燃料電池におい
    て、陽イオン交換膜が、異なる含水率を有する重合体フ
    ィルム3層以上の積層構造を有し正極に隣接する重合
    体フィルムの含水率及び負極に隣接する重合体フィルム
    の含水率が、正極にも負極にも隣接しない中間の重合体
    フィルムの含水率よりも高いことを特徴とする固体高分
    子電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】正極及び負極に隣接る重合体フィルムの
    含水率が、前記中間の重合体フィルムの含水率よりも5
    〜50重量%い請求項1に記載の固体高分子電解質型
    燃料電池。
  3. 【請求項3】重合体フィルムの含水率が30〜110
    重量%である請求項1又は2に記載の固体高分子電解質
    型燃料電池。
  4. 【請求項4】パーフルオロカーボン重合体が、CF2
    CF2とCF2=CF−(OCF2CFX)m−Oq−(C
    2n−A(式中m0〜3、n0〜12、q0又
    は1、XF又はCF3、Aスルホン酸基。)との共
    重合体である請求項1、2又は3に記載の固体高分子電
    解質型燃料電池。
JP03942193A 1993-02-03 1993-02-03 改良されてなる固体高分子電解質型燃料電池 Expired - Fee Related JP3382655B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP03942193A JP3382655B2 (ja) 1993-02-03 1993-02-03 改良されてなる固体高分子電解質型燃料電池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP03942193A JP3382655B2 (ja) 1993-02-03 1993-02-03 改良されてなる固体高分子電解質型燃料電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH06231783A JPH06231783A (ja) 1994-08-19
JP3382655B2 true JP3382655B2 (ja) 2003-03-04

Family

ID=12552524

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP03942193A Expired - Fee Related JP3382655B2 (ja) 1993-02-03 1993-02-03 改良されてなる固体高分子電解質型燃料電池

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3382655B2 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4090108B2 (ja) * 1997-04-04 2008-05-28 旭化成ケミカルズ株式会社 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体
DE19854728B4 (de) 1997-11-27 2006-04-27 Aisin Seiki K.K., Kariya Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
JP2005322621A (ja) * 2004-03-22 2005-11-17 Ibiden Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JP4578174B2 (ja) * 2004-08-17 2010-11-10 旭化成イーマテリアルズ株式会社 高分子電解質組成物、プロトン交換膜、膜電極接合体及び固体高分子型燃料電池
JP5109311B2 (ja) * 2005-12-27 2012-12-26 日産自動車株式会社 膜電極接合体、および、これを用いた燃料電池
JP5059341B2 (ja) * 2006-05-09 2012-10-24 株式会社トクヤマ 直接液体型燃料電池用隔膜

Also Published As

Publication number Publication date
JPH06231783A (ja) 1994-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3453125B2 (ja) 電気化学的燃料電池
JP3342726B2 (ja) 固体高分子電解質型の燃料電池及びその製造方法
JP3382654B2 (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
US7494733B2 (en) Electrode structure for solid polymer fuel cell, its production method, and solid polymer fuel cell
EP1116291A1 (en) Polymer-based hydroxide conducting membranes
JP4887580B2 (ja) ガス拡散電極及びこれを備えた固体高分子型燃料電池
JP2000106202A (ja) 燃料電池
JP4090108B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体
JP3358222B2 (ja) 固体高分子型燃料電池の活性化方法
JP3714766B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用電極及び膜・電極接合体
JP3541466B2 (ja) 改良された固体高分子電解質型燃料電池
JP3382655B2 (ja) 改良されてなる固体高分子電解質型燃料電池
JP3378028B2 (ja) 燃料電池用ガス拡散電極の製造方法
US7745036B2 (en) Direct oxidation fuel cell system and membrane electrode assembly thereof
JPH11135136A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP4848587B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用電解質材料とその製造方法、及び固体高分子型燃料電池
JPH06349498A (ja) ガス拡散電極、接合体、燃料電池及びそれらの製造方法
JP4218255B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体の製造方法
JPH09219206A (ja) 電気化学素子
JP4438283B2 (ja) 膜電極接合体
JPH06231782A (ja) 改良された固体高分子電解質型燃料電池
JP2002319421A (ja) 固体高分子型燃料電池の起動方法及び製造方法
JPH06231778A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP5773863B2 (ja) レドックスフロー二次電池
JPH08298128A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081220

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081220

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091220

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091220

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101220

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111220

Year of fee payment: 9

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees