JP5078262B2 - 燃料電池用高分子電解質膜,その製造方法,及びこれを含む燃料電池システム - Google Patents

燃料電池用高分子電解質膜,その製造方法,及びこれを含む燃料電池システム Download PDF

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Description

本発明は,燃料電池用高分子電解質膜,その製造方法,及びこれを含む燃料電池システムに関し,より詳しくは,自己加湿効果を有する燃料電池用高分子電解質膜,その製造方法,及びこれを含む燃料電池システムに関する。
燃料電池(Fuel cell)は,メタノール,エタノール,天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素及び酸素の化学反応エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムである。
燃料電池は,使用される電解質の種類によって,リン酸型燃料電池,溶融炭酸塩型燃料電池,固体酸化物型燃料電池,高分子電解質型燃料電池,またはアルカリ型燃料電池などに分類される。これら各々の燃料電池は根本的に同一の原理によって作動するが,使用される燃料の種類,作動温度,触媒,電解質などが互いに異なる。
これらの中でも,最近になって開発された高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell;PEMFC)は,他の燃料電池に比べて出力特性が優れており,作動温度が低く,始動特性及び応答特性が速いため,自動車のような移動用電源はもちろん,住宅,公共建物のような分散用電源,及び電子機器のような小型電源など,応用範囲が広いという長所がある。
このようなPEMFCは,基本的なシステムを構成するために,スタック(stack),改質装置(reformer),燃料タンク,及び燃料ポンプなどを含む。スタックは燃料電池の本体を形成し,燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を改質装置に供給する。改質装置は燃料を改質して水素ガスを発生させて,その水素ガスをスタックに供給する。したがって,このPEMFCは,燃料ポンプの作動によって燃料タンク内の燃料を改質装置に供給し,この改質装置で燃料を改質して水素ガスを発生させ,スタックで水素ガス及び酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
一方,燃料電池は,液体のメタノール燃料をスタックに直接供給する直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC)方式を採用することもできる。このような直接メタノール型燃料電池は,高分子電解質型燃料電池とは異なって,改質装置が不要である。
このような燃料電池システムにおいて,電気を実質的に発生させるスタックは,膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)及びセパレータ(Separator,または二極式プレート(Bipolar Plate))からなる単位セルが数個〜数十個積層された構造からなる。膜−電極接合体は,水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜を間において,アノード(燃料極または酸化電極ともいう)及びカソード(空気極または還元電極ともいう)が接続された構造からなる。
セパレータは,燃料電池の反応に必要な燃料をアノードに供給し,酸素をカソードに供給する通路の役割と,各膜−電極接合体のアノード及びカソードを直列に接続する伝導体の役割とを同時に果たす。この過程で,アノードでは燃料の電気化学的な酸化反応が起こり,カソードでは酸素の電気化学的な還元反応が起こりながら,この時に生成される電子の移動によって電気,熱,そして水を共に得ることができる。
膜−電極接合体に含まれる高分子電解質膜は,一定程度の水分を含む状態で優れた水素イオン伝導性を示すため,通常の燃料電池は,高分子電解質膜の水分を一定程度に維持するために別途の加湿装置を含むので,燃料電池の構造が複雑で,小型化が難しいという問題がある。
したがって,燃料電池のカソードで発生する水を直接利用して独自に水分を供給することができる自己加湿型高分子電解質膜の開発が要求されている。
そこで,本発明は,このような問題に鑑みてなされたものであって,その目的は,機械的物性が優れており,自己加湿効果を有する,新規かつ改良された燃料電池用高分子電解質膜,その製造方法及びこの高分子電解質膜を含む燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決するために,本発明の第1の観点によれば,アルキン酸塩,及びキトサンからなる群から選択される1種以上の親水性化合物を含む織布,多孔性フィルム,または不織布である気孔度が60%以上の含湿布と,前記含湿布の内部,側面,またはこれら全てに位置する水素イオン伝導性高分子と,を含み,前記含湿布は,ゼオライト,無機シリケート,TiO,SiO,及びRuOからなる群から選択される1種以上の無機酸化物である含湿剤をさらに含むことを特徴とする,燃料電池用高分子電解質膜が提供される。
また,上記課題を解決するために,本発明の第2の観点によれば,水素イオン伝導性高分子溶液を,アルキン酸塩,及びキトサンからなる群から選択される1種以上の親水性化合物を含む織布,多孔性フィルム,または不織布である気孔度が60%以上の含湿布の片面または両面に塗布する段階と,前記水素イオン伝導性高分子溶液を乾燥させる段階と,を含み,前記含湿布は,ゼオライト,無機シリケート,TiO,SiO,及びRuOからなる群から選択される1種以上の含湿剤をさらに含むことを特徴とする,燃料電池用高分子電解質膜の製造方法が提供される。
また,上記課題を解決するために,本発明の第3の観点によれば,a)i)燃料電池用高分子電解質膜,燃料電池用高分子電解質膜の一方の面に配置されるカソード,及び燃料電池用高分子電解質膜の他方の面に配置されるアノードを含む膜−電極接合体と,ii)膜−電極接合体のカソード及びアノードに各々接して配置されるセパレータと,を含む電気発生部と,b)燃料供給部と,c)酸化剤供給部と,を含む燃料電池システムが提供される。
本発明の燃料電池用高分子電解質膜によれば,燃料電池で発生する水を含湿して自己加湿が可能であり,含湿布が芯地の役割を果たして物理的強度が優れているので,自己加湿型燃料電池に適用することができる。
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
本発明の燃料電池用高分子電解質膜は,含湿布及び含湿布の内部,側面,またはこれら全てに位置する水素イオン伝導性高分子を含む。
本発明の燃料電池用高分子電解質膜に含まれる含湿布は,その表面が親水性処理されているもの,または,親水性処理及び導電性処理されているものであり得る。
含湿布の両側面,または内部及び両側面に水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜が形成される場合,含湿布は親水性処理だけされていることが好ましい。
また,含湿布の内部,一側面,または内部及び一側面に水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜が形成される場合,含湿布は親水性処理及び導電性処理の両方がされているのが好ましく,導電性処理された面は水素イオン伝導性高分子を含まない面であるのが好ましい。
図1は,含湿布10の内部25及び片面に水素イオン伝導性高分子20を含む高分子電解質膜が形成された一例を示す断面図である。図1の高分子電解質膜において,含湿布の片面に位置する水素イオン伝導性高分子は膜の形態であるのが好ましく,含湿布は,燃料電池用膜−電極接合体の製造時にアノードに接するように配置するのが好ましい。この時,アノードに接するようになる含湿布の表面が,親水性処理及び導電性処理されているのがより好ましい。
図2は,含湿布11の内部26及び両面に水素イオン伝導性高分子21,21´を含む高分子電解質膜が形成された一例を示す断面図である。図2の高分子電解質膜において,含湿布の両面に位置する水素イオン伝導性高分子は膜の形態であるのが好ましく,燃料電池用膜−電極接合体の製造時にアノードに接する部分の水素イオン伝導性高分子膜がより薄いのが好ましい。
また,含湿布の両面に水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜が形成される場合には,両面に位置する水素イオン伝導性高分子が互いに同一の種類であっても異なる種類であってもよい。この時,水素イオン伝導性高分子が互いに異なる種類である場合には,直接メタノール型燃料電池(DMFC)に適用してメタノールクロスオーバ(cross−over)を減少させることができる長所がある。
高分子電解質膜に含まれる含湿布は,厚さが10〜200μmであるのが好ましく,15〜50μmであるのがより好ましい。含湿布の厚さが10μm未満である場合には,物理的安定性に問題が生じることがあり,200μmを超える場合には,高分子電解質膜の水素イオン伝導性が低下して,燃料電池の質量及び体積を増加させるようになる。
含湿布は,含湿効果が優れている親水性化合物を含む織布,多孔性フィルム,または不織布であるのが好ましく,物理的強度が優れているものであればより好ましい。含湿布の好ましい例としては,ポリビニルアルコール(PVA),アルキル酸ナトリウム,及びキトサンからなる群から選択される1種以上の親水性化合物を含む織布,多孔性フィルム,または不織布などがある。ただし,織布,多孔性フィルム,または不織布は前記例に限定されず,本発明の含湿布に含まれる親水性化合物の種類も前記例に限定されない。
含湿布は,気孔度が60%以上であるのが好ましく,60〜90%であるのがさらに好ましく,70〜85%であるのがより一層好ましい。気孔度が60%未満である場合には,高分子電解質膜のイオン伝導性が低下するので好ましくない。
含湿布は,含湿効果を高めるために含湿剤をさらに含むことができる。かかる含湿剤は,水分吸収能力が優れている親水性物質であって,燃料電池の作動中に生成される水を高分子電解質膜の内部に拡散させる役割を果たす。含湿剤の好ましい例としては,ゼオライト,無機シリケート,TiO,SiO,及びRuOからなる群から選択される1種以上の無機酸化物などがある。ただし,本発明の含湿剤は前記例に限定されない。前記無機シリケートとしては,ピロフィライト−タルク(pyrophylite−talc),モントモリルロナイト(montmorillonite:MMT),フルオロヘクトライト(fluorohectorite),カオリナイト(kaolinite),バーミキュリト(vermiculite),イライト(illite),マイカ(mica),またはブリトルマイカ(brittlemica)などを使用できる。
含湿剤は,含湿布100質量部に対して1〜50質量部で含まれるのが好ましく,10〜20質量部で含まれるのがより好ましい。含湿剤の含有量が1質量部未満である場合には,添加の効果が微弱であり,50質量部を超える場合には,水素イオン伝導性高分子の安定性が低下して,水素イオン伝導性及び機械的強度が低下することがある。
含湿布の片面にだけ水素イオン伝導性高分子が位置する場合には,含湿布に上記のような親水性処理だけでなく,導電性物質を被せて電気伝導性を有するようにする処理を行い,この時,カソード側に位置する含湿布の一方の面には水素イオン伝導性高分子処理を行い,アノード側に位置する含湿布の他方の面には導電性処理を行って,電気伝導性及び含湿性を与えるのが好ましい。
含湿布の導電性処理は,含湿布に電気伝導性があるナノ粒子を被せる方法で行い,ナノ粒子は,電気伝導性があるナノ金属粒子やナノカーボン粒子であるのが好ましい。ナノ金属粒子は,白金,ルテニウム,金,及び銀からなる群から選択される1種以上であるのが好ましく,酸性条件で安定した物質であるのがより好ましい。
電気伝導性ナノ粒子は,含湿布100質量部に対して1〜15質量部で含まれるのが好ましい。電気伝導性ナノ粒子の含有量が1質量部未満である場合には,添加の効果が微弱であり,15質量部を超える場合には,水素イオン伝導性が低下することがある。
本発明の高分子電解質膜に含まれる水素イオン伝導性高分子は,燃料電池の膜−電極接合体のアノードで発生する水素イオンをカソードに伝達する電解質の役割を果たすものであって,水素イオン伝導性が優れている高分子であるのが好ましい。
含湿布の片面または両面に形成される水素イオン伝導性高分子膜は,厚さが各々50μm以下であるのが好ましく,1〜50μmであるのがより好ましく,1〜25μmであるのが最も好ましい。含湿布の片面または両面に形成される水素イオン伝導性高分子膜の厚さが0μmである場合には,含湿布内に水素イオン伝導性高分子が充填されている形態を意味する。
水素イオン伝導性高分子膜の厚さが50μmを超える場合には,高分子電解質膜全体の厚さが厚くなりすぎて,水素イオン伝導性が低下することがある。
水素イオン伝導性高分子としては,ペルフルオロ系高分子,ベンズイミダゾール系高分子,ポリイミド系高分子,ポリエーテルイミド系高分子,ポリフェニレンスルフィド系高分子,ポリスルホン系高分子,ポリエーテルスルホン系高分子,ポリエーテルケトン系高分子,ポリエーテル−エーテルケトン系高分子,及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなる群から選択される1種以上であるのが好ましい。特に,ポリ(ペルフルオロスルホン酸),ポリ(ペルフルオロカルボン酸),スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエーテルとの共重合体,脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン,アリールケトン,ポリ(2,2´−(m−フェニレン)−5,5´−ビベンズイミダゾール)(poly(2,2´−(m−phenylene)−5,5´−bibenzimidazole)),及びポリ(2,5−ベンズイミダゾール)からなる群から選択される1種以上であるのがより好ましい。ただし,本発明の燃料電池用高分子電解質膜に含まれる水素イオン伝導性高分子の種類はこれに限定されない。
燃料電池用高分子電解質膜は,含湿布の厚さ及び水素イオン伝導性高分子膜の厚さを含めて全体の厚さが10〜300μmであるのが好ましく,15〜100μmであるのがより好ましい。高分子電解質膜の厚さが10μm未満である場合には,高分子電解質膜の安定性に問題が生じることがあり,300μmを超える場合には,水素イオン伝導性が低下して,燃料電池の質量及び体積が増加する。
含湿布は,また,燃料電池用触媒をさらに含むことができる。燃料電池用触媒は,含湿布内で水素及び酸素の反応によって水を発生させて,自己加湿を可能にする。
燃料電池用触媒としては,白金,ルテニウム,オスミウム,白金−ルテニウム合金,白金−オスミウム合金,白金−パラジウム合金,及び白金−M合金(M=Ga,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,及びZnからなる群から選択される1種以上の遷移金属)からなる群から選択される1種以上であるのが好ましく,白金,ルテニウム,オスミウム,白金−ルテニウム合金,白金−オスミウム合金,白金−パラジウム合金,白金−コバルト合金,及び白金−ニッケルからなる群から選択される1種以上であるのがより好ましい。
燃料電池用触媒は,含湿布100質量部に対して1〜20質量部で含まれるのが好ましく,1〜5質量部で含まれるのがより好ましい。触媒の含有量が1質量部未満である場合には,触媒添加の効果が微弱であり,20質量部を超える場合には,高価な貴金属が多量に必要であるため,コストが増加する。
本発明の高分子電解質膜は,高分子電解質型燃料電池(PEMFC)または直接メタノール型燃料電池(DMFC)の両方に適用されるものであって,無加湿条件だけでなく加湿条件でも高い性能を示す。
本発明の燃料電池用高分子電解質膜は,水素イオン伝導性高分子溶液を利用して含湿布の内部を満たしたり,含湿布の一面または両面に水素イオン伝導性高分子膜を直接形成する方法で製造されることができる。図3は上記方法の一例を示す工程図である。
図3に示したように,まず,第1段階として,準備された枠30に水素イオン伝導性高分子溶液23を満たして,その上に含湿布11を配置する。
第2段階として,含湿布上に再び枠30´を設置して,含湿布上に水素イオン伝導性高分子溶液23´を塗布する。
第1段階で使用される水素イオン伝導性高分子溶液23及び第2段階で使用される水素イオン伝導性高分子溶液23´の成分は,互いに同一である場合も互いに異なる場合もある。
塗布された水素イオン伝導性高分子溶液を乾燥させることによって,含湿布の内部及び両面に水素イオン伝導性高分子を含む燃料電池用電解質膜を製造することができる。
また,第1段階,または第2段階だけで水素イオン伝導性高分子溶液を含湿布に塗布して乾燥させることによって,含湿布の内部及び一面に水素イオン伝導性高分子を含む燃料電池用高分子電解質膜を製造することができる。
本発明の燃料電池用高分子電解質膜は,また,水素イオン伝導性高分子溶液を利用して含湿布の片面または両面に水素イオン伝導性高分子膜を接着する方法で製造されることができる。
図4A及び4Bは水素イオン伝導性高分子溶液を利用して含湿布の片面または両面に水素イオン伝導性高分子膜を接着する方法の一例を示す工程図である。
図4A及び4Bに示したように,含湿布11の片面または両面に水素イオン伝導性高分子溶液23,23´を塗布して,その上に水素イオン伝導性高分子膜22,22´を接着して乾燥させることによって,含湿布の片面または両面に水素イオン伝導性高分子膜を含む燃料電池用高分子電解質膜を製造することができる。
図4Bに示したように,燃料電池用高分子電解質膜の製造過程で,含湿布11の一方の面には水素イオン伝導性高分子膜22を接着し,他方の面には水素イオン伝導性高分子溶液23´を塗布して乾燥させて水素イオン伝導性高分子膜を直接形成する方法も可能である。
この時,燃料電池用高分子電解質膜の製造に使用される水素イオン伝導性高分子膜22,22´及び水素イオン伝導性高分子溶液23,23´は,互いに同一であるか,または異なる水素イオン伝導性高分子を使用することができる。
本発明の燃料電池用高分子電解質膜の製造に使用される前記含湿布は,含湿効果が優れている親水性化合物を含む織布,多孔性フィルム,または不織布であるのが好ましく,物理的強度が優れているものであればより好ましい。
含湿布の好ましい例としては,ポリビニルアルコール(PVA),アルキン酸ナトリウムのようなアルキン酸塩(salt of alkynic acid),及びキトサンからなる群から選択される1種以上の親水性化合物を含む織布,多孔性フィルム,または不織布などがある。
含湿布は,厚さが10〜200μmであるのが好ましく,15〜50μmであるのがより好ましい。
含湿布は,含湿効果を高めるために含湿剤をさらに含むことができる。含湿剤は,水分吸収能力が優れている親水性物質であって,燃料電池の作動中に生成される水を高分子電解質膜の内部に拡散させる役割を果たす。含湿剤の好ましい例としては,ゼオライト,無機シリケート,TiO,SiO,及びRuOからなる群から選択される1種以上の無機酸化物などがある。ただし,本発明の含湿剤は前記例に限定されない。
また,含湿剤は,スプレー方法で含湿布に含ませることができる。
含湿剤は,含湿布100質量部に対して1〜50質量部で含まれるのが好ましく,10〜20質量部で含まれるのがより好ましい。
含湿布は,また,燃料電池用触媒をさらに含むことができる。燃料電池用触媒は,高分子電解質膜の内部で酸素及び水素の化学的反応によって水を生成する役割を果たし,高分子電解質膜の自己加湿を可能にする役割を果たす。燃料電池用触媒は,スプレー方法で含湿布に含ませることができる。
燃料電池用触媒は,白金,ルテニウム,オスミウム,白金−ルテニウム合金,白金−オスミウム合金,白金−パラジウム合金,及び白金−M合金(M=Ga,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu及びZnからなる群から選択される1種以上の遷移金属)からなる群から選択される1種以上であるのが好ましく,白金,ルテニウム,オスミウム,白金−ルテニウム合金,白金−オスミウム合金,白金−パラジウム合金,白金−コバルト合金,及び白金−ニッケルからなる群から選択される1種以上であるのがより好ましい。
触媒は,含湿布100質量部に対して1〜20質量部で含まれるのが好ましく,1〜5質量部で含まれるのがより好ましい。
含湿布の片面または両面に形成される水素イオン伝導性高分子膜は,厚さが各々50μm以下になるように形成されるのが好ましく,1〜50μmであるのがより好ましく,1〜25μmであるのが最も好ましい。水素イオン伝導性高分子膜の厚さが0μmである場合には,含湿布内にだけ水素イオン伝導性高分子が満たされている形態を意味する。
水素イオン伝導性高分子膜の厚さが50μmを超える場合には,高分子電解質膜全体の厚さが厚くなりすぎて,水素イオン伝導性が低下するようになる。
含湿布の一面にだけ水素イオン伝導性高分子膜が形成される場合には,含湿布にこのような親水性処理だけでなく,導電性物質を被せて電気伝導性を有するようにする処理を行い,好ましくはカソード側に位置する面には水素イオン伝導性高分子処理を行い,アノード側に位置する面には導電性処理を行って,電気伝導性及び含湿性を与えることができる。
含湿布の導電性処理は,含湿布に電気伝導性があるナノ粒子を被せる方法で行い,好ましくはナノ粒子をスプレー塗布する方法で行うことができる。
ナノ粒子は,電気伝導性があるナノ金属粒子やナノカーボン粒子であるのが好ましい。ナノ金属粒子は,白金,ルテニウム,金,及び銀からなる群から選択される1種以上であるのが好ましく,酸性条件で安定した物質であるのがより好ましい。
電気伝導性ナノ粒子は,含湿布100質量部に対して1〜15質量部で含まれるのが好ましい。
燃料電池用高分子電解質膜の製造に使用される水素イオン伝導性高分子溶液及び水素イオン伝導性膜は,各々,ペルフルオロ系高分子,ベンズイミダゾール系高分子,ポリイミド系高分子,ポリエーテルイミド系高分子,ポリフェニレンスルフィド系高分子,ポリスルホン系高分子,ポリエーテルスルホン系高分子,ポリエーテルケトン系高分子,ポリエーテル−エーテルケトン系高分子,及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなる群から選択される1種以上を含むのが好ましい。特に,ポリ(ペルフルオロスルホン酸),ポリ(ペルフルオロカルボン酸),スルホン酸基を含むテトラフルオロエチルレンとフルオロビニルエーテルとの共重合体,脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン,アリールケトン,ポリ(2,2´−(m−フェニレン)−5,5´−ビベンズイミダゾール)(poly(2,2´−(m−phenylene)−5,5´−bibenzimidazole))及びポリ(2,5−ベンズイミダゾール)からなる群から選択される1種以上を含むのがより好ましい。ただし,本発明の高分子電解質膜の製造に使用される水素イオン伝導性高分子溶液及び水素イオン伝導性高分子膜の種類はこれらに限定されない。
上記方法で製造される燃料電池用高分子電解質膜は,含湿布の厚さ及び水素イオン伝導性高分子膜の厚さを含めて全体の厚さが10〜300μmであるのが好ましく,15〜100μmであるのがより好ましい。高分子電解質膜の厚さが10μm未満である場合には,高分子電解質膜の安定性に問題が生じることがあり,300μmを超える場合には,水素イオン伝導性が低下して,燃料電池の質量及び体積が増加する。
上記方法で製造される燃料電池用高分子電解質膜は,燃料電池で発生する水を含湿して自己加湿を可能にし,物理的強度が優れている長所がある。
図5は,本発明の燃料電池システムの一例を示す構成図である。なお,図5は燃料及び酸化剤をポンプを使用して電気発生部に供給するシステムの構造を示したが,本発明の燃料電池システムはこのような構造に限定されず,ポンプを使用せずに拡散方式を利用する燃料電池システムの構造に適用することも当然可能である。
図5を参照すれば,本発明の燃料電池システムは,膜−電極接合体300及び膜−電極接合体300の両面に位置するセパレータ400を含む電気発生部500,燃料供給部600,及び酸化剤供給部700を含む。
図6は,図5の電気発生部500に含まれる単位セルを分解して示した断面図である。図6に示したように,本発明の燃料電池システムの電気発生部は,燃料電池用高分子電解質膜101,燃料電池用高分子電解質膜101の一方の面に配置されるカソード200または200´及び他方の面に配置されるアノード200´または200を含む膜−電極接合体300,及びカソード及びアノードに各々接して配置されるセパレータ(separator,またはbipolar plateともいう)400を含む単位セルを有する。単位セルは単独で使用することも,2個以上の単位セルを積層したり電気的に連結して使用することもできる。
以下,本発明の好ましい実施例を記載する。ただし,下記の実施例は本発明の好ましい一実施例にすぎず,本発明は下記の実施例に限定されない。
参考例1
含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)上に5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を塗布した後で乾燥して,含湿布の一面に5μmの厚さの水素イオン伝導性高分子膜を含み,内部が水素イオン伝導性高分子で満たされた燃料電池用高分子電解質膜を製造した。
また,炭素布(carbon cloth)上に炭素に担持された白金(白金含有量10質量%)で触媒層を形成することによってカソード及びアノードを製造し,製造された燃料電池用高分子電解質膜の両面にカソード及びアノードを各々配置して燃料電池用膜−電極接合体を製造した。製造された膜−電極接合体の両面にセパレータを配置して燃料電池を製造した。燃料電池には別途の加湿装置を設置しなかった。
参考例2
含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)の一方の面に織布100質量部に対して10質量部の銀粒子をスプレー塗布して導電性処理を行い,導電性処理された面の反対面に5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を塗布した後に乾燥して,含湿布の一方の面に5μmの厚さの水素イオン伝導性高分子膜を含み,内部が水素イオン伝導性高分子で満たされた燃料電池用高分子電解質膜を製造した。さらに,導電性処理された面がアノードと接するようにしたことを除いては,参考例1と同一の方法で燃料電池を製造した。
参考例3
枠の中に5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を注ぎ,その上に含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)を被せた後,不織布上に再び5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を塗布した後に乾燥した。含湿布の両面に5μmの厚さの水素イオン伝導性高分子膜を含み,内部が前記水素イオン伝導性高分子で満たされた燃料電池用高分子電解質膜を製造したことを除いては,参考例1と同一の方法で燃料電池を製造した。
参考例4
厚さが50μmのポリ(ペルフルオロスルホン酸)膜(NafionTM 112membrane,DuPont)上に5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を塗布した後,その上に含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)を被せて乾燥して,含湿布の一方の面に水素イオン伝導性高分子膜が接着された燃料電池用高分子電解質膜を製造したことを除いては,参考例1と同一の方法で燃料電池を製造した。
参考例5
厚さが50μmのポリ(ペルフルオロスルホン酸)膜(NafionTM 112membrane,DuPont)上に5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を塗布した後,含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)を被せて,5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を再び塗布した後に乾燥した。含湿布の一方の面には水素イオン伝導性高分子膜が接着され,他方の面には5μmの厚さの水素イオン伝導性高分子膜が形成され,内部が前記水素イオン伝導性高分子で満たされた燃料電池用高分子電解質膜を製造したことを除いては,参考例1と同一の方法で燃料電池を製造した。
参考例6
厚さが50μmのポリ(ペルフルオロスルホン酸)膜(NafionTM 112membrane,DuPont)上に5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を塗布した後,その上に含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)を被せて再び5質量%の濃度のポリ(ペルフルオロスルホン酸)溶液(NafionTM solution 5質量%,DuPont)を塗布して,その上に再び厚さが50μmのポリ(ペルフルオロスルホン酸)膜(NafionTM 112membrane,DuPont)を被せて乾燥した。含湿布の両面に水素イオン伝導性高分子膜が接着され,内部が水素イオン伝導性高分子で満たされた燃料電池用高分子電解質膜を製造したことを除いては,参考例1と同一の方法で燃料電池を製造した。
(実施例7)
含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)100質量部に対して10質量部のSiOを含む含湿布を使用したことを除いては,実施例2と同一の方法で燃料電池用高分子電解質膜及び燃料電池を製造した。
参考例7
含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)100質量部に対して5質量部の白金触媒を含む含湿布を使用したことを除いては,参考例2と同一の方法で燃料電池用高分子電解質膜及び燃料電池を製造した。

(実施例9)
含湿布(厚さ50μm,ポリビニルアルコール処理された織布)100質量部に対して5質量部のSiO及び5質量部の白金触媒を含む含湿布を使用したことを除いては,実施例2と同一の方法で燃料電池用高分子電解質膜及び燃料電池を製造した。
(比較例1)
厚さが170μmのポリ(ペルフルオロスルホン酸)膜(NafionTM 117membrane,DuPont)を燃料電池用高分子電解質膜として使用したことを除いては,実施例1と同一の方法で燃料電池を製造した。
次に,上記実施例1〜9のうち実施例2を例に挙げて,本発明の実施例に係る燃料電池の電流−電圧特性を測定した結果について説明する。
実施例2によって製造された燃料電池に対して60℃の無加湿状態で10分,1時間,及び2時間作動させた後の電流−電圧特性を測定し,その結果を図7に示した。
図7に示すように,本発明の実施例2によって製造された燃料電池は,無加湿状態で時間が経過しても一定の電池性能を示すことが分かる。
また,実施例2によって製造された燃料電池の無加湿状態の電流−電圧特性及び比較例1によって製造された燃料電池の加湿状態の電流−電圧特性を測定し,その結果を図8に示した。その他の測定条件は60℃で48時間同一に作動させた。
図8に示すように,本発明の実施例2によって製造された燃料電池は,無加湿状態でも加湿状態の燃料電池と同水準の電流−電圧特性を示すことが分かる。
なお,実施例1,3〜9についても,実施例2と同様に電流−電圧特性を測定した結果,実施例2とほぼ同様の結果が得られた。
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
含湿布の内部及び一面に水素イオン伝導性高分子膜を含む,本発明の燃料電池用高分子電解質膜の一例を示す断面図である。 含湿布の内部及び両面に水素イオン伝導性高分子膜を含む,本発明の燃料電池用高分子電解質膜の一例を示す断面図である。 水素イオン伝導性高分子溶液を利用して含湿布の片面または両面に水素イオン伝導性高分子膜を直接形成する方法の一例を示す工程図である。 水素イオン伝導性高分子溶液を利用して含湿布の片面または両面に水素イオン伝導性高分子膜を接着する方法の一例を示す工程図である。 水素イオン伝導性高分子溶液を利用して含湿布の片面または両面に水素イオン伝導性高分子膜を接着する方法の一例を示す工程図である。 本発明の燃料電池システムの一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池システムの電気発生部の一例を示す構成図である。 本発明の実施例2によって製造された燃料電池の無加湿状態の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施例2によって製造された燃料電池の無加湿状態の電流−電圧特性及び比較例1によって製造された燃料電池の加湿状態の電流−前圧特性を比較して示したグラフである。
符号の説明
10,11 含湿布
101 高分子電解質膜
20,21,21´ 水素イオン伝導性高分子
23,23´ 水素イオン伝導性高分子溶液
200,200´ アノード,カソード
30 枠
300 膜−電極接合体
400 セパレータ
500 電気発生部
600 燃料供給部
700 酸化剤供給部

Claims (17)

  1. アルキン酸塩,及びキトサンからなる群から選択される1種以上の親水性化合物を含む織布,多孔性フィルム,または不織布である気孔度が60%以上の含湿布と,
    前記含湿布の内部,側面,またはこれら全てに位置する水素イオン伝導性高分子と,
    を含み,
    前記含湿布は,ゼオライト,無機シリケート,TiO,SiO,及びRuOからなる群から選択される1種以上の無機酸化物である含湿剤をさらに含むことを特徴とする,燃料電池用高分子電解質膜。
  2. 前記含湿布は,厚さが10〜200μmであることを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  3. 前記含湿剤は,前記含湿布100質量部に対して1〜50質量部含まれることを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  4. 前記含湿布は,i)ゼオライト,無機シリケート,TiO,SiO,及びRuOからなる群から選択される1種以上の無機酸化物である含湿剤と,ii)電気伝導性があるナノ金属粒子及びナノカーボン粒子からなる群から選択される1種以上の電気伝導性ナノ粒子と,をさらに含むことを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  5. 前記含湿剤は,前記含湿布100質量部に対して1〜50質量部含まれ,前記電気伝導性ナノ粒子は,前記含湿布100質量部に対して1〜15質量部含まれることを特徴とする,請求項4に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  6. 前記含湿布は,白金,ルテニウム,オスミウム,白金−ルテニウム合金,白金−オスミウム合金,白金−パラジウム合金,及び白金−M合金(M=Ga,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,及びZnからなる群から選択される1種以上の遷移金属)からなる群から選択される1種以上の燃料電池用触媒をさらに含むことを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  7. 前記燃料電池用触媒は,前記含湿布100質量部に対して1〜20質量部含まれることを特徴とする,請求項6に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  8. 前記含湿布の側面に位置する前記水素イオン伝導性高分子は,各々厚さが50μm以下の膜に形成されることを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  9. 前記水素イオン伝導性高分子は,ペルフルオロ系高分子,ベンズイミダゾール系高分子,ポリイミド系高分子,ポリエーテルイミド系高分子,ポリフェニレンスルフィド系高分子,ポリスルホン系高分子,ポリエーテルスルホン系高分子,ポリエーテルケトン系高分子,ポリエーテル−エーテルケトン系高分子,及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなる群から選択される1種以上であることを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  10. 前記水素イオン伝導性高分子は,ポリ(ペルフルオロスルホン酸),ポリ(ペルフルオロカルボン酸),スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエーテルとの共重合体,ポリ(2,2´−(m−フェニレン)−5,5´−ビベンズイミダゾール)(poly(2,2´−(m−phenylene)−5,5´−bibenzimidazole)),及びポリ(2,5−ベンズイミダゾール)からなる群から選択される1種以上であることを特徴とする,請求項9に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  11. 前記燃料電池用高分子電解質膜は,厚さが10〜300μmであることを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
  12. 水素イオン伝導性高分子溶液を,アルキン酸塩,及びキトサンからなる群から選択される1種以上の親水性化合物を含む織布,多孔性フィルム,または不織布である気孔度が60%以上の含湿布の片面または両面に塗布する段階と,
    前記水素イオン伝導性高分子溶液を乾燥させる段階と,
    を含み,
    前記含湿布は,ゼオライト,無機シリケート,TiO,SiO,及びRuOからなる群から選択される1種以上の含湿剤をさらに含むことを特徴とする,燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
  13. 前記含湿布は,i)ゼオライト,無機シリケート,TiO,SiO,及びRuOからなる群から選択される1種以上の無機酸化物である含湿剤と,ii)電気伝導性があるナノ金属粒子及びナノカーボン粒子からなる群から選択される1種以上の電気伝導性ナノ粒子と,をさらに含むことを特徴とする,請求項12に記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
  14. 前記含湿布は,白金,ルテニウム,オスミウム,白金−ルテニウム合金,白金−オスミウム合金,白金−パラジウム合金,及び白金−M合金(M=Ga,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,及びZnからなる群から選択される1種以上の遷移金属)からなる群から選択される1種以上の燃料電池用触媒をさらに含むことを特徴とする,請求項12に記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
  15. 前記水素イオン伝導性高分子溶液は,ペルフルオロ系高分子,ベンズイミダゾール系高分子,ポリイミド系高分子,ポリエーテルイミド系高分子,ポリフェニレンスルフィド系高分子,ポリスルホン系高分子,ポリエーテルスルホン系高分子,ポリエーテルケトン系高分子,ポリエーテル−エーテルケトン系高分子,及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなる群から選択される1種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことを特徴とする,請求項12に記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
  16. 前記水素イオン伝導性高分子溶液の塗布後,乾燥前に,前記水素イオン伝導性高分子溶液が塗布された片面または両面に,ペルフルオロ系高分子,ベンズイミダゾール系高分子,ポリイミド系高分子,ポリエーテルイミド系高分子,ポリフェニレンスルフィド系高分子,ポリスルホン系高分子,ポリエーテルスルホン系高分子,ポリエーテルケトン系高分子,ポリエーテル−エーテルケトン系高分子,及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなる群から選択される1種以上の水素イオン伝導性高分子を含む水素イオン伝導性高分子膜を接着する段階をさらに含むことを特徴とする,請求項12に記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
  17. a)i)請求項1〜11のうちのいずれか一項による燃料電池用高分子電解質膜,前記燃料電池用高分子電解質膜の一方の面に配置されるカソード,及び前記燃料電池用高分子電解質膜の他方の面に配置されるアノードを含む膜−電極接合体と,ii)前記膜−電極接合体のカソード及びアノードに各々接して配置されるセパレータとを含む電気発生部と;
    b)燃料供給部と;
    c)酸化剤供給部と;
    を含むことを特徴とする,燃料電池システム。
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