JP7041316B1 - 燃料電池用電解質膜、及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力低下の抑制に有効な燃料電池用電解質膜を提供する。【解決手段】電解質膜４は、膜本体部４２と、第１樹脂層４１とを備えている。膜本体部４２は、イオン伝導体４２１と、支持体４２２とを有する。イオン伝導体４２１は、セラミックスによって構成される。支持体４２２は、樹脂によって構成される。第１樹脂層４１は、膜本体部４２の一方面に配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用電解質膜、及び燃料電池に関するものである。

燃料電池は、一般的に、電解質膜と、一対の電極とを有している。電解質膜は、一対の電極間に配置されている。特許文献１には、セラミックスによって構成されたイオン伝導体と、樹脂によって構成された支持体と、を複合化させた電解質膜が提案されている。

特開２０１０－２３２１５８号公報 国際公開第２０１９／１２４３１７号

上述したような構成の燃料電池において、その出力の低下を抑制することが要望されている。そこで、本発明は、出力低下の抑制に有効な燃料電池用電解質膜を提供することを課題とする。

本発明の第１側面に係る燃料電池用電解質膜は、燃料電池に用いられるものである。この電解質膜は、膜本体部と、第１樹脂層とを備えている。膜本体部は、イオン伝導体と、支持体とを有する。イオン伝導体は、セラミックスによって構成される。支持体は、樹脂によって構成される。第１樹脂層は、膜本体部の一方面に配置される。

本発明者らは、電解質膜中のイオン伝導体が水又は水蒸気に曝されることによって、イオン伝導体が粒成長したり溶出したりすることにより、これが燃料電池の出力低下の原因となることを見出した。そこで、本発明に係る燃料電池用電解質膜では、膜本体部の一方面上に第１樹脂層を形成する。この構成によれば、少なくとも膜本体部の一方面においてイオン伝導体が外部の水又は水蒸気に露出することを抑制する。この結果、イオン伝導体の粒成長や溶出を抑制でき、ひいては燃料電池の出力低下を抑制することができる。

好ましくは、第１樹脂層は、支持体と異なる材料によって構成される。

好ましくは、第１樹脂層は、支持体よりもイオン伝導率が高い。

好ましくは、第１樹脂層は、支持体よりも吸水率が低い。

好ましくは、第１樹脂層は、支持体と同じ材料によって構成される。

好ましくは、第１樹脂層は、膜本体部よりも薄い。

好ましくは、第１樹脂層は、膜本体部よりも厚い。

好ましくは、燃料電池用電解質膜は、膜本体部の他方面に配置される樹脂製の第２樹脂層をさらに備える。この構成によれば、膜本本体部の他方面においても、イオン伝導体が外部の水又は水蒸気に露出することを抑制することができる。

好ましくは、第２樹脂層は、支持体と異なる材料によって構成される。

好ましくは、第２樹脂層は、支持体よりもイオン伝導率が高い。

好ましくは、第２樹脂層は、支持体よりも吸水率が低い。

好ましくは、第２樹脂層は、支持体と同じ材料によって構成される。

好ましくは、第２樹脂層は、膜本体部よりも薄い。

好ましくは、第１樹脂層は、第２樹脂層よりも厚い。

好ましくは、第１樹脂層は、第２樹脂層よりも薄い。

好ましくは、第１樹脂層は、第２樹脂層よりもイオン伝導率が高い。

好ましくは、第１樹脂層は、第２樹脂層よりもイオン伝導率が低い。

本発明の第２側面に係る燃料電池は、上記いずれかの燃料電池用電解質膜と、第１電極と、第２電極とを備える。第１電極は、電解質膜の一方面に配置される。第２電極は、電解質膜の他方面に配置される。

本発明によれば、出力低下の抑制に有効な燃料電池用電解質膜を提供することができる。

燃料電池の断面図。 電解質膜の拡大断面図。 変形例に係る燃料電池の断面図。

以下、本実施形態に係る燃料電池の一例である固体アルカリ形燃料電池１００について図面を参照しつつ説明する。固体アルカリ形燃料電池１００は、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）の一種である。

（固体アルカリ形燃料電池１００）
図１は、実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池１００の構成を示す断面図である。固体アルカリ形燃料電池１００は、カソード２（第１電極の一例）、アノード３（第２電極の一例）、及び電解質膜４を備える。また、固体アルカリ形燃料電池１００は、第１セパレータ１１と、第２セパレータ１２と、を備えている。カソード２、アノード３、及び電解質膜４は、燃料電池用接合体１０を構成する。実際に使用する際は、複数の固体アルカリ形燃料電池１００がスタックされる。詳細には、複数の燃料電池用接合体１０が第１及び第２セパレータ１１、１２を介してスタックされる。

（第１及び第２セパレータ１１、１２）
第１及び第２セパレータ１１、１２は、燃料電池用接合体１０を厚さ方向（ｚ軸方向）の両側から挟むように配置されている。第１セパレータ１１は、カソード２に酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤を供給するように構成されている。第１セパレータ１１は、第１流路１１１を有している。第１流路１１１は、カソード２と対向している。この第１流路１１１には、酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤が供給される。

第２セパレータ１２は、アノード３に水素原子（Ｈ）を含む燃料を供給するように構成されている。第２セパレータ１２は、第２流路１２１を有している。第２流路１２１は、アノード３と対向している。この第２流路１２１には、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。例えば、第２流路１２１には、メタノールが供給される。

複数の燃料電池用接合体１０が第１及び第２セパレータ１１，１２を介してスタックされている場合は、第１セパレータ１１は、第１流路１１１が形成される面とは反対側の面に第２流路が形成されている。また、第２セパレータ１２は、第２流路１２１が形成される面とは反対側の面に第１流路が形成されている。

（燃料電池用接合体１０）
燃料電池用接合体１０は、カソード２、アノード３、及び電解質膜４を備える。燃料電池用接合体１０は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温（例えば、５０℃～２５０℃）で発電する。ただし、下記の電気化学反応式では、燃料の一例としてメタノールが用いられている。

・カソード２： ３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ^－→６ＯＨ^－
・アノード３： ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ^－→６ｅ^－＋ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ
・全体 ： ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

（カソード２）
カソード２は、電解質膜４の第１面４０１側（図１の上面側）に配置されている。詳細には、カソード２は、電解質膜４の第１樹脂層４１上に配置されている。カソード２は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。

固体アルカリ形燃料電池１００の発電中、カソード２には、第１セパレータ１１の第１流路１１１を介して酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード２は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード２の気孔率は特に制限されない。カソード２の厚みは特に制限されないが、例えば１０～２００μｍとすることができる。

カソード２は、ＡＦＣに使用される公知の空気極触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）等の第８～１０族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第８～１０族に属する元素）、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の第１１族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第１１族に属する元素）、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Ｃｏサレン、Ｎｉサレン（サレン＝Ｎ，Ｎ’－ビス（サリチリデン）エチレンジアミン）、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード２における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは０．１～１０ｍｇ／ｃｍ^２、より好ましくは、０．１～５ｍｇ／ｃｍ^２である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード２ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

カソード２の作製方法は特に限定されないが、例えば、カソード触媒及び所望により担体をバインダと混合してペースト状にする。そして、このペースト状混合物を電解質膜４上に塗布して乾燥させることによりカソード２を形成することができる。

（アノード３）
アノード３は、電解質膜４の第２面４０２側（図１の下面側）に配置されている。詳細には、アノード３は、電解質膜４の第２樹脂層４３上に配置されている。アノード３は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。

固体アルカリ形燃料電池１００の発電中、アノード３には、第２セパレータ１２の第２流路１２１を介して、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。燃料としては、メタノールを用いるのが好ましい。アノード３は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード３の気孔率は特に制限されない。アノード３の厚みは特に制限されないが、例えば１０～５００μｍとすることができる。

燃料は、アノード３において水酸化物イオン（ＯＨ^－）と反応可能な燃料化合物を含んでいればよく、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。

燃料化合物としては、例えば、（ｉ）ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、及びカルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）等のヒドラジン類、（ｉｉ）尿素（ＮＨ_２ＣＯＮＨ_２）、（ｉｉｉ）アンモニア（ＮＨ_３）、（ｉｖ）イミダゾール、１，３，５－トリアジン、３－アミノ－１，２，４－トリアゾール等の複素環類化合物、（ｖ）ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ・Ｈ_２ＳＯ_４）等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの燃料化合物のうち炭素を含まない化合物（すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等）は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため特に好適である。

燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び／又はアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等）に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び３－アミノ－１，２，４－トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。１，３，５－トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び／又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば１～９０重量％であり、好ましくは１～３０重量％である。

また、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池１００に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。

アノード３は、ＡＦＣに使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、及びＰｄ等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード３及びそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

アノード３の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダと混合してペースト状にする。そして、このペースト状混合物を電解質膜４上に塗布して乾燥させることによりアノード３を形成することができる。

（電解質膜４）
電解質膜４は、カソード２とアノード３との間に配置される。電解質膜４は、カソード２及びアノード３のそれぞれに接続される。電解質膜４は、イオン伝導性を有する。本実施形態では、電解質膜４は、水酸化物イオン伝導性を有する。電解質膜４は、第１樹脂層４１、膜本体部４２、及び第２樹脂層４３を有している。

第１樹脂層４１は、膜本体部４２の一方面（上面）に形成されている。第２樹脂層４３は、膜本体部４２の他方面（下面）に形成されている。すなわち、膜本体部４２は、第１樹脂層４１と第２樹脂層４３との間に配置されている。第１樹脂層４１、膜本体部４２、及び第２樹脂層４３は、この順で積層されている。

電解質膜４の厚さｔは、例えば、５～１００μｍ程度である。そのうち、第１樹脂層４１の厚さｔ１及び第２樹脂層４３の厚さｔ３は、例えば、それぞれ０．１～５０μｍ程度である。また、膜本体部４２の厚さｔ２は、例えば、５～８０μｍ程度である。

第１樹脂層４１、膜本体部４２、及び第２樹脂層４３の厚さｔ１～ｔ３の測定方法は、次の通りである。まず、図１に示すような、電解質膜４の中央近傍を通る切断面（ｘｚ面）を作成する。そして、その切断面をＳＥＭで撮影し、電解質膜４の両端部の任意の点と、中央部の任意の点とで、第１樹脂層４１の厚さを測定し、その平均値を第１樹脂層４１の厚さｔ１とすることができる。同様の方法で、膜本体部４２の厚さｔ２、第２樹脂層４３の厚さｔ３、及び電解質膜４の厚さｔも算出することができる。

第１樹脂層４１の厚さｔ１は、膜本体部４２の厚さｔ２よりも小さい。第２樹脂層４３の厚さｔ３は、膜本体部４２の厚さｔ２よりも小さい。第１樹脂層４１の厚さｔ１は、第２樹脂層４３の厚さｔ３と同じである。

例えば、膜本体部４２の厚さｔ２に対する、第１樹脂層４１の厚さｔ１の割合（ｔ１／ｔ２）を、０．００１～０．９とすることができる。同様に、膜本体部４２の厚さｔ２に対する、第２樹脂層４３の厚さｔ３の割合（ｔ３／ｔ２）を、０．００１～０．９とすることができる。

図２は、電解質膜４の断面を拡大して示す模式図である。図２に示すように、膜本体部４２は、イオン伝導体４２１と、支持体４２２とを有している。イオン伝導体４２１は、支持体４２２内に分散されている。イオン伝導体４２１は、支持体４２２によって支持されている。

膜本体部４２内におけるイオン伝導体４２１の含有量は、３０～７０ｖｏｌ％とすることができ、イオン伝導性を考慮すると５０～７０ｖｏｌ％が好ましい。なお、膜本体部４２は、実質的にイオン伝導体４２１及び支持体４２２のみによって構成されており、その他の物質は無視できる程度である。

イオン伝導体４２１は、イオン伝導性を有している。イオン伝導体４２１は、例えば、水酸化物イオン伝導性を有する。固体アルカリ形燃料電池１００の発電中、電解質膜４は、主にイオン伝導体４２１によって、カソード２側からアノード３側に水酸化物イオン（ＯＨ^－）を伝導する。

イオン伝導体４２１の水酸化物イオン伝導率は特に制限されないが、０．１ｍＳ／ｃｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５ｍＳ／ｃｍ以上、さらに好ましくは１．０ｍＳ／ｃｍ以上である。イオン伝導体４２１の水酸化物イオン伝導率は、高いほど好ましく、その上限値は特に制限されないが、例えば１０ｍＳ／ｃｍである。

イオン伝導体４２１は、セラミックスによって構成されている。詳細には、イオン伝導体４２１は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックスによって構成することができる。例えば、イオン伝導体４２１は、層状複水酸化物（ＬＤＨ：Ｌａｙｅｒｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）によって構成することができる。

ＬＤＨは、Ｍ^２＋ _１－ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ－ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ｍ^２＋は２価の陽イオン、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ－はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、ｘは０．１～０．４、ｍは水のモル数を意味する任意の整数である）の一般式で示される基本組成を有する。Ｍ^２＋の例としてはＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋、Ｓｒ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｍｎ^２＋、及びＺｎ^２＋が挙げられ、Ｍ^３＋の例としては、Ａｌ^３＋、Ｆｅ^３＋、Ｔｉ^３＋、Ｙ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｍｏ^３＋、及びＣｒ^３＋が挙げられ、Ａ^ｎ－の例としてはＣＯ_３ ^２－及びＯＨ^－が挙げられる。Ｍ^２＋及びＭ^３＋としては、それぞれ１種単独で又は２種以上を組み合わせて用いることもできる。

ＬＤＨは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属ＭがＮｉ、Ａｌ、Ｔｉの場合には、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む。以下、ＬＤＨの水酸化物基本層がＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む場合について説明する。

ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ^２＋であると考えられるが、Ｎｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＡｌはアルミニウムイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のアルミニウムイオンは典型的にはＡｌ^３＋であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ^４＋であると考えられるが、Ｔｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。

ＬＤＨの中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。陰イオンは１価以上の陰イオン、好ましくは１価又は２価のイオンである。好ましくは、ＬＤＨ中の陰イオンはＯＨ^－及び／又はＣＯ_３ ^２－を含む。

上記のとおり、Ｎｉ、Ａｌ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合、ＬＤＨは、一般式：Ｎｉ^２＋ _{１－ｘ－ｙ}Ａｌ^３＋ _ｘＴｉ^４＋ _ｙ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ－ _{（ｘ＋２ｙ）／ｎ}・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ａ^ｎ－はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ＜１、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．５、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。

支持体４２２は、イオン伝導体４２１を支持するように構成されている。詳細には、支持体４２２は、バインダである。支持体４２２は、イオン伝導体４２１を構成する各構成粒子間に配置されている。支持体４２２は、イオン伝導体４２１の各構成粒子同士を決着することによって、イオン伝導体４２１を支持している。このように、支持体４２２がイオン伝導体４２１を支持することによって、膜本体部４２の形状を維持している。

支持体４２２は、樹脂によって構成されている。例えば、支持体４２２は、絶縁性を有する周知の有機高分子材料によって構成されている。すなわち、支持体４２２は、イオン伝導性を有さない周知の有機高分子材料によって構成されている。本実施形態では、支持体４２２は、水酸化物イオン伝導性を有さない周知の有機高分子材料によって構成されている。詳細には、支持体４２２のイオン伝導率は、０．０１ｍＳ／ｃｍ以下である。

支持体４２２を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、又はポリイミドなどを挙げることができる。

第１樹脂層４１は、樹脂によって構成されている。第１樹脂層４１は、支持体４２２と異なる材料によって構成されている。第１樹脂層４１を構成する材料としては、例えば、ナフィオン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（S-PEEK）、又はアルキルスルホン化ポリベンズイミダゾールなどを挙げることができる。なお、第１樹脂層４１は、イオン伝導性を有する。第１樹脂層４１は、支持体４２２よりもイオン伝導率が高い。すなわち、第１樹脂層４１を構成する樹脂は、支持体４２２を構成する樹脂よりもイオン伝導率が高い。また、第１樹脂層４１は、第２樹脂層４３よりもイオン伝導率が高い。

第１樹脂層４１は、支持体４２２よりも吸水率が低い。すなわち、第１樹脂層４１を構成する樹脂は、支持体４２２を構成する樹脂よりも吸水率が低い。第１樹脂層４１の吸水率は、例えば、０．９％以下とすることができ、好ましくは０．４％以下とすることができる。なお、吸水率は、室温において、以下のようにして測定することができる。まず、水を含んだ樹脂の重さを測定し、次に、その樹脂を恒温槽にいれて水分を蒸発させた後、再度重さを測定する。この重さの変化量を水分量として、樹脂の重さに対する水分量の比率を吸水率とする。

第２樹脂層４３は、樹脂によって構成されている。第２樹脂層４３を構成する材料としては、上記第１樹脂層４１の構成材料として挙げたものを使用することができる。第２樹脂層４３は、第１樹脂層４１と同じ材料によって構成することができる。なお、第２樹脂層４３は、イオン伝導性を有する。第２樹脂層４３は、支持体４２２よりもイオン伝導率が高い。なお、第２樹脂層４３は、第１樹脂層４１よりもイオン伝導率が低い。

第２樹脂層４３は、支持体４２２よりも吸水率が低い。第２樹脂層４３の吸水率は、例えば、０．９％以下とすることができる。

電解質膜４は、例えば、次のようにして形成することができる。まず、膜本体部４２を形成する。詳細には、上述したような支持体４２２を構成する材料を有機溶媒によって溶かして、支持体４２２の溶解液を作成する。そして、この溶解液中に、上述したイオン伝導体４２１を構成する材料を入れて、膜本体部４２のペーストを作成する。そして、このペーストを剥離フィルム上に成膜し、ペーストを乾燥させた後、剥離フィルムを剥離して膜本体部４２を形成する。

次に、第１樹脂層４１を構成する材料を有機溶媒によって溶かして、第１樹脂層４１のペーストを作成する。そして、この第１樹脂層４１のペーストを膜本体部４２の一方面上に塗布して乾燥させる。以上により、第１樹脂層４１を形成する。同様の方法で、第２樹脂層４３を膜本体部４２の他方面上に形成する。以上により、第１樹脂層４１、膜本体部４２、及び第２樹脂層４３を有する電解質膜４を形成することができる。

（実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、カソード２が第１樹脂層４１上に配置されており、アノード３が第２樹脂層４３上に配置されていたが、燃料電池の構成はこれに限定されない。すなわち、カソード２が第２樹脂層４３上に配置され、アノード３が第１樹脂層４１上に配置されていてもよい。

変形例２
上記実施形態では、第１樹脂層４１は、第２樹脂層４３と同じ厚さであったが、電解質膜４の構成はこれに限定されない。例えば、第１樹脂層４１は、第２樹脂層４３よりも厚くすることができる。特に限定されないが、例えば、第１樹脂層４１は、第２樹脂層４３よりも１～１０μｍ程度厚くすることができる。なお、第１樹脂層４１は、第２樹脂層４３よりも薄くてもよい。

変形例３
上記実施形態では、電解質膜４は、第１樹脂層４１、膜本体部４２、及び第２樹脂層４３を有しているが、電解質膜４の構成はこれに限定されない。例えば、図３に示すように、電解質膜４は、第２樹脂層４３を有していなくてもよい。すなわち、電解質膜４は、第１樹脂層４１及び膜本体部４２によって構成することができる。この場合、カソード２が第１樹脂層４１上に形成され、アノード３が膜本体部４２上に形成されてもよいし、アノード３が第１樹脂層４１上に形成され、カソード２が膜本体部４２上に形成されてもよい。

変形例４
上記実施形態では、第１樹脂層４１は、支持体４２２と異なる材料によって構成されているが、第１樹脂層４１の構成はこれに限定されない。例えば、第１樹脂層４１は、支持体４２２の構成材料として挙げたものによって構成されてもよい。また、第１樹脂層４１は、支持体４２２と同じ材料によって構成することができる。この場合、第１樹脂層４１は、イオン伝導体を有していてもよい。なお、第１樹脂層４１内におけるイオン伝導体の体積含有率は、膜本体部４２内におけるイオン伝導体４２１の体積含有率よりも小さい。同様に、第２樹脂層４３も支持体４２２の構成材料として挙げたものによって構成されてもよい。

変形例５
上記実施形態では、第１樹脂層４１は、支持体４２２よりも吸水率が低くなっていたが、第１樹脂層４１はこれに限定されない。例えば、第１樹脂層４１は、支持体４２２よりも吸水率が高くてもよい。すなわち。第１樹脂層４１を構成する樹脂は、支持体４２２を構成する樹脂よりも吸水率が高くてもよい。

変形例６
上記実施形態では、第１樹脂層４１の厚さｔ１及び第２樹脂層４３の厚さｔ３は、膜本体部４２の厚さｔ２よりも小さいが電解質４の構成はこれに限定されない。例えば、第１樹脂層４１の厚さｔ１は、膜本体部４２の厚さｔ２よりも大きくてもよい。また、第２樹脂層４３の厚さｔ３は、膜本体部４２の厚さｔ２よりも大きくてもよい。

この場合、膜本体部４２の厚さｔ２に対する、第１樹脂層４１の厚さｔ１の割合（ｔ１／ｔ２）を、１．１～２．０とすることができる。同様に、膜本体部４２の厚さｔ２に対する、第２樹脂層４３の厚さｔ３の割合（ｔ３／ｔ２）を、１．１～２．０とすることができる。

変形例７
上記実施形態では、第１樹脂層４１は、第２樹脂層４３よりもイオン伝導率が高いが、第１樹脂層４１は、第２樹脂層４３よりもイオン伝導率を低くすることができる。

変形例８
上記実施形態では、膜本体部４２は水酸化物イオン伝導性を有していたが、膜本体部４２のイオン伝導性はこれに限定されない。例えば、膜本体部４２は、プロトン伝導性を有していてもよいし、酸素イオン伝導性を有していてもよい。

変形例９
上記実施形態では、本発明に係る燃料電池用電解質膜を固体アルカリ形燃料電池に適用した実施形態を説明したが、本発明に係る燃料電池用電解質が適用される対象は固体アルカリ形燃料電池に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池などの他の燃料電池にも適用することができる。

変形例１０
また、上記実施形態では、燃料電池の一例として、水酸化物イオンをキャリアとする固体アルカリ形燃料電池１００について説明したが、プロトンをキャリアとする燃料電池であってもよい。この場合、イオン伝導体４２１は、プロトン伝導性を有するセラミック材料によって構成することができる。

プロトン伝導性を有するセラミック材料としては、プロトン導電性を有する金属酸化物水和物などを用いることができる。このような金属酸化物水和物としては、酸化ジルコニウム水和物、酸化タングステン水和物、酸化スズ水和物、ニオブをドープした酸化タングステン、酸化ケイ素水和物、酸化リン酸水和物、ジルコニウムをドープした酸化ケイ素水和物、タングストリン酸、モリブドリン酸などを用いることができる。

２ カソード
３ アノード
４ 電解質膜
４１ 第１樹脂層
４２ 膜本体部
４３ 第２樹脂層

Claims (18)

1. 燃料電池に用いられる電解質膜であって、
   セラミックスによって構成されるイオン伝導体、及び樹脂によって構成される支持体、を有する膜本体部と、
   前記膜本体部の一方面に配置される第１樹脂層と、
   を備える、
   燃料電池用電解質膜。
   
2. 前記第１樹脂層は、前記支持体と異なる材料によって構成される、
   請求項１に記載の燃料電池用電解質膜。
   
3. 前記第１樹脂層は、前記支持体よりもイオン伝導率が高い、
   請求項１又は２に記載の燃料電池用電解質膜。
   
4. 前記第１樹脂層は、前記支持体よりも吸水率が低い、
   請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
   
5. 前記第１樹脂層は、前記支持体と同じ材料によって構成される、
   請求項１に記載の燃料電池用電解質膜。
   
6. 前記第１樹脂層は、前記膜本体部よりも薄い、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
   
7. 前記第１樹脂層は、前記膜本体部よりも厚い、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
   
8. 前記膜本体部の他方面に配置される樹脂製の第２樹脂層をさらに備える、
   請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
   
9. 前記第２樹脂層は、前記支持体と異なる材料によって構成される、
   請求項８に記載の燃料電池用電解質膜。
   
10. 前記第２樹脂層は、前記支持体よりもイオン伝導率が高い、
    請求項８又は９に記載の燃料電池用電解質膜。
    
11. 前記第２樹脂層は、前記支持体よりも吸水率が低い、
    請求項８から１０のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
    
12. 前記第２樹脂層は、前記支持体と同じ材料によって構成される、
    請求項８に記載の燃料電池用電解質膜。
    
13. 前記第２樹脂層は、前記膜本体部よりも薄い、
    請求項８から１２のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
    
14. 前記第１樹脂層は、前記第２樹脂層よりも厚い、
    請求項８から１３のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
    
15. 前記第１樹脂層は、前記第２樹脂層よりも薄い、
    請求項８から１３のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
    
16. 前記第１樹脂層は、前記第２樹脂層よりもイオン伝導率が高い、
    請求項８から１５のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
    
17. 前記第１樹脂層は、前記第２樹脂層よりもイオン伝導率が低い、
    請求項８から１５のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜。
    
18. 請求項１から１７のいずれかに記載の燃料電池用電解質膜と、
    前記電解質膜の一方面に配置される第１電極と、
    前記電解質膜の他方面に配置される第２電極と、
    を備える、燃料電池。

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