JPH05255522A - イオン交換膜の加工方法、イオン交換膜およびそれを用いた燃料電池 - Google Patents
イオン交換膜の加工方法、イオン交換膜およびそれを用いた燃料電池Info
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- JPH05255522A JPH05255522A JP4057686A JP5768692A JPH05255522A JP H05255522 A JPH05255522 A JP H05255522A JP 4057686 A JP4057686 A JP 4057686A JP 5768692 A JP5768692 A JP 5768692A JP H05255522 A JPH05255522 A JP H05255522A
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- ion exchange
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Shaping By String And By Release Of Stress In Plastics And The Like (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 イオン交換膜の膜抵抗を低減させることによ
り、放電特性のすぐれたイオン交換膜型燃料電池を実現
させるためのイオン交換膜の加工方法、イオン交換膜、
およびそれを用いた燃料電池を提供するものである。 【構成】 含フッ素高分子を骨格とするイオン交換膜を
水溶性有機溶剤に浸漬膨潤させ、その後圧延し膜厚を減
少させる加工方法を用いることにより、イオン交換膜の
膜厚を減少させ、膜の含水率が向上し、膜抵抗を低減せ
しめ、放電特性にすぐれたイオン交換膜燃料電池が得ら
れる。
り、放電特性のすぐれたイオン交換膜型燃料電池を実現
させるためのイオン交換膜の加工方法、イオン交換膜、
およびそれを用いた燃料電池を提供するものである。 【構成】 含フッ素高分子を骨格とするイオン交換膜を
水溶性有機溶剤に浸漬膨潤させ、その後圧延し膜厚を減
少させる加工方法を用いることにより、イオン交換膜の
膜厚を減少させ、膜の含水率が向上し、膜抵抗を低減せ
しめ、放電特性にすぐれたイオン交換膜燃料電池が得ら
れる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料として純水素、ま
たはメタノール及び化石燃料からの改質水素などの還元
剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関する
ものであり、特に燃料電池用のイオン交換膜の加工方法
およびイオン交換膜に関するものである。
たはメタノール及び化石燃料からの改質水素などの還元
剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関する
ものであり、特に燃料電池用のイオン交換膜の加工方法
およびイオン交換膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】イオン交換膜燃料電池は、パーフルオロ
ビニルエーテルとテトラフルオロエチレンの共重合体か
らなる陽イオン交換膜のうち、スルフォン酸型のものが
一般に電解質として用いられている。例えば、特開平３
−１８４２６６号公報、特開平３−１８２０５２号公
報、特開平３−１６７７５２号公報ではパーフルオロカ
ーボンスルフォン酸樹脂膜であるＮＡＦＩＯＮを用いて
イオン交換膜燃料電池を構成している。イオン交換膜は
電池の出力特性を支配する主要な原因の一つであり、特
に、膜抵抗は出力特性を大きく左右する。
ビニルエーテルとテトラフルオロエチレンの共重合体か
らなる陽イオン交換膜のうち、スルフォン酸型のものが
一般に電解質として用いられている。例えば、特開平３
−１８４２６６号公報、特開平３−１８２０５２号公
報、特開平３−１６７７５２号公報ではパーフルオロカ
ーボンスルフォン酸樹脂膜であるＮＡＦＩＯＮを用いて
イオン交換膜燃料電池を構成している。イオン交換膜は
電池の出力特性を支配する主要な原因の一つであり、特
に、膜抵抗は出力特性を大きく左右する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
イオン交換膜燃料電池は市販の膜をそのまま用いるた
め、膜厚、膜抵抗がともに大きく、その結果電池の内部
抵抗が増大して十分な電池の出力特性が得られていな
い。
イオン交換膜燃料電池は市販の膜をそのまま用いるた
め、膜厚、膜抵抗がともに大きく、その結果電池の内部
抵抗が増大して十分な電池の出力特性が得られていな
い。
【０００４】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、イオン交換膜の膜抵抗を低減せしめてより高い性能
を有するイオン交換膜型燃料電池を実現させるためのイ
オン交換膜の加工方法、イオン交換膜、およびそれを用
いた燃料電池を提供することを目的とする。
で、イオン交換膜の膜抵抗を低減せしめてより高い性能
を有するイオン交換膜型燃料電池を実現させるためのイ
オン交換膜の加工方法、イオン交換膜、およびそれを用
いた燃料電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は含フッ素高分子を骨格とするイオン交換膜
を水溶性有機溶剤もしくはその水溶液に浸漬膨潤させ、
その後圧延もしくは延伸し膜厚を減少させる加工方法で
ある。
に、本発明は含フッ素高分子を骨格とするイオン交換膜
を水溶性有機溶剤もしくはその水溶液に浸漬膨潤させ、
その後圧延もしくは延伸し膜厚を減少させる加工方法で
ある。
【０００６】さらにその加工方法で得られた含水率が３
０〜５０％の範囲であるイオン交換膜およびその膜を用
いたイオン交換膜燃料電池である。
０〜５０％の範囲であるイオン交換膜およびその膜を用
いたイオン交換膜燃料電池である。
【０００７】
【作用】含フッ素高分子を骨格とするイオン交換膜を水
溶性有機溶剤もしくはその水溶液に浸漬膨潤させること
により、上記高分子の主鎖同士が滑りやすくなり、かつ
イオンクラスターを形成する。その後その状態で圧延も
しくは延伸することにより簡便にイオン交換膜の膜厚を
減少させかつイオンクラスターを新たに形成することが
可能となり、含水率が高く膜抵抗の小さいイオン交換膜
を得ることができ、これによって電池の出力特性を向上
させることが可能となった。
溶性有機溶剤もしくはその水溶液に浸漬膨潤させること
により、上記高分子の主鎖同士が滑りやすくなり、かつ
イオンクラスターを形成する。その後その状態で圧延も
しくは延伸することにより簡便にイオン交換膜の膜厚を
減少させかつイオンクラスターを新たに形成することが
可能となり、含水率が高く膜抵抗の小さいイオン交換膜
を得ることができ、これによって電池の出力特性を向上
させることが可能となった。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【０００９】（実施例１）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７をエ
タノールに浸漬し、膨潤させた後、常温でローラーを用
いて圧延を１〜４回行った。圧延方向は２軸とし、圧延
速度は１４cm／ｍｉｎとした。このイオン交換膜を５ｗ
ｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を
行い、有機物の不純物を除去した後、１規定の硫酸水溶
液中で７０〜８０℃で１時間加熱を行い、無機物の不純
物を除去すると共に、イオン交換基をプロトン型に置換
した。以下このイオン交換膜をＡとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７をエ
タノールに浸漬し、膨潤させた後、常温でローラーを用
いて圧延を１〜４回行った。圧延方向は２軸とし、圧延
速度は１４cm／ｍｉｎとした。このイオン交換膜を５ｗ
ｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を
行い、有機物の不純物を除去した後、１規定の硫酸水溶
液中で７０〜８０℃で１時間加熱を行い、無機物の不純
物を除去すると共に、イオン交換基をプロトン型に置換
した。以下このイオン交換膜をＡとする。
【００１０】（実施例２）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を８
０ｖｏｌ％エタノール水溶液に浸漬し、膨潤させた後、
常温でローラーを用いて圧延を１〜４回行った。圧延方
向は２軸とし、圧延速度は１４cm／ｍｉｎとした。この
イオン交換膜を５ｗｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８
０℃で１時間加熱を行い、有機物の不純物を除去した
後、１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱
を行い、無機物の不純物を除去すると共に、イオン交換
基をプロトン型に置換した。以下このイオン交換膜をＢ
とする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を８
０ｖｏｌ％エタノール水溶液に浸漬し、膨潤させた後、
常温でローラーを用いて圧延を１〜４回行った。圧延方
向は２軸とし、圧延速度は１４cm／ｍｉｎとした。この
イオン交換膜を５ｗｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８
０℃で１時間加熱を行い、有機物の不純物を除去した
後、１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱
を行い、無機物の不純物を除去すると共に、イオン交換
基をプロトン型に置換した。以下このイオン交換膜をＢ
とする。
【００１１】（実施例３）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７をエ
タノールに浸漬し、膨潤させた後、５０℃でローラーで
加温圧延を１〜４回行った。圧延方向は２軸とし、圧延
速度は１４cm／ｍｉｎとした。このイオン交換膜を５ｗ
ｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を
行った後、１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１時
間加熱を行った。以下このイオン交換膜をＣとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７をエ
タノールに浸漬し、膨潤させた後、５０℃でローラーで
加温圧延を１〜４回行った。圧延方向は２軸とし、圧延
速度は１４cm／ｍｉｎとした。このイオン交換膜を５ｗ
ｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を
行った後、１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１時
間加熱を行った。以下このイオン交換膜をＣとする。
【００１２】（実施例４）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７をア
セトンに浸漬し、膨潤させた後、常温でローラーを用い
て圧延を１〜４回行った。圧延方向は２軸とし、圧延速
度は１４cm／ｍｉｎとした。このイオン交換膜を５ｗｔ
％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を行
い、有機物の不純物を除去した後、１規定の硫酸水溶液
中で７０〜８０℃で１時間加熱を行い、無機物の不純物
を除去すると共に、イオン交換基をプロトン型に置換し
た。以下このイオン交換膜をＤとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７をア
セトンに浸漬し、膨潤させた後、常温でローラーを用い
て圧延を１〜４回行った。圧延方向は２軸とし、圧延速
度は１４cm／ｍｉｎとした。このイオン交換膜を５ｗｔ
％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を行
い、有機物の不純物を除去した後、１規定の硫酸水溶液
中で７０〜８０℃で１時間加熱を行い、無機物の不純物
を除去すると共に、イオン交換基をプロトン型に置換し
た。以下このイオン交換膜をＤとする。
【００１３】（実施例５）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を８
０ｖｏｌ％アセトン水溶液に浸漬し、膨潤させた後、常
温でローラーを用いて圧延を１〜４回行った。圧延方向
は２軸とし、圧延速度は１４cm／ｍｉｎとした。このイ
オン交換膜を５ｗｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０
℃で１時間加熱を行い、有機物の不純物を除去した後、
１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を行
い、無機物の不純物を除去すると共に、イオン交換基を
プロトン型に置換した。以下このイオン交換膜をＥとす
る。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を８
０ｖｏｌ％アセトン水溶液に浸漬し、膨潤させた後、常
温でローラーを用いて圧延を１〜４回行った。圧延方向
は２軸とし、圧延速度は１４cm／ｍｉｎとした。このイ
オン交換膜を５ｗｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０
℃で１時間加熱を行い、有機物の不純物を除去した後、
１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を行
い、無機物の不純物を除去すると共に、イオン交換基を
プロトン型に置換した。以下このイオン交換膜をＥとす
る。
【００１４】（実施例６）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７をア
セトンに浸漬し、膨潤させた後、５０℃でローラーで加
温圧延を１〜４回行った。圧延方向は２軸とし、圧延速
度は１４cm／ｍｉｎとした。このイオン交換膜を５ｗｔ
％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を行
った後、１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１時間
加熱を行った。以下このイオン交換膜をＦとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７をア
セトンに浸漬し、膨潤させた後、５０℃でローラーで加
温圧延を１〜４回行った。圧延方向は２軸とし、圧延速
度は１４cm／ｍｉｎとした。このイオン交換膜を５ｗｔ
％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱を行
った後、１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１時間
加熱を行った。以下このイオン交換膜をＦとする。
【００１５】（比較例１）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を５
ｗｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱
を行った後、１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１
時間加熱を行った。以下このイオン交換膜をＧとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を５
ｗｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０℃で１時間加熱
を行った後、１規定の硫酸水溶液中で７０〜８０℃で１
時間加熱を行った。以下このイオン交換膜をＧとする。
【００１６】（比較例２）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１５（Ｎ
ＡＦＩＯＮ１１７と同物質からなり、膜厚が小さいイオ
ン交換膜）を５ｗｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０
℃で１時間加熱を行った後、１規定の硫酸水溶液中で７
０〜８０℃で１時間加熱を行った。以下このイオン交換
膜をＨとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１５（Ｎ
ＡＦＩＯＮ１１７と同物質からなり、膜厚が小さいイオ
ン交換膜）を５ｗｔ％過酸化水素水溶液中で７０〜８０
℃で１時間加熱を行った後、１規定の硫酸水溶液中で７
０〜８０℃で１時間加熱を行った。以下このイオン交換
膜をＨとする。
【００１７】以下本発明の実施例および比較例について
図面を参照しながら説明する。図１に本発明の実施例の
イオン交換膜の膜厚の減少率と膜抵抗との関係を示し
た。膜厚の減少率は以下の式より求めた。
図面を参照しながら説明する。図１に本発明の実施例の
イオン交換膜の膜厚の減少率と膜抵抗との関係を示し
た。膜厚の減少率は以下の式より求めた。
【００１８】膜厚の減少率＝（Ｔ−Ｔ′）／Ｔ Ｔ ：ＮＡＦＩＯＮ膜を所定液で処理加熱後の膜厚（イ
オン交換膜Ｇ） Ｔ′：ＮＡＦＩＯＮ膜を水溶性有機溶剤もしくはその水
溶液に浸漬膨潤後圧延もしくは延伸し、その後、所定液
で処理加熱後の膜厚（イオン交換膜Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，
Ｅ，Ｆ） 膜抵抗は、１．５Ｍ硫酸水溶液中においてＨ型セルに白
金極、Ｈｇ／Ｈｇ2ＳＯ4電極を設置し、４端子法で常
温、６０℃，８０℃について測定した。
オン交換膜Ｇ） Ｔ′：ＮＡＦＩＯＮ膜を水溶性有機溶剤もしくはその水
溶液に浸漬膨潤後圧延もしくは延伸し、その後、所定液
で処理加熱後の膜厚（イオン交換膜Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，
Ｅ，Ｆ） 膜抵抗は、１．５Ｍ硫酸水溶液中においてＨ型セルに白
金極、Ｈｇ／Ｈｇ2ＳＯ4電極を設置し、４端子法で常
温、６０℃，８０℃について測定した。
【００１９】膜厚を数％減少させると膜抵抗は急激に低
減し、膜厚の減少率が１０〜５０％の間では膜抵抗は直
線的に低減した。しかし、膜厚の減少率が５０％を超え
ると膜が破壊され、圧延は不可能となった。従って、本
発明の効果は膜厚の減少率が５０％以下での圧延によっ
て得られることがわかった。
減し、膜厚の減少率が１０〜５０％の間では膜抵抗は直
線的に低減した。しかし、膜厚の減少率が５０％を超え
ると膜が破壊され、圧延は不可能となった。従って、本
発明の効果は膜厚の減少率が５０％以下での圧延によっ
て得られることがわかった。
【００２０】図２に本発明の実施例のイオン交換膜の膜
厚の減少率と含水率との関係を示した。含水率は以下の
式より求めた。
厚の減少率と含水率との関係を示した。含水率は以下の
式より求めた。
【００２１】 含水率＝（Ｗｗｅｔ−Ｗｄｒｙ）／Ｗｄｒｙ Ｗｗｅｔ：６０℃の水に浸漬したときのイオン交換膜の
重量 Ｗｄｒｙ：乾燥したイオン交換膜の重量 膜厚の減少率に略比例して含水率が増加し、膜厚の減少
率が５０％の膜、すなわち本発明においてもっとも膜厚
の薄いイオン交換膜の含水率は５０％まで増加した。
重量 Ｗｄｒｙ：乾燥したイオン交換膜の重量 膜厚の減少率に略比例して含水率が増加し、膜厚の減少
率が５０％の膜、すなわち本発明においてもっとも膜厚
の薄いイオン交換膜の含水率は５０％まで増加した。
【００２２】図３に本発明の実施例のイオン交換膜の含
水率と膜抵抗との関係を示した。含水率の増加に比例し
て膜抵抗は低減された。このことより膜抵抗が低減した
原因として、膜厚の減少だけでなく含水率の増加も考え
られる。含水率の増加とそれに伴う膜抵抗の減少は、イ
オン交換膜を水溶性有機溶剤もしくはその水溶液で膨潤
すると高分子の主鎖同士が滑りやすくなり、かつイオン
の通り道であるクラスターが形成され、この状態で圧延
することにより圧延前にはクラスターの形成に寄与して
いなかったイオン交換基が新たにクラスターを形成した
ためと考えられる。
水率と膜抵抗との関係を示した。含水率の増加に比例し
て膜抵抗は低減された。このことより膜抵抗が低減した
原因として、膜厚の減少だけでなく含水率の増加も考え
られる。含水率の増加とそれに伴う膜抵抗の減少は、イ
オン交換膜を水溶性有機溶剤もしくはその水溶液で膨潤
すると高分子の主鎖同士が滑りやすくなり、かつイオン
の通り道であるクラスターが形成され、この状態で圧延
することにより圧延前にはクラスターの形成に寄与して
いなかったイオン交換基が新たにクラスターを形成した
ためと考えられる。
【００２３】一方膜厚の減少率が最小即ち水溶性有機溶
剤に浸漬膨潤後、圧延を全くしない場合の含水率は３０
％であった。
剤に浸漬膨潤後、圧延を全くしない場合の含水率は３０
％であった。
【００２４】以上のことより、本発明の効果は含水率が
３０〜５０％の範囲のイオン交換膜について得られるこ
とが分かった。
３０〜５０％の範囲のイオン交換膜について得られるこ
とが分かった。
【００２５】図４にエタノールもしくはアセトンの水溶
液濃度とイオン交換膜の膜厚の最大の減少率の関係を示
した。エタノール濃度の低下にしたがって膨潤した膜は
もろくなって膜厚の減少率は小さくなり、２０ｖｏｌ％
未満の水溶液では膜厚の減少は見られなくなった。した
がって、２０ｖｏｌ％以上の水溶液で本発明の効果が得
られることがわかった。
液濃度とイオン交換膜の膜厚の最大の減少率の関係を示
した。エタノール濃度の低下にしたがって膨潤した膜は
もろくなって膜厚の減少率は小さくなり、２０ｖｏｌ％
未満の水溶液では膜厚の減少は見られなくなった。した
がって、２０ｖｏｌ％以上の水溶液で本発明の効果が得
られることがわかった。
【００２６】
【表１】
【００２７】（表１）に本実施例と比較例のイオン交換
膜の圧延回数、膜厚、含水率、膜抵抗、およびガス透過
量を示した。ガス透過量は４０℃において差圧式で測定
した。
膜の圧延回数、膜厚、含水率、膜抵抗、およびガス透過
量を示した。ガス透過量は４０℃において差圧式で測定
した。
【００２８】本実施例のイオン交換膜Ａ〜Ｆは比較例の
イオン交換膜Ｇと比較して膜厚、膜抵抗がともに減少
し、かつ含水率が増加したが、ガス透過量は増加した。
本実施例のイオン交換膜Ａ，Ｄは膨潤溶剤がそれぞれエ
タノール、アセトンと異なるが、圧延回数が等しく、膜
厚、含水率、抵抗、ガス透過量はほぼ同じであった。ま
たイオン交換膜Ａ，Ｄは、比較例１のイオン交換膜Ｈと
比較して膜厚はほぼ同じであるが、含水率が高く、膜抵
抗も低くなった。また、本実施例のイオン交換膜Ｃ，Ｆ
は圧延回数の等しいイオン交換膜Ａ，Ｄと比較して膜
厚、膜抵抗が共に減少し、含水率は向上した。
イオン交換膜Ｇと比較して膜厚、膜抵抗がともに減少
し、かつ含水率が増加したが、ガス透過量は増加した。
本実施例のイオン交換膜Ａ，Ｄは膨潤溶剤がそれぞれエ
タノール、アセトンと異なるが、圧延回数が等しく、膜
厚、含水率、抵抗、ガス透過量はほぼ同じであった。ま
たイオン交換膜Ａ，Ｄは、比較例１のイオン交換膜Ｈと
比較して膜厚はほぼ同じであるが、含水率が高く、膜抵
抗も低くなった。また、本実施例のイオン交換膜Ｃ，Ｆ
は圧延回数の等しいイオン交換膜Ａ，Ｄと比較して膜
厚、膜抵抗が共に減少し、含水率は向上した。
【００２９】フッ素系の高分子では空気中の酸素窒素の
分離比α（＝Ｏ2／Ｎ2）は約２であり、本実施例のイオ
ン交換膜Ａ〜Ｆのαはそれぞれ１．８，２．１，２．
４，１．８，２．１，２．３であることから、圧延によ
ってイオン交換膜にひび割れなどの亀裂が生じていない
ことがわかった。また、イオン交換膜燃料電池ではイオ
ン交換膜のガス透過量が大きいと、水素および酸素がイ
オン交換膜を透過するクロスリークによって触媒上で直
接反応して電池性能が低下する。本実施例のイオン交換
膜Ａ〜Ｆは、ガス透過量が増加したが、その透過量は電
池性能低下のない値であった。
分離比α（＝Ｏ2／Ｎ2）は約２であり、本実施例のイオ
ン交換膜Ａ〜Ｆのαはそれぞれ１．８，２．１，２．
４，１．８，２．１，２．３であることから、圧延によ
ってイオン交換膜にひび割れなどの亀裂が生じていない
ことがわかった。また、イオン交換膜燃料電池ではイオ
ン交換膜のガス透過量が大きいと、水素および酸素がイ
オン交換膜を透過するクロスリークによって触媒上で直
接反応して電池性能が低下する。本実施例のイオン交換
膜Ａ〜Ｆは、ガス透過量が増加したが、その透過量は電
池性能低下のない値であった。
【００３０】本実施例３および６では５０℃で圧延を行
ったが、１２０℃以下の圧延では本実施例と同様の結果
が得られた。１２０℃より高い温度でイオン交換膜を圧
延すると有機溶剤の蒸発が速いためにイオン交換膜が乾
燥してしまい、圧延を行っても膜厚は減少しなかった。
従って、１２０℃以下での圧延で本発明の効果が得られ
ることがわかった。また、本実施例では１４cm／ｍｉｎ
の速度で圧延を行ったが、３０cm／ｍｉｎ以下の圧延速
度では本実施例と同様の結果が得られた。３０cm／ｍｉ
ｎより速い圧延速度でイオン交換膜を圧延すると、均一
に圧延できず、イオン交換膜が破壊された。従って、３
０cm／ｍｉｎ以下の圧延速度で本発明の効果が得られる
ことがわかった。
ったが、１２０℃以下の圧延では本実施例と同様の結果
が得られた。１２０℃より高い温度でイオン交換膜を圧
延すると有機溶剤の蒸発が速いためにイオン交換膜が乾
燥してしまい、圧延を行っても膜厚は減少しなかった。
従って、１２０℃以下での圧延で本発明の効果が得られ
ることがわかった。また、本実施例では１４cm／ｍｉｎ
の速度で圧延を行ったが、３０cm／ｍｉｎ以下の圧延速
度では本実施例と同様の結果が得られた。３０cm／ｍｉ
ｎより速い圧延速度でイオン交換膜を圧延すると、均一
に圧延できず、イオン交換膜が破壊された。従って、３
０cm／ｍｉｎ以下の圧延速度で本発明の効果が得られる
ことがわかった。
【００３１】次に本発明の実施例及び比較例のイオン交
換膜と電極とを１２０〜１５０℃の温度、２０〜６０kg
／cm2の圧力でホットプレスし、負極とイオン交換膜と
正極との接合を行った。この接合体を用いて、図５に示
したイオン交換膜燃料電池の単セルを作成した。図５
中、１０はイオン交換膜を示し、１１および１２はそれ
ぞれ負極及び正極を示した。電極は両極とも白金触媒を
担持した炭素微粉末に固体高分子電解質を添加して作製
した。白金量は０．０１〜０．５mg／cm2とし、固体高
分子電解質の添加量は、両極とも電極面積当たり０．１
〜３．０mg／cm2とした。この単電池の負極側に、９０
℃の温度で加湿した水素ガスを、正極側に、８０℃の温
度で加湿した酸素ガスをそれぞれ供給して、放電試験を
行った。
換膜と電極とを１２０〜１５０℃の温度、２０〜６０kg
／cm2の圧力でホットプレスし、負極とイオン交換膜と
正極との接合を行った。この接合体を用いて、図５に示
したイオン交換膜燃料電池の単セルを作成した。図５
中、１０はイオン交換膜を示し、１１および１２はそれ
ぞれ負極及び正極を示した。電極は両極とも白金触媒を
担持した炭素微粉末に固体高分子電解質を添加して作製
した。白金量は０．０１〜０．５mg／cm2とし、固体高
分子電解質の添加量は、両極とも電極面積当たり０．１
〜３．０mg／cm2とした。この単電池の負極側に、９０
℃の温度で加湿した水素ガスを、正極側に、８０℃の温
度で加湿した酸素ガスをそれぞれ供給して、放電試験を
行った。
【００３２】図６に、本発明の実施例及び、比較例のイ
オン交換膜を用いたイオン交換膜燃料電池の電圧−電流
特性をそれぞれ示した。本発明の実施例のイオン交換膜
Ａ〜Ｆを用いた燃料電池は、電流密度２００ｍＡ／cm2
において、それぞれ電池電圧０．６７Ｖ，０．６４Ｖ，
０．６９Ｖ，０．６７Ｖ，０．６４Ｖ，０．６９Ｖを示
した。一方、比較例のイオン交換膜Ｇ，Ｈを用いた燃料
電池は、電流密度２００ｍＡ／cm2において、それぞれ
電池電圧０．５３Ｖ，０．５６Ｖを示した。
オン交換膜を用いたイオン交換膜燃料電池の電圧−電流
特性をそれぞれ示した。本発明の実施例のイオン交換膜
Ａ〜Ｆを用いた燃料電池は、電流密度２００ｍＡ／cm2
において、それぞれ電池電圧０．６７Ｖ，０．６４Ｖ，
０．６９Ｖ，０．６７Ｖ，０．６４Ｖ，０．６９Ｖを示
した。一方、比較例のイオン交換膜Ｇ，Ｈを用いた燃料
電池は、電流密度２００ｍＡ／cm2において、それぞれ
電池電圧０．５３Ｖ，０．５６Ｖを示した。
【００３３】なお本実施例ではイオン交換膜としてＮＡ
ＦＩＯＮを用いたが、他のパーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜を用いても同様の結果が得られた。また、イオン交
換膜の圧延方向を２軸としたが、１軸方向でも同様の結
果が得られた。またイオン交換膜を膨潤させる水溶性有
機溶剤としてエタノールとアセトンを用いたが、メタノ
ール、プロパノール、イソプロパノール、ブチルアルコ
ール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコー
ル、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、メトキシエタノー
ル、エトキシエタノール、メチルエチルケトンなどの水
溶性の有機溶剤のうち、少なくとも一つまたは複数を混
合した有機溶剤を用いても同様の結果が得られた。
ＦＩＯＮを用いたが、他のパーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜を用いても同様の結果が得られた。また、イオン交
換膜の圧延方向を２軸としたが、１軸方向でも同様の結
果が得られた。またイオン交換膜を膨潤させる水溶性有
機溶剤としてエタノールとアセトンを用いたが、メタノ
ール、プロパノール、イソプロパノール、ブチルアルコ
ール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコー
ル、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、メトキシエタノー
ル、エトキシエタノール、メチルエチルケトンなどの水
溶性の有機溶剤のうち、少なくとも一つまたは複数を混
合した有機溶剤を用いても同様の結果が得られた。
【００３４】さらに、本実施例では、イオン交換膜燃料
電池の一例として水素−酸素燃料電池を取り上げたが、
メタノール、天然ガス、ナフサなどを燃料とする改質水
素を用いた燃料電池、また、酸化剤として空気を用いた
燃料電池に適用することも可能である。
電池の一例として水素−酸素燃料電池を取り上げたが、
メタノール、天然ガス、ナフサなどを燃料とする改質水
素を用いた燃料電池、また、酸化剤として空気を用いた
燃料電池に適用することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上のように本発明は、イオン交換膜を
水溶性有機溶剤もしくはその水溶液に浸漬膨潤し、高分
子の主鎖同士が滑りやすく、かつイオンクラスターを形
成した状態で圧延もしくは延伸することにより、簡便に
膜厚を減少させ、かつ含水率が高く、膜抵抗の小さいイ
オン交換膜を得ることが可能となり、より高い放電特性
を発揮するイオン交換膜型燃料電池を実現することが可
能となるものである。
水溶性有機溶剤もしくはその水溶液に浸漬膨潤し、高分
子の主鎖同士が滑りやすく、かつイオンクラスターを形
成した状態で圧延もしくは延伸することにより、簡便に
膜厚を減少させ、かつ含水率が高く、膜抵抗の小さいイ
オン交換膜を得ることが可能となり、より高い放電特性
を発揮するイオン交換膜型燃料電池を実現することが可
能となるものである。
【図１】イオン交換膜の膜厚の減少率と膜抵抗の関係を
示す図
示す図
【図２】イオン交換膜の膜厚の減少率と含水率の関係を
示す図
示す図
【図３】イオン交換膜の含水率と膜抵抗の関係を示す図
【図４】エタノール濃度とイオン交換膜の膜厚の減少率
の関係を示す図
の関係を示す図
【図５】イオン交換膜型燃料電池の断面図
【図６】イオン交換膜型燃料電池の電圧−電流特性図
１０ イオン交換膜 １１ 負極 １２ 正極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｃ０８Ｌ 27:12
Claims (10)
- 【請求項１】含フッ素高分子を骨格とするイオン交換膜
を水溶性有機溶剤に浸漬膨潤後圧延もしくは延伸し、膜
厚を減少させるイオン交換膜の加工方法。 - 【請求項２】上記水溶性有機溶剤としてメタノール、エ
タノール、プロパノール、イソプロパノール、ブチルア
ルコール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアル
コール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、メトキシエタノ
ール、エトキシエタノール、アセトン、メチルエチルケ
トンのうち、少なくとも一つを用いた請求項１記載のイ
オン交換膜の加工方法。 - 【請求項３】浸漬膨潤時に水溶性有機溶剤の水溶液を用
いる請求項１記載のイオン交換膜の加工方法。 - 【請求項４】上記水溶液として水溶性有機溶剤の濃度が
２０ｖｏｌ％以上である水溶液を用いた請求項１記載の
イオン交換膜の加工方法。 - 【請求項５】圧延延伸時において１２０℃以下で圧延も
しくは延伸した請求項１記載のイオン交換膜の加工方
法。 - 【請求項６】圧延延伸時において３０cm／ｍｉｎ以下の
速度で圧延もしくは延伸した請求項１記載のイオン交換
膜の加工方法。 - 【請求項７】イオン交換膜の膜厚の減少率が５０％以下
である請求項１記載のイオン交換膜の加工方法。 - 【請求項８】含フッ素高分子を骨格とするイオン交換膜
を水溶性有機溶剤もしくはその水溶液に浸漬膨潤後圧延
もしくは延伸し、含水率が３０〜５０％の範囲であるイ
オン交換膜。 - 【請求項９】イオン交換膜として、パーフルオロビニル
エーテルとテトラフルオロエチレンの共重合体からなる
イオン交換膜を用いた請求項８記載のイオン交換膜。 - 【請求項１０】含フッ素高分子を骨格とするイオン交換
膜を水溶性有機溶剤もしくはその水溶液に浸漬膨潤後圧
延もしくは延伸し、含水率が３０〜５０％の範囲である
イオン交換膜を用いたイオン交換膜燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CA 2068071 CA2068071A1 (en) | 1992-01-13 | 1992-05-06 | Method for processing ion-exchange membrane, the ion-exchange membrane and fuel cells using same |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP354092 | 1992-01-13 | ||
| JP4-3540 | 1992-01-13 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05255522A true JPH05255522A (ja) | 1993-10-05 |
Family
ID=11560247
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4057686A Pending JPH05255522A (ja) | 1992-01-13 | 1992-03-16 | イオン交換膜の加工方法、イオン交換膜およびそれを用いた燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05255522A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1615286A1 (en) | 2004-07-05 | 2006-01-11 | Polymatech Co., Ltd. | Ion conductive polymer electrolyte membrane and production method for the same |
| WO2006019097A1 (ja) * | 2004-08-18 | 2006-02-23 | Asahi Glass Company, Limited | 燃料電池用電解質ポリマー、その製造方法、電解質膜、及び膜・電極接合体 |
| JP2013028710A (ja) * | 2011-07-28 | 2013-02-07 | Nitto Denko Corp | イオン伝導性電解質膜およびその製造方法 |
| JP2014084349A (ja) * | 2012-10-22 | 2014-05-12 | Nitto Denko Corp | アニオン伝導性高分子電解質膜およびその製造方法ならびにそれを用いた膜電極接合体および燃料電池 |
-
1992
- 1992-03-16 JP JP4057686A patent/JPH05255522A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1615286A1 (en) | 2004-07-05 | 2006-01-11 | Polymatech Co., Ltd. | Ion conductive polymer electrolyte membrane and production method for the same |
| US7540991B2 (en) | 2004-07-05 | 2009-06-02 | Polymatech Co., Ltd. | Ion conductive polymer electrolyte membrane and production method for the same |
| WO2006019097A1 (ja) * | 2004-08-18 | 2006-02-23 | Asahi Glass Company, Limited | 燃料電池用電解質ポリマー、その製造方法、電解質膜、及び膜・電極接合体 |
| US7838167B2 (en) | 2004-08-18 | 2010-11-23 | Asahi Glass Company, Limited | Electrolyte polymer for fuel cells, process for its production, electrolyte membrane and membrane/electrode assembly |
| JP2013028710A (ja) * | 2011-07-28 | 2013-02-07 | Nitto Denko Corp | イオン伝導性電解質膜およびその製造方法 |
| JP2014084349A (ja) * | 2012-10-22 | 2014-05-12 | Nitto Denko Corp | アニオン伝導性高分子電解質膜およびその製造方法ならびにそれを用いた膜電極接合体および燃料電池 |
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