JPH06231783A - 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
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- JPH06231783A JPH06231783A JP5039421A JP3942193A JPH06231783A JP H06231783 A JPH06231783 A JP H06231783A JP 5039421 A JP5039421 A JP 5039421A JP 3942193 A JP3942193 A JP 3942193A JP H06231783 A JPH06231783 A JP H06231783A
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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
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
た高性能の燃料電池を提供する。 【構成】異なる含水率を有するスルホン酸基を有するパ
ーフルオロカーボン重合体フィルムの少なくとも3層以
上の積層構造を有し、正極及び負極に面する重合体フィ
ルムの含水率が、中間の重合体フィルムのそれよりも大
きい陽イオン交換膜を固体電解質とする。
Description
電池に関するものである。
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力視されてい
る。
分子膜は、通常厚さ100〜200μm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。
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易くな
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、電気抵抗が低く且つ機械的
強度が高い隔膜の開発が望まれていた。
解決すべくなされたものであり、スルホン酸基を含有す
るパーフルオロカーボン重合体の膜を固体高分子電解質
とする燃料電池において、陽イオン交換膜が、異なる含
水率を有する少なくとも3層以上の重合体フィルムの積
層構造を有し、その正極及び負極に面する重合体フィル
ムの含水率が、両層に挟まれた中間の重合体フィルムの
含水率より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。
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、含水率が好ましくは5
〜50重量%、特には10〜30重量%だけ大きいこと
が好ましい。負極に面する重合体フィルムと陽極に面す
る重合体フィルムは、そのいずれか一方が他方よりも大
きい含水率を有することができる。各重合体フィルムの
含水率は、好ましくは30〜110重量%、特には35
〜95重量%に制御するのが好ましい。
の含水率(△W)は以下のように定義される。 △W=(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。
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を有するのが好ましい。
上記範囲の下限値以下では膜強度及び電極接合等におけ
る膜取扱い性が低下し、一方上限値以上では膜抵抗が上
昇し、出力が低下するため好ましくない。
るパーフルオロカーボン重合体がとしてはテトラフルオ
ロエチレンとCF2 =CF−(OCF2 CFX)m −O
q −(CF2 )n −A(式中m=0〜3、n=0〜1
2、q=0又は1、X=F又はCF3 、A=スルホン酸
型官能基)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。
しては、 CF2 =CFO(CF2 )1-8 SO2 F CF2 =CFOCF2 CF(CF3 )O(CF2 )1-8 SO2 F CF2 =CF(CF2 )0-8 SO2 F CF2 =CF(OCF2 CF(CF3 ))1-5 O(CF2 )2 SO2 F などが挙げられる。
構成する単量体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、クロロトリフルオロ
エチレン、パーフルオロアルコキシビニルエーテルの如
きパーフルオロオレフィンを用いることも可能である。
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。
ィルムを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。
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。
なる溝が形成された導電性カーボン板等が用いられる。
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- → H2 O 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。
って水を発生するため、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水
特性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。
側へ拡散するが、かかる膜の正極側にも高い含水特性を
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
態を緩和し抵抗の低い膜が得られる。
拠し、CF2 =CF2とCF2 =CFO(CF2 CFC
F3 )O(CF2 )2 SO2 Fとの共重合体からなるイ
オン交換容量(以下ARとも称する場合がある)1.0
ミリ当量/g乾燥樹脂、及び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220
℃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。
用し、220℃にてロールにより、AR=1.1(20
μm)/AR=1.0(60μm)/AR=1.1(2
0μm)となるように積層した後、得られる積層体を、
ジメチルスルホキシド30重量%と苛性カリ15重量%
との混合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、AR=
1.0のものは、50重量%であり、AR=1.1のも
のは70重量%であった。
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入し、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。
PTFE製のガス供給室、ヒーターの順番で両側からは
さみ、有効膜面積9cm2 の燃料電池を組みあげた。こ
のとき負極側に陽イオン交換膜の1.1ミリ当量g/乾
燥樹脂の重合体フィルムが、正極に1.0ミリ当量/g
乾燥樹脂の重合体フィルムが面するように燃料電池を組
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/cm
2でセル電圧0.65Vであった。
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 でセル電圧0.60Vであ
った。
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。
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。
Claims (4)
- 【請求項1】スルホン酸基を含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の少なくとも3層以上の積
層構造を有し、その正極及び負極に面する重合体フィル
ムの含水率が、中間の重合体フィルムのそれよりも大き
いことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項2】正極及び負極に面するパーフルオロカーボ
ン重合体フィルムの含水率が、中間の重合体フィルムの
それよりも5〜50重量%だけ大きい請求項1の固体高
分子電解質型燃料電池。 - 【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の固体高分子電解質型燃料電
池。 - 【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 −
(CF2 )n −A(式中m=0〜3、n=0〜12、q
=0又は1、X=F又はCF3 、A=スルホン酸型官能
基)との共重合体である請求項1、2又は3の固体高分
子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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 |
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-
1993
- 1993-02-03 JP JP03942193A patent/JP3382655B2/ja not_active Expired - Fee Related
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