JPH06251792A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池

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JPH06251792A
JPH06251792A JP5035584A JP3558493A JPH06251792A JP H06251792 A JPH06251792 A JP H06251792A JP 5035584 A JP5035584 A JP 5035584A JP 3558493 A JP3558493 A JP 3558493A JP H06251792 A JPH06251792 A JP H06251792A
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JP
Japan
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electrolyte
solid polymer
ion exchange
electrodes
polymer electrolyte
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Pending
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JP5035584A
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English (en)
Inventor
Keiichi Koseki
恵一 古関
Hiroyuki Iwasaki
浩之 岩崎
Yuzo Izumi
祐三 出水
Natsuko Oto
奈津子 大戸
Satoshi Sakurada
智 櫻田
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Tonen General Sekiyu KK
Original Assignee
Tonen Corp
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • 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

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン交換膜の薄膜化、電極/電解質乾麺の
接触抵抗の低減、大面積化、耐久化等の改善を可能にす
る固体高分子電解質型燃料電池を提供すること。 【構成】 一対の電極間に電解質を配置して構成した燃
料電池単セルにおいて、電解質が高分子多孔質膜の空孔
中に電解質溶液を充填してなる固体高分子電解質膜の両
面にイオン交換膜を積層した3層構造である。好ましく
は、一対の電極をそれぞれ多孔質の導電性基材の一面に
多孔質触媒電極を配置して構成し、またイオン交換膜が
フッ素樹脂系陽イオン交換樹脂の溶液を該触媒電極表面
に塗布し、焼付けされた密着皮膜である。

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
電池に係る。
【0002】
【従来の技術】イオン交換膜(代表的にはデュポン社で
開発されたフッ素樹脂系陽イオン交換膜であるナフィオ
ン膜やダウ・ケミカル社製イオン交換膜DowM)を用
いた固体高分子電解質型燃料電池が知られており、水素
燃料電極では H2 → 2H + + 2e - 、酸化電極ではO2 + 4
H + + 4e- → 2H2O の反応が進むが、この燃料電池は10
0 ℃以下の低温で作動するので装置の作製が容易である
特徴を有する。電解質(イオン交換膜)の厚さは130 〜
250 μm である。
【0003】これに対して、触媒電解層の表面に塗布形
成された一対のイオン交換膜を相互に重ね合わせ、熱プ
レスして一体化し、イオン交換膜を約20μm厚まで薄膜
化した固体高分子電解質型燃料電池が開示されている
(特開平4−264367号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のイオン交換膜は
実際上薄膜化することが困難であるが、これまでの固体
高分子電解質型燃料電池の用途は宇宙・軍事用が主体で
あったので、セル全体の抵抗に対して電解質バルク抵抗
は小さく、セル特性に与える寄与が小さいと考えられて
きたが、今後実用に近づくためには、セルの高出力化、
低コスト化を行うことが必要である。ここで、上記のイ
オン交換膜は高価であり、130 〜250 μmと大きな膜厚
はコスト的に不利であるばかりでなく、電解質層におけ
るイオン導伝抵抗や触媒電極との接触抵抗を高めるため
高出力が得にくいという欠点がある。また、特開平4−
264367号公報に開示されている薄膜化の方法では
大面積、均一厚みの膜が得にくく、生産性も高くない。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、一対の電極間に電解質を配置して構成し
た燃料電池単セルにおいて、電解質が、高分子多孔質膜
の空孔中に電解質溶液を充填してなる固体高分子電解質
膜の両面にイオン交換膜を積層した3層構造であること
を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【0006】電解質の主体として高分子多孔質膜の空孔
中に電解質溶液を充填してなる固体高分子電解質膜を用
いることによってイオン交換膜と比べて低コストであ
り、特に大面積の場合のコストを低くすることができ、
しかも従来のイオン交換膜を含む固体電解質として耐久
性に優れる、一方電解質層を薄くできるため膜厚の大き
いイオン交換膜に比べてイオン伝導性が低下することは
ない等の特徴がある。
【0007】高分子多孔質膜の空孔中に電解質溶液を充
填してなる固体高分子電解質膜については、本出願人が
特開平1−158051号公報及び同2−291607
号公報等に既に開示しているので、詳しくはこれらを参
照されたいが、全体として固体として取り扱うことがで
き、液漏れの心配がなく、しかもイオン導電性に優れる
こと、薄膜化が可能である特徴を有する。
【0008】固体高分子電解質膜としては、膜厚が0.1
μm 〜50μm 、空孔率が40%〜90%、破断強度が200kg/
cm2 以上、平均貫通孔径が0.001 μm 〜0.7 μm のもの
が好ましく使用される。薄膜の厚さは一般に0.1 μm 〜
50μm であり、好ましくは1μm 〜25μm である。厚さ
が0.1 μm 未満では支持膜としての機械的強度の低下及
び取扱性の面から実用に供することが難しい。一方、50
μm を越える場合には実効抵抗を抑えるという観点から
好ましくない。多孔性薄膜薄膜の空孔率は40%〜90%と
するのがよく、好ましくは60%〜90%の範囲である。空
孔率が40%未満では電解質としてのイオン導電性が不十
分となり、一方90%を越えると支持膜としての機械的強
度が小さくなり実用に供することが難しい。
【0009】平均貫通孔径は、空孔中にイオン導電性を
固定化できればよいが、一般に0.001 μm 〜0.7 μm で
ある。好ましい平均貫通孔径は高分子膜の材質や孔の形
状にもよる。高分子膜の破断強度は一般に200kg/cm2
上、より好ましくは500kg/cm 2 以上を有することにより
支持膜としての実用化に好適である。本発明に用いる多
孔性膜は上記のようなイオン導電体の支持体としての機
能を持ち、機械的強度の優れた高分子材料からなる。
【0010】化学的安定性の観点から、例えば、ポリオ
レフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビ
ニリデンを用いることができるが、本発明の多孔構造の
設計や薄膜化と機械的強度の両立の容易さの観点から好
適な高分子材料の一例は、特に平均分子量が5×105
上のポリオレフィンである。別の好適な高分子材料の例
はポリカーボネート、ポリエステル、ポリメタアクリレ
ート、ポリアセタール、ポリ塩化ビニリデン、ポリテト
ラフルオロエチレン等である。
【0011】本発明で用いるイオン導電体としては、ア
ルカリ金属塩又はプロトン酸と、ポリエーテル、ポリエ
ステル、ポリイミン等の極性高分子との複合体、あるい
はこれらの高分子をセグメントとして含有する網目状又
は架橋状高分子との複合体を用いることができる。高分
子薄膜中にイオン導電体を充填する方法としては、溶
媒に溶解させたイオン導電体、または溶媒中にゾル状又
はゲル状に微分散させたイオン導電体を固体高分子多孔
性薄膜に含浸させるか、塗布又はスプレーした後溶剤を
除去する、多孔性薄膜の製造工程でイオン導電体の溶
液又は、そのゾル又はゲル状の分散溶液を混合した後製
膜する、イオン導電体の単量体や可溶性プレカーサー
を固体高分子多孔性は薄膜に含浸させるか、塗布又はス
プレーした後、空孔内で反応させる、等の方法を用いる
ことができる。
【0012】このような固体高分子電解質膜を用いるこ
とによって、上記の如く、導電性の高い固体薄膜電解質
が提供されるが、固体高分子電解質膜と電極との接触抵
抗を低減するために、電極と固体高分子電解質膜との間
にイオン交換膜を介在させる。このイオン交換膜は電極
表面にイオン交換樹脂(特に、フッ素樹脂系陽イオン交
換樹脂:ナフィオン)の溶液を塗布、焼付けして形成し
た密着皮膜であることが好ましい。
【0013】イオン交換膜の厚みは10μm 以下でよ
く、好ましくは0.03〜5μm の範囲である。イオン
交換膜の厚みが10μm 超ではコスト高になり、また抵
抗増大にも繋がり、本発明の目的から好ましくない。電
極その他の構造は従来公知のものを採用できる。図1及
び図2を参照して、本発明の固体高分子電解質型燃料電
池の典型的な構造の例を説明する。
【0014】図1は電極と電解質との積層構造を示す。
図1において、1は固体高分子電解質膜、2,3はイオ
ン交換膜、4は電解質層、5,6は多孔質白金触媒/電
極、7,8は多孔質炭素電極基材、9はアノード、10
はカソードである。一対の触媒/電極9,10の間に電
解質層4を挟持した電池本体のアノード9側に水素燃
料、カソード10側に酸素(酸化剤)が供給され、前記
の H2 → 2H + + 2e- (アノード側)及びO2 + 4H + + 4
e- → 2H2O (カソード側)の反応が進行し、その際ア
ノード9、カソード10間に起電力が発生する。
【0015】図2は即ち、図1の如き電池本体を含む燃
料電池の全体図である。一対の触媒/電極9,10の間
に電解質層4を挟持した電池本体のアノード9側に水素
燃料、カソード10側に酸素(酸化剤)が供給するため
に、電池本体を封入する封止材(例えば、ステンレス)
11とこれらを包囲する高温槽12、そして水素供給系
13、酸素(又は空気)供給系14、アノード排ガス系
15、カソード排ガス系16、電流取出のための部材1
7からなる。
【0016】
【実施例】図1の構造の電池本体を作製した。即ち、2
枚の5cm角の多孔質白金基板(厚さ100μm 、平均空
孔径1μm、多孔度65%)にナフィオン溶液(デュポ
ン社の商品、濃度5重量%、溶剤:アルコール及び10
重量%の水)を600/1500回/分でスピンコート
し、90℃で焼成して厚さ5μm のナフィオン膜を焼き
付けた電極を得た。
【0017】これらの電極上に厚さ50μm の多孔質カ
ーボン(多孔度50%)を張り合わせて、2枚の電極を
得た。また、厚さ25μm のポリエチレン微多孔膜(平
均空孔径200Å、多孔度55%)中に、ポリエチレン
グリコールジメチルエーテル(分子量400)と過塩素
酸5モル%からなる電解質溶液を含浸させ、電解質薄膜
を得た。
【0018】上記の電極の白金電極面を向かい合わせ、
その間に上記電解質薄膜を挟んで単位セルを得た。この
セルを図2の如き構造に積み立てて燃料電池とし、82
℃において、4.5気圧の圧力下、カソード側に酸素を
100ml/min(常圧換算)、アノード側に水素を200
ml/min(常圧換算))の流速で供給して、電池を作動さ
せた。
【0019】その結果、得られた電流−電圧特性は下記
の通りであった。 この電流密度は従来の膜厚200μm のナフィオン膜を
用いた単電池の電流密度:電圧0.90V で380mA/cm2, 0.8
0Vで1020mA/cm2と比べて同等以上の性能であり、本発明
の燃料電池が、性能向上、低コスト化、耐久性の向上に
効果があることが認められる。
【0020】
【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、イオン交
換膜の薄膜化、電極/電解質乾麺の接触抵抗の低減、大
面積化、耐久化等の改善を可能にする固体高分子電解質
型燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の単位電池セルの構造を示す断面
図である。
【図2】図2は燃料電池の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
1…固体高分子電解質膜 2,3…イオン交換膜 4…電解質層 5,6…多孔質白金触媒/電極 7,8…多孔質炭素電極基材 9…アノード 10…カソード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大戸 奈津子 埼玉県入間郡大井町西鶴ヶ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 櫻田 智 埼玉県入間郡大井町西鶴ヶ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の電極間に電解質を配置して構成し
    た燃料電池単セルにおいて、電解質が高分子多孔質膜の
    空孔中に電解質溶液を充填してなる固体高分子電解質膜
    の両面にイオン交換膜を積層した3層構造であることを
    特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記一対の電極がそれぞれ多孔質の導電
    性基材の一面に多孔質触媒電極を配置したものであり、
    イオン交換膜がフッ素樹脂系陽イオン交換樹脂の溶液を
    該触媒電極表面に塗布し、焼付けされた密着皮膜である
    請求項1記載の固体高分子電解質型燃料電池。
JP5035584A 1993-02-24 1993-02-24 固体高分子電解質型燃料電池 Pending JPH06251792A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001243964A (ja) * 2000-02-28 2001-09-07 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JP2005116466A (ja) * 2003-10-10 2005-04-28 Permelec Electrode Ltd 膜−電極接合体及びその製造方法
JP2007023092A (ja) * 2005-07-13 2007-02-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology イオン伝導性隔膜
KR100716551B1 (ko) * 2005-11-15 2007-05-09 다이모스(주) 3층구조를 가진 수소이온교환 복합막 및 이의 제조방법
JP2010045041A (ja) * 2002-08-21 2010-02-25 Three M Innovative Properties Co 多層プロトン交換膜および膜電極アセンブリの調製方法

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