JPS61181078A - 燃料電池の電解質 - Google Patents
燃料電池の電解質Info
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- JPS61181078A JPS61181078A JP60020579A JP2057985A JPS61181078A JP S61181078 A JPS61181078 A JP S61181078A JP 60020579 A JP60020579 A JP 60020579A JP 2057985 A JP2057985 A JP 2057985A JP S61181078 A JPS61181078 A JP S61181078A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、イオン交換樹脂を使用した電解質、及びその
電解質を使用した燃料電池に関する。
電解質を使用した燃料電池に関する。
第７図は従来から使用されている一般的な燃料電池（単
電池を例示する）の原理図である。第７図において、１
はアノード、２はカソードを示し。
電池を例示する）の原理図である。第７図において、１
はアノード、２はカソードを示し。
アノード１とカソード２との間には電解質層３が配設さ
れている。そして、アノード１に隣接して燃料室４が設
けられ、カソード２に隣接して酸化剤室６が設けられて
いる。このようにして、メタノール、ヒドラジン等の液
体や水素等の気体でなる燃料５は、燃料室４に導かれて
アノード１に到り、酸素あるいは酸素を含む空気の気体
でなる酸化剤７は、酸化剤室６に導かれてカソード２に
到るようになっている。
れている。そして、アノード１に隣接して燃料室４が設
けられ、カソード２に隣接して酸化剤室６が設けられて
いる。このようにして、メタノール、ヒドラジン等の液
体や水素等の気体でなる燃料５は、燃料室４に導かれて
アノード１に到り、酸素あるいは酸素を含む空気の気体
でなる酸化剤７は、酸化剤室６に導かれてカソード２に
到るようになっている。
電解質３は、アノード１での電気化学反応によって発生
するイオンの電荷担体であり、硫酸やリン酸等の酸性型
と、水酸化カリウム等のアルカリ性型とが存在する。
するイオンの電荷担体であり、硫酸やリン酸等の酸性型
と、水酸化カリウム等のアルカリ性型とが存在する。
そして、アノード１では、燃料５がメタノールの場合に
は炭酸ガス（Ｃｏ２）が、ヒドラジンの場合には窒素ガ
スが電気化学反応によって発生する。一方、カソード２
では、電解質３が酸性型の場合には水（ＨｚＯ）が生成
され、電解質３がアルカリ性型の場合にはカソード２の
部分で水が生成される。
は炭酸ガス（Ｃｏ２）が、ヒドラジンの場合には窒素ガ
スが電気化学反応によって発生する。一方、カソード２
では、電解質３が酸性型の場合には水（ＨｚＯ）が生成
され、電解質３がアルカリ性型の場合にはカソード２の
部分で水が生成される。
前述したように、燃料電池の電荷担体である電解質３は
、一般的にいずれも液体である。この電解質をアノード
１とカソード２の間に介在させておく方法として、電解
液を混合した燃料５を燃料室４に導いてアノード１−カ
ソード２間の電解液を補充する方法と、無機質粉体をマ
トリックスとしてこれに電解液を含浸混練したものをア
ノード１−カソード２間に配設する方法とがある。
、一般的にいずれも液体である。この電解質をアノード
１とカソード２の間に介在させておく方法として、電解
液を混合した燃料５を燃料室４に導いてアノード１−カ
ソード２間の電解液を補充する方法と、無機質粉体をマ
トリックスとしてこれに電解液を含浸混練したものをア
ノード１−カソード２間に配設する方法とがある。
しかるに、前者においては、電解液がアノード１−カソ
ード２間のみならずこの外部にも存在することになり、
燃料電池構成物品に耐酸性あるいは耐アルカリ性が要求
され、使用できる材料が限定されてしまうという欠点が
ある。また後者においては、燃料５が液体の場合には電
解液がアノード１を通して燃料５側に拡散あるいは流出
し、電荷担体としての性能が低下してしまうという欠点
がある。
ード２間のみならずこの外部にも存在することになり、
燃料電池構成物品に耐酸性あるいは耐アルカリ性が要求
され、使用できる材料が限定されてしまうという欠点が
ある。また後者においては、燃料５が液体の場合には電
解液がアノード１を通して燃料５側に拡散あるいは流出
し、電荷担体としての性能が低下してしまうという欠点
がある。
これ等の欠点を解決する電解質として、スルホン酸、カ
ルボン酸、ホスホン酸、ホスフィン酸。
ルボン酸、ホスホン酸、ホスフィン酸。
ヒ酸等を官能基として用い、ポリエスチレン、ポリエチ
レン、ポリアクリル、ポリメタクリル、スチレン−ブタ
ジェン共重合体、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体
等の高分子を基体として高分子酸（陽イオン交換樹脂）
を使用するものがある。
レン、ポリアクリル、ポリメタクリル、スチレン−ブタ
ジェン共重合体、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体
等の高分子を基体として高分子酸（陽イオン交換樹脂）
を使用するものがある。
また、官能基として４級アンモニア基、４級ホスホニウ
ム等を用い、陽イオン交換樹脂に使われているのと同じ
高分子を基体にして結合した陰イオン交換樹脂を電解質
としたものもある。
ム等を用い、陽イオン交換樹脂に使われているのと同じ
高分子を基体にして結合した陰イオン交換樹脂を電解質
としたものもある。
斯かる高分子酸等を電解質とした燃料電池は、高分子酸
等がある径をもつ粒子形状である為、液体を電解質とし
て用いた場合の流出、拡散等の欠点はない。この種の燃
料電池として、例えば特開昭５９−２３４７３号公報に
記載されたものが公知である。
等がある径をもつ粒子形状である為、液体を電解質とし
て用いた場合の流出、拡散等の欠点はない。この種の燃
料電池として、例えば特開昭５９−２３４７３号公報に
記載されたものが公知である。
一般的に、燃料電池においては、アノードで発生するイ
オンをカソードまで移動させるイオン伝導性が高いこと
が望ましい、つまり、イオン伝導性が高い電解質を使用
することは、燃料電池の内部抵抗を低くすることになり
、出力効率を高めるうえで好ましい、また、固定化し易
いものが好ましい。
オンをカソードまで移動させるイオン伝導性が高いこと
が望ましい、つまり、イオン伝導性が高い電解質を使用
することは、燃料電池の内部抵抗を低くすることになり
、出力効率を高めるうえで好ましい、また、固定化し易
いものが好ましい。
上述した従来の電解質は、第８図に示すように、多数の
イオン交換樹脂粒子３０が相互に接触する状態になって
いるだけである。従って電荷担体となる電解質を高分子
酸等の粒子形状のイオン交換樹脂にした場合、イオン伝
導は粒子間の接触のみで生じる。この為、従来の電解質
では、イオン伝導性を高めるために接触点を多くする必
要があり。
イオン交換樹脂粒子３０が相互に接触する状態になって
いるだけである。従って電荷担体となる電解質を高分子
酸等の粒子形状のイオン交換樹脂にした場合、イオン伝
導は粒子間の接触のみで生じる。この為、従来の電解質
では、イオン伝導性を高めるために接触点を多くする必
要があり。
イオン交換樹脂の粒子径を小さくしなければならないと
いう欠点があった。また、従来の電解質はその固定化に
ついてあまり良好ではなかった。
いう欠点があった。また、従来の電解質はその固定化に
ついてあまり良好ではなかった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、比較的粒子径の大きいイオン交換樹脂
を使用し、しかもイオン伝導性及び安定性の優れた電解
質及び該電解質を用いた燃料電池を提供することにある
。
を使用し、しかもイオン伝導性及び安定性の優れた電解
質及び該電解質を用いた燃料電池を提供することにある
。
本発明は上記目的を達成するため、無機質粉体表面に物
理的あるいは化学的に官能基を結合し、これをイオン交
換樹脂粒子に混練して電解質を形成する。
理的あるいは化学的に官能基を結合し、これをイオン交
換樹脂粒子に混練して電解質を形成する。
斯かる電解質では、イオン交換樹脂相互の接触点ばかり
でなく、官能基を表面に有する無機質粉体もイオン交換
樹脂相互のイオン伝導路となり。
でなく、官能基を表面に有する無機質粉体もイオン交換
樹脂相互のイオン伝導路となり。
イオン伝導性が高まる。また、前記無機質粉体が良好な
増粘材としても作用し、固定化もよくなる。
増粘材としても作用し、固定化もよくなる。
無機質粉体として、例えば炭化ケイ素、アルミナ、石灰
等があり、ひの粒子径をイオン交換樹脂粒子径の４０％
以下にすることが望ましい、この様に小径にするのは、
イオン交換樹脂粒子を最密状態にすることも可能にして
相互接触点を多くし、しかも、この状態で生じるイオン
交換樹脂粒子間の間隙内に無機質粉体が入るようにし、
よりイオン伝導性を高める為である。
等があり、ひの粒子径をイオン交換樹脂粒子径の４０％
以下にすることが望ましい、この様に小径にするのは、
イオン交換樹脂粒子を最密状態にすることも可能にして
相互接触点を多くし、しかも、この状態で生じるイオン
交換樹脂粒子間の間隙内に無機質粉体が入るようにし、
よりイオン伝導性を高める為である。
無機質粉体表面に官能基を付ける手段としては、無機質
粉体と例えばポリテトラフルオロエチレンの懸濁液とを
混練し、これを加熱して無機質粉体表面にポリテトラフ
ルオロエチレンの薄膜を形成し、その薄膜にポリスチレ
ンスルホン酸等をグラフト重合等によって化学的に結合
させたり、無機質粉体に例えばポリテトラフルオロエチ
レン懸濁液を基線加熱し、これにアニオン界面活性剤を
混練加熱して不用の水分を除去し、無機質粉体表面上の
ポリテトラフルオロエチレンに官能基を物理的に結合さ
せるのが好ましい。
粉体と例えばポリテトラフルオロエチレンの懸濁液とを
混練し、これを加熱して無機質粉体表面にポリテトラフ
ルオロエチレンの薄膜を形成し、その薄膜にポリスチレ
ンスルホン酸等をグラフト重合等によって化学的に結合
させたり、無機質粉体に例えばポリテトラフルオロエチ
レン懸濁液を基線加熱し、これにアニオン界面活性剤を
混練加熱して不用の水分を除去し、無機質粉体表面上の
ポリテトラフルオロエチレンに官能基を物理的に結合さ
せるのが好ましい。
上述の様に、無機質粉体表面に化学的あるいは物理的手
段によって付着した官能基は、イオン交換樹脂粒子間の
橋渡しの役目をはたし、電荷担体である電解質のイオン
伝導性を向上させる。
段によって付着した官能基は、イオン交換樹脂粒子間の
橋渡しの役目をはたし、電荷担体である電解質のイオン
伝導性を向上させる。
尚、上記例は酸性型電解質の場合であるが、アルカリ性
型電解質では、陰イオン官能基に置き替えればよいこと
はいうまでもない。
型電解質では、陰イオン官能基に置き替えればよいこと
はいうまでもない。
以下、本発明の一実施例を第１図乃至第６図を参照して
説明する。
説明する。
第１図は本発明に係る電解質の説明図で、第２図は第１
図の拡大図である。両図において、イオン交換樹脂粒子
３０は略最密状態に置かれ、その間隙には橋渡材２０が
介在するようになっている。
図の拡大図である。両図において、イオン交換樹脂粒子
３０は略最密状態に置かれ、その間隙には橋渡材２０が
介在するようになっている。
この橋渡材２ｏは、その構成を第３図に示すように、無
機質粉体２１の表面に有機物２２（この有機物２２は無
くてもよい）を形成し、この有機物２２に官能機２３を
結合させたものである。
機質粉体２１の表面に有機物２２（この有機物２２は無
くてもよい）を形成し、この有機物２２に官能機２３を
結合させたものである。
この橋渡材２０は、例えば次のようにして作る。
先ず、平均粒子径０．３ μｍの炭化硅素（無機質粉
体）１００重量部に対してポリテトラフルオロエチレン
懸濁液を固形分１０重量部の割合で混練し、これを約３
５０℃で加熱処理する０次に、この加熱処理の結果得ら
れる粉末１００重量部に対して弗素系アニオン界面活性
剤を固形分２０重量部だけ添加混練し、これを約１７０
℃で加熱処理する。この結果、炭化硅素粉体の表面にポ
リテトラフルオロエチレン薄膜が形成し、その外にイオ
ン官能基が結合した橋渡材２０を得る。
体）１００重量部に対してポリテトラフルオロエチレン
懸濁液を固形分１０重量部の割合で混練し、これを約３
５０℃で加熱処理する０次に、この加熱処理の結果得ら
れる粉末１００重量部に対して弗素系アニオン界面活性
剤を固形分２０重量部だけ添加混練し、これを約１７０
℃で加熱処理する。この結果、炭化硅素粉体の表面にポ
リテトラフルオロエチレン薄膜が形成し、その外にイオ
ン官能基が結合した橋渡材２０を得る。
そして、この場合、粒子径５〜１２μｍのスチレン−ジ
ビニルベンゼンの共重合体にスルオン酸の官能基を結合
した陽イオン交換樹脂１００重量部に対して、上述した
橋渡材２０を１５重量部混練すると、第１図に示すよう
に、橋渡材２０が陽イオン交換樹脂粒子３０間の間隙に
充填され、第８図の電解質に較べてイオン伝導路の多い
電解質が得られる。
ビニルベンゼンの共重合体にスルオン酸の官能基を結合
した陽イオン交換樹脂１００重量部に対して、上述した
橋渡材２０を１５重量部混練すると、第１図に示すよう
に、橋渡材２０が陽イオン交換樹脂粒子３０間の間隙に
充填され、第８図の電解質に較べてイオン伝導路の多い
電解質が得られる。
第４図は、第１図で説明した電解質を使用する燃料電池
（単セル）の分解斜視図である。第４図において、セパ
レータ１４．１４間に、アノード１１、電解質１３．カ
ソード１２を順に介挿しである。電解質１３は、前述し
たように陽イオン交換樹脂粒子に橋渡材を混練したもの
であり、橋渡材が優れた増粘材としての作用をしている
。斯かる電解質１３をはさんで対向するアノード１１と
°カソード１２は、多孔質のカーボン板を基体として形
成され、夫々の電解質１３が接する面には白金黒系の電
極触媒層が形成されている。セパレータ１４は黒鉛板を
材料として、燃料等のメタノールや空気等が漏出するこ
とがないように、孔の少ないものを使用しである。セパ
レータ１４のアノード１１と接する面には燃料室１６が
横溝状に刻設され、この燃料室１６に燃料のメタノール
と水１５が供給される。また、セパレータ１４のカソー
ド１２と接する面には酸化剤室１８が縦溝状に刻設され
、この酸化剤室１８に酸化剤１７が供給される。この様
に構成された単セルを多数個直列に重ねることにより、
積層電池を得る。
（単セル）の分解斜視図である。第４図において、セパ
レータ１４．１４間に、アノード１１、電解質１３．カ
ソード１２を順に介挿しである。電解質１３は、前述し
たように陽イオン交換樹脂粒子に橋渡材を混練したもの
であり、橋渡材が優れた増粘材としての作用をしている
。斯かる電解質１３をはさんで対向するアノード１１と
°カソード１２は、多孔質のカーボン板を基体として形
成され、夫々の電解質１３が接する面には白金黒系の電
極触媒層が形成されている。セパレータ１４は黒鉛板を
材料として、燃料等のメタノールや空気等が漏出するこ
とがないように、孔の少ないものを使用しである。セパ
レータ１４のアノード１１と接する面には燃料室１６が
横溝状に刻設され、この燃料室１６に燃料のメタノール
と水１５が供給される。また、セパレータ１４のカソー
ド１２と接する面には酸化剤室１８が縦溝状に刻設され
、この酸化剤室１８に酸化剤１７が供給される。この様
に構成された単セルを多数個直列に重ねることにより、
積層電池を得る。
斯かる燃料電池において、アノード１１での電気化学反
応により、触媒の働きで燃料が水素イオン、電子、炭酸
ガスになる。水素イオンは電解質１３を経てカソード１
２へ行き、電子はセパレータ１４から外部回路（図示せ
ず）を経てカソード１２へ行く、また、炭酸ガスはセパ
レータ１４の燃料室１６からセル外部に排出される。カ
ソード１２での電気化学反応により、酸化剤１７と前述
の水素イオン、電子とから水が生成され、この水はセパ
レータ１４の酸化剤室１８からセル外部に排出される。
応により、触媒の働きで燃料が水素イオン、電子、炭酸
ガスになる。水素イオンは電解質１３を経てカソード１
２へ行き、電子はセパレータ１４から外部回路（図示せ
ず）を経てカソード１２へ行く、また、炭酸ガスはセパ
レータ１４の燃料室１６からセル外部に排出される。カ
ソード１２での電気化学反応により、酸化剤１７と前述
の水素イオン、電子とから水が生成され、この水はセパ
レータ１４の酸化剤室１８からセル外部に排出される。
第５図は、第１図に示す電解質と、第８図に示す従来の
電解質との電気抵抗率を比較するものである。この実験
データによれば、本実施例に係る電解質の電気抵抗率ａ
は、従来の電解質の電気抵抗率すに比し、電源周波数１
００Ｈｚ〜１ＯＯｋＨｚの全範囲で下回っており、例え
ば１ｏｋＨｚでの電気抵抗率ａは、同周波数での電気抵
抗率すの約６０％になっている６つまり、本実施例に係
る電解質のイオン伝導度が従来のものに較べて約１．６
倍に向上していることを示している。
電解質との電気抵抗率を比較するものである。この実験
データによれば、本実施例に係る電解質の電気抵抗率ａ
は、従来の電解質の電気抵抗率すに比し、電源周波数１
００Ｈｚ〜１ＯＯｋＨｚの全範囲で下回っており、例え
ば１ｏｋＨｚでの電気抵抗率ａは、同周波数での電気抵
抗率すの約６０％になっている６つまり、本実施例に係
る電解質のイオン伝導度が従来のものに較べて約１．６
倍に向上していることを示している。
第６図は、第４図に示した燃料電池と、従来の燃料電池
との特性比較図である。第４図に示す本実施例の燃料電
池における電流密度に対する単セル出力電圧Ｃは、従来
の燃料電池における単セル出力電圧ｄに対して、上回っ
ている。定格電流密度で約１．２倍ある。
との特性比較図である。第４図に示す本実施例の燃料電
池における電流密度に対する単セル出力電圧Ｃは、従来
の燃料電池における単セル出力電圧ｄに対して、上回っ
ている。定格電流密度で約１．２倍ある。
本発明によれば、イオン交換樹脂に橋渡材を混練し該橋
渡材もイオン伝導路となる電解質としたので、電解質の
イオン伝導度が向上する。また、斯かる電解質を燃料電
池に使用したので、内部抵抗が低くなることにより抵抗
損失が小さくなり。
渡材もイオン伝導路となる電解質としたので、電解質の
イオン伝導度が向上する。また、斯かる電解質を燃料電
池に使用したので、内部抵抗が低くなることにより抵抗
損失が小さくなり。
性能が向上すると共に、前記橋渡材が良向な増粘材とし
て作用し、電解質が固定化して安定性も向上する。
て作用し、電解質が固定化して安定性も向上する。
第１図は本発明に係る電解質の説明図、第２図は第１図
の拡大図、第３図は第１図に示す橋渡材の詳細説明図、
第４図は第１図に示した電解質を用いた燃料電池（単セ
ル）の分解図、第５図は本発明の一実施例と従来の電解
質の特性比較図、第６図は本発明の一実施例と従来の燃
料電池の特性比較図、第７図は一般的な燃料電池（単セ
ル）の構成説明図、第８図は従来の電解質の説明図であ
る。１１・・・アノード、１２・・・カソード、１３・
・・電解質、１４・・・セパレータ、２０・・・橋渡材
、２１・・・無機質粉体、２２・・・有機物、２３・・
・イオン官能基、３０・・・イオン交換樹脂。
の拡大図、第３図は第１図に示す橋渡材の詳細説明図、
第４図は第１図に示した電解質を用いた燃料電池（単セ
ル）の分解図、第５図は本発明の一実施例と従来の電解
質の特性比較図、第６図は本発明の一実施例と従来の燃
料電池の特性比較図、第７図は一般的な燃料電池（単セ
ル）の構成説明図、第８図は従来の電解質の説明図であ
る。１１・・・アノード、１２・・・カソード、１３・
・・電解質、１４・・・セパレータ、２０・・・橋渡材
、２１・・・無機質粉体、２２・・・有機物、２３・・
・イオン官能基、３０・・・イオン交換樹脂。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、液体または気体を燃料として電気化学反応により発
電する燃料電池に使用され、イオン交換樹脂粒子を用い
た電解質において、無機質粉体の表面にイオン官能基あ
るいはイオン官能基を有する有機物を付し、該無機質粉
体を前記イオン交換樹脂粒子の相互間に充填したことを
特徴とする燃料電池の電解質。 ２、前記無機質粉体の表面にグラフト重合によりイオン
官能基を結合させたことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の燃料電池の電解質。 ３、前記無機質粉体の表面に高分子薄膜を形成し、該高
分子薄膜にグラフト重合によりイオン官能基を結合させ
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電
池の電解質。 ４、前記無機質粉体の表面に高分子薄膜を形成し、該高
分子薄膜に物理的にイオン官能基を結合させたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池の電解質
。 ５、前記無機質粉体の粒子径は、前記イオン交換樹脂粒
子の粒子径の４０％以下であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項記載の燃料電
池の電解質。 ６、無機質粉体の表面にイオン官能基あるいはイオン官
能基を有する有機物を付し、該無機質粉体をイオン交換
樹脂粒子間に充填して固定化した電解質を得、該電解質
をアノードとカソードとの間に介在させたことを特徴と
する燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60020579A JPS61181078A (ja) | 1985-02-05 | 1985-02-05 | 燃料電池の電解質 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60020579A JPS61181078A (ja) | 1985-02-05 | 1985-02-05 | 燃料電池の電解質 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61181078A true JPS61181078A (ja) | 1986-08-13 |
Family
ID=12031116
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60020579A Pending JPS61181078A (ja) | 1985-02-05 | 1985-02-05 | 燃料電池の電解質 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61181078A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996029752A1 (en) * | 1995-03-20 | 1996-09-26 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Membranes containing inorganic fillers and membrane and electrode assemblies and electrochemical cells employing same |
| WO2010110019A1 (ja) * | 2009-03-24 | 2010-09-30 | ダイハツ工業株式会社 | 燃料電池 |
-
1985
- 1985-02-05 JP JP60020579A patent/JPS61181078A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996029752A1 (en) * | 1995-03-20 | 1996-09-26 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Membranes containing inorganic fillers and membrane and electrode assemblies and electrochemical cells employing same |
| WO2010110019A1 (ja) * | 2009-03-24 | 2010-09-30 | ダイハツ工業株式会社 | 燃料電池 |
| JP2010225471A (ja) * | 2009-03-24 | 2010-10-07 | Daihatsu Motor Co Ltd | 燃料電池 |
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