JPS62195855A - イオン交換膜を電解質とする燃料電池の製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池に関するものである。

〔従来の技術〕

イオン交換膜を固体電解質とする（気化学セルでは、電
気化学と物理５３．　ＮＯ，ｌ　Ｏ（１９８５）。

固体高分子′喧解質（ナフィオン）に接汗する酸素極へ
のイオン交換樹脂の添加とその電極特性（藤田５谷川）
に記載のようにイオン交換膜はナフィオン−１１７膜（
テユボン社製）とし、この膜の一方の片面は無電解鍍金
により白子電極を接付し。

・曲刃の片面はナフィオン１１７溶液−よたはイオン交
換樹脂を混線したカーボン担持白金触媒を接合していた
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術では、イオン交換膜材料としてパーフルオロカ
ーボンスルホン酸樹脂膜であるナフィオン−１１７膜を
用いるため非常に高価である。

また、ナフィオン膜への電極の接合は、無電解鍍金（特
開昭５５−３８９３４号公報）により白金電極を接合す
るが、まずナフィオン膜を前処理としてアセトンによる
脱脂、沸騰水中に３０分間のＶ漬、１．２　ＭのＨＣｔ
による処理、そして精製水による洗浄をする。無成解滅
蛍では還元反応を利用して行うため還元反応速度が温度
、還元剤濃度。

金属塩濃度により決定される。ナフィオン膜の反対面で
は触媒すなわち白金黒にナフィオン１１７溶液を混合し
たものをロール圧延によってシート化、真空乾燥、最後
にナフィオン膜に１００ｒ。

２１０Ｋｇ／ｃＡでホットプレスして接合する。従って
これらの因子の少しの変化で出来上がったイオン交換膜
−触媒電極接合体（因みに触媒電極（電極触媒）とは電
極構成材である多孔質物質（カーボン繊維）に触媒を塗
シ込み焼成したもので空気極、燃料極のことである）の
性能がばらつくのみならず、工程が複雑であった。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、イオン交
換膜と電極との接合工程を短縮し、長期にわたる安定性
能を可能とした燃料電池を提供することを目的とするも
のである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、スチレン系のイオン交換膜の表面にグラフ
ト重合によりポリスチレンスルホン酸ヲ形成し、電極触
媒層中へのイオン伝導体形成として少量でも十分イオン
伝導の効果がめる例えばナフィオン溶液（アルドリノヒ
ケミカル社製）を触媒層にｈｅｓｔし、これら両者を貼
りけわぎることにより達成される。

〔作用〕

スチレン系のイオン５５ａ［をスチレンスルホン酸ソー
ダモノマーに２から３時間浸漬す−るだけで重合が完ｒ
し、重合が光了しｆｃｉ付体はケル状となっているので
触媒電極との接合界面は非常によく密着し、界面の抵抗
を下げる。また、一極の触媒層のイオン伝導体として少
目のナフィオン溶液を何も処理せず、そのまま甘皮する
だけでイオン交換膜にｆＪｆ合したゲル状のポリスチレ
ンスルホン酸とのなじみがよく、互に市分子で絡み合い
外部への流出が少ない。その結果、イオン交換膜と一極
との接合工程を短縮することができ、これらを組み合わ
せた燃料電池はイオン導電性がよく、長期にわたる安定
性能を維持することができる。

〔実施例〕

以丁５図示した実施例にムづいて本発明を説明する。第
１図には本発明の一実施例が示されている。同図に示さ
れているように燃料電池は対向配置された一対の電極す
なわち空気極ｌ、燃料極２、この９気（執１と１然科極
２との１１１１に自己直され、かつこれらの両電甑ｌ゛
、２間に接合される電解質を備えており、電解質はイオ
ン交換膜３が使用されている。なお同図において４は空
ＡＬ５は燃料室である。このように構成された単位セル
を有する燃料電池で本実施例ではイオン交換膜３と電極
ｌ。

２とを、イオン交換膜３の表面にグラフト重合にヨリ高
分子酸１例えばポリスチレンスルホン＃Ｒ６を形成し、
電極１．２の触媒層中にスルホン酸基を持つ溶液、例え
ばナフィオン溶液７を含浸して接合した。このようにす
ることによりイオン交換膜３と電極１．２とは、イオン
交換膜３の表面にグラフト重合によりポリスチレンスル
ホン酸６を形成し、電極１．　２の触媒層中にスルホン
酸基を持つナフィオン溶液７を含浸して接合されるよう
になって、イオン交換膜３と電極１．　２とは容易に、
かつ十分よく接合されてイオン交換膜３と共に使用しで
ある硫酸の外部への流出がなくなり。

イオン交換膜３と一極１．　２との接合工程を短縮し、
長期にわたる安定性能を可能とした燃料電池を得ること
ができる。

すなわちイオン交換膜３と電極１．　２とを、イオン交
換膜３の表面にポリスチレンスルホン酸６を形成し、電
極１．　２の触媒層中にナフィオン溶液７を含浸して接
合したが、これらポリスチレンスルホン酸６の形成、ナ
フィオン溶液７の含浸および接合は次に述べるようにし
た。

カーボン基材に結着剤により白金黒が結着されている電
極触媒すなわち空気極ｌ、燃料極２中に市販のナフィオ
ン溶液（バーフルオロスルホン酸。

第２図参照）を何も処理せず、そのまま約０．１ｃｃ／
７の鎗を触媒層表面から滴下・さ浸して一昼夜風乾する
。イオン交換膜３への高分子酸のグラフト重合はスチレ
ン系のイオン交換膜３である市販のセレミオンのＣＭＶ
膜（旭碍子社製）の表面はぞの−ままではグラフト重合
層が形成し難いので、まずＣＭＶ膜の前処理としてその
表面を研磨剤で軽く研磨し、コーティング剤を除ｋ［〜
ておく。

モノマー溶液ｔよスチレンスルホン酸すトリウムの粉末
と架橋剤および東金開始剤（過硫酸アンモニウム）とを
水で混ぜ、約６０ｐに保１晶しておく。

次いで前処理しておいた０１〜１ｖ膜を一＋ｔこのピノ
マー溶液に浸し、浸漬後、２枚のガラス板でＣ１ＪＶ膜
を挾み再び七ツマー溶液に浸漬ｌ〜、６０Ｃ一定に保っ
ておけば、約２時１川でポリスチレンスルホン酸（第３
図参照）がゲル状にＣＭＶ膜の・　表面に約５０μｍの
厚みで化学結合される。このクラフト重合したＣ＋ｖｌ
Ｖ膜’ｒ　ＨＣＡｈ　ヨび１ｈＳＯ４でＩＩ型（酸型）
に置換し、その後、水で洗浄したものを上述のナフィオ
ン溶液７を含浸した電極ｌ。

ηパ ２＃挾んで接合する。

このようにして電極１．　２とイオン交換膜３とを接合
して形成した本実施例の単位セルＡ（第１図参照）と電
解質に硫酸を使用した従来例の単位セルＢとについて、
′電流密度６０ｍＡ／ｃｒＩの負荷召−とっだ場合の特
性検討結果が第４図に示されている。同図は縦軸に電圧
をとり、横軸に時間をとって時間による電圧の変化特性
を示したものである。同図から明らかなように１本実殉
例の嚇位セルＡは従来例の単位セルＢに比べ長時間にわ
たり電圧の低ドが小さく、長期間にわたり高性能が保持
されることがわかった。このように長期１＋６にわたり
４１３Ｌ−ｉ＋＠が安定に維持されるのは、グラフト重
合体であるポリスチレンスルホン酸と触媒層中のすフイ
オン溶液とのマツチングがよく、イオン交換膜と共に開
用しである硫酸の列部への流出が防止されるためである
。

このように本実施例によれば電解質が薄いゲル状で、ポ
リスチレンスルホン酸とナフィオン溶液との両者が高分
子分岐状でうまく絡丑り汀っているので、電解質［の硫
酸が外部へ流出せず高性能が維持できる。また、硫酸の
外部への流出がないので構成部材の腐食がなく、安全性
がよい。更に。

イオン伝導体の形成が比較的容易であるので、工数が低
減される。

なお、イオン交換膜はスルホン酸基をもつスチレン系、
フッ素系あるいはポリエチレン系のいずれでもよく、ス
チレン系ではスチレンジビニルベンゼン系、スチレンポ
リブタジェン系などがあり。

フッ素系ではパーフルオロカーボンなどがおる。

また、電極触媒ノーに含浸するあるいは含浸後焼成する
こともよいが、これらの物質としてスルホン酸基をもつ
材料があげられる。ポリスチレンスルホン酸のみでは水
に溶解して容易にとけ出すが、パーフルオロカーボンス
ルホ／酸液と同様、スチレンジビニルベンゼンにするか
スチレンポリブタジェンにするなどして架橋することに
より溶は出しがなくなるので、これらの溶液を使用する
ことによって廉価で安定な性能をもつ構成のセルが得ら
れる。

〔発明の効果〕

上述のように本発明はイオン交換膜と電極との良 接合工程が短縮し、長期にわたる安全性能が得られるよ
うになって、イオン交換膜と電極との接合工程を短縮し
、長期にわたる安定性能を可能としく９） た燃料電池を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の一実施例の単位セルの構成
を示す縦断側面図、第２図はナフィオンの分子構造式、
第３図はポリスチレンスルボン酸の分子構造式、第４図
は本発明の燃料電池の一実施例の単位セルと従来例の単
位セルとの頁荷をかけＵ今 た場合の電圧の経年変化特性図である。 ■・・・仝電極（電極）、２・・・燃料極（１便）、３
・・・イオン交換膜（電解質）、６・・・ポリスチレン
スルホン酸（高分子酸）、７・・・ナフィオン溶液（ス
ルホン酸基を持つ溶液）。 ４１　固 第２図 −でｃ　ｒｚ　−ｃ　Ｆ２六−ｆ’、Ｆｚ−こＦル呵 （、Ｆｚ ＦＣ−ＣＦ３ ふ Ｆ２ 某　３　口 ＣＨＣＨｚ　−ＣＭ　−Ｃ１ｈ ５ｔ）３Ｈ 芽４目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対向配置された一対の電極と、この電極間に配置さ
   れ、かつこれら両電極間に接合される電解質とを備え、
   前記電解質はイオン交換膜が使用されている燃料電池に
   おいて、前記イオン交換膜と電極とが、前記イオン交換
   膜の表面にグラフト重合により高分子酸を形成し、前記
   電極の触媒層中にスルホン酸基を持つ溶液を含浸して接
   合されたものであることを特徴とする燃料電池。 ２、前記高分子酸が、ポリスチレンスルホン酸である特
   許請求の範囲第１項記載の燃料電池。 ３、前記スルホン酸基を持つ溶液が、ナフイオン溶液で
   ある特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。