JPWO2006057239A1 - プロトン伝導性膜およびそれを用いた燃料電池、ならびにプロトン伝導性膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明のプロトン伝導性膜１０は、固体電解質１１と固体電解質中に分散されたガラス繊維１２とを含む。ガラス繊維１２は、９６℃の１０％塩酸に２４時間浸漬したときの質量減少が８質量％以下である。ガラス繊維１２の平均繊維径は０．１μｍ〜１０μｍの範囲にある。また、ガラス繊維の平均繊維径とガラス繊維の平均繊維長とが、５０≦［平均繊維長］／［平均繊維径］≦５０００の関係を満たす。

Description

本発明は、プロトン伝導性膜およびそれを用いた燃料電池、ならびにプロトン伝導性膜の製造方法に関する。

近年、燃料電池は、発電効率が高くかつ環境負荷が小さいため、環境にやさしい新エネルギーとして注目されている。燃料電池の中でも、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高出力かつ小型軽量化が容易であり、さらに量産効果による低コスト化も可能である。そのため、ＰＥＦＣは、小規模オンサイト型、自動車用、携帯用等の燃料電池として期待されている。

現在、高分子プロトン伝導性膜として主に使用されているものは、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、一部のパーフルオロビニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を有するフッ素系高分子膜である。しかし、これらのフッ素系高分子膜は含水にともなって膨潤し、寸法の増大、機械強度の低下、長時間運転時のクリープ発生を招く。したがって、フッ素系高分子膜単独では、セル形成時の取扱い性および運転開始後の耐久性が低いという問題がある。

このような問題を解決するために、各種補強材による高分子膜の補強が試みられている。例えば、補強材として、フィブリル状のフルオロカーボン重合体（特開２００１−３４５１１１号公報）および延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（特開２００３−１４２１２２号公報）が開示されている。しかし、これらの補強材は他の補強材に比べて極めて高価である。

また、シランカップリング剤で表面処理した無機繊維で補強されたフッ素系高分子に炭化水素系高分子をグラフト重合した後、スルホン酸基を導入する方法も開示されている（特開平１１−２０４１２１号公報）。

また、有機物質、金属−酸素結合を有する３次元架橋構造体、プロトン伝導性付与剤、および水を含有するプロトン伝導性膜に、補強材を添加する方法も開示されている（特開２００１−３０７５４５号公報）。この文献には、強度や膜組成物との親和性の点で、ガラス繊維およびその織物を補強材として用いることが好ましいことが記載されている。しかし、この方法では、３次元架橋構造体を形成する工程が必要となる。

また、繊維によって形成された布状の多孔体を補強材とする方法も開示されている（特開平１０−３１２８１５号公報）。この文献には、適当な繊維として、ガラス、ポリマ、セラミック、石英、シリカ、炭素または金属の繊維が例示され、好ましい繊維としてガラス、セラミック、または石英の繊維が挙げられている。

しかし、布状の多孔体を一定以下の厚さ（たとえば２５μｍ以下）とすると、製造時の取り扱いが難しくなって歩留まりが低下するという問題があった。また、固体電解質の内部は酸性雰囲気となるため、耐酸性が高くないガラス繊維（たとえばＥガラス繊維）を用いると、ガラス成分が溶出し、耐久性や発電特性が低下する場合があった。また、ガラス繊維以外の無機繊維を補強材とした場合には、質量あたりの価格が高く、コストが上昇するという問題があった。

このような状況に鑑み、本発明は、膜厚を薄くすることが容易であるとともに、耐久性および強度に優れるプロトン伝導性膜およびそれを用いた燃料電池、ならびにプロトン伝導性膜の製造方法を提供することを目的の１つとする。

上記目的を達成するために検討した結果、本発明者らは、特定の形状を有する特定のガラスを用いることによって、織布や不織布の形態の補強用繊維を用いなくても、耐久性および強度に優れるプロトン伝導性膜が得られることを見出した。本発明は、この新しい知見に基づくものである。

本発明のプロトン伝導性膜は、固体電解質と前記固体電解質中に分散されたガラス繊維とを含むプロトン伝導性膜であって、前記ガラス繊維は、９６℃の１０％塩酸に２４時間浸漬したときの質量減少が８質量％以下であり、前記ガラス繊維の平均繊維径が０．１μｍ〜１０μｍの範囲にあり、前記ガラス繊維の平均繊維径と前記ガラス繊維の平均繊維長とが、５０≦［平均繊維長］／［平均繊維径］≦５０００の関係を満たす。

本発明の燃料電池は、上記本発明のプロトン伝導性膜を備える。

プロトン伝導性膜を製造するための本発明の製造方法は、固体電解質とガラス繊維とを含むプロトン伝導性膜の製造方法であって、（ｉ）前記固体電解質と前記ガラス繊維とを液媒体中で混合することによって混合物を形成する工程と、（ii）前記混合物から前記液媒体を除去する工程とを含み、前記ガラス繊維は、９６℃の１０％塩酸に２４時間浸漬したときの質量減少が８質量％以下であり、前記ガラス繊維の平均繊維径が０．１μｍ〜１０μｍの範囲にあり、前記ガラス繊維の平均繊維径と前記ガラス繊維の平均繊維長とが、５０≦［平均繊維長］／［平均繊維径］≦５０００の関係を満たす。

本発明のプロトン伝導性膜（固体電解質膜）は、耐酸性が高く所定のアスペクト比を有するガラス短繊維で補強されている。このガラス短繊維は高温の酸性環境下でも補強材として必要な強度を充分に保つことができるため、耐久性が高いプロトン伝導性膜が得られる。また、このガラス短繊維はプロトン伝導性膜に均一に分散させることが容易であるため、強度が高いプロトン伝導性膜を安価に得ることが可能である。また、このガラス短繊維は織布や不織布の形態で用いられていないため、製造時の歩留まりを大きく低下させることなく薄いプロトン伝導性膜を形成することが可能である。また、補強用ガラス短繊維の表面をシランカップリング剤で処理することによって、補強効果をさらに高めることができる。したがって、本発明によれば、機械的強度、寸法安定性、取扱い性、耐久性に優れ、良好なプロトン伝導性を示すプロトン伝導性膜を得ることが可能である。そして、本発明のプロトン伝導性膜を用いることによって、発電効率などの特性が高い燃料電池が得られる。

図１は、本発明のプロトン伝導性膜中におけるガラス繊維の分散の状態を模式的に示す。 図２は、本発明の燃料電池のユニットセルの構造の一例を模式的に示す分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

［プロトン伝導性膜］
本発明のプロトン伝導性膜は、固体電解質と固体電解質中に分散されたガラス繊維（補強用のガラス短繊維）とを含む。当該ガラス繊維は、高い耐酸性を有するガラス短繊維である。

［ガラス短繊維］
ガラス短繊維の一例は、Ｃガラス組成を有するガラスからなるガラス繊維である。

Ｃガラスの一般的な組成を表１に示す。表１には、より好ましいＣガラス組成も示す。なお、補強用ガラス繊維は、耐酸性を維持できる限り、表１に示していない１つ以上の微量成分を含んでもよい。１つの微量成分の含有量は、たとえば０．１質量％未満である。

比較のため、表２にＥガラスの一般的な組成を示す。

耐酸性が高いガラス繊維の他の例は、１０質量％の塩化水素を含む水溶液（１０％塩酸）を９６℃に維持し、これに２４時間浸漬したときの質量減少が８質量％以下であるガラス繊維である。ここで、「質量減少」は、塩酸に浸漬する前のガラス繊維の質量を１００質量％としたときの値である。

そのようなガラス繊維としては、上記Ｃガラス組成のガラス繊維に加え、たとえば、表３の組成を有するＳガラス、表４の組成を有するＡガラス、表５の組成を有するＥＣＲガラス、表６の組成を有するＡＲガラスのガラス繊維が挙げられる。これらのガラス繊維は、耐酸性を維持できる限り、表に示していない１つ以上の微量成分を含んでもよい。１つの微量成分の含有量は、たとえば０．１質量％未満である。

なお、上述したＥガラス組成のガラス繊維を、９６℃の１０％塩酸に２４時間浸漬したときの質量減少は、４０〜４５％である。

上記ガラス繊維表面の特性をさらに向上させるため、繊維表面に特定の処理を施してもよい。表面処理の方法は、ガラス繊維の耐熱性および耐酸性を大きく損なわないものであれば特に限定されない。たとえば、繊維の表面にシリカなどからなる被膜を形成してもよい。

また、耐酸性が高いガラスで表面が被覆されたガラス繊維や、リーチングによって表面の耐酸性を高めたガラス繊維を補強用繊維として用いることもできる。

補強用ガラス繊維の平均繊維径は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲である。平均径が０．１μｍ未満では、製造コストが極端に高くなり現実的でない。一方、平均径が１０μｍを超えると、２５μｍ以下の厚さで均一かつ平坦なプロトン伝導性膜を形成することが困難になる。例えば、膜内で３本以上の繊維が交絡した部分において、膜表面に凸部が生じたり、あるいはガラス繊維が露出したりする。高い特性を発現させるためには、プロトン伝導性膜の厚さは、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以下である。そのような薄い膜を形成するためにも、ガラス繊維の平均径は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲にあることが好ましく、０．２μｍ〜４μｍの範囲にあることがより好ましい。

補強用ガラス繊維の平均アスペクト比、すなわち、［平均繊維長］／［平均繊維径］の値は、５０〜５０００の範囲にある。プロトン伝導性膜の強度を高めるために、当該平均アスペクト比は、好ましくは１００以上である。ガラス繊維の平均アスペクト比が５０未満である場合には、機械的強度の向上効果が小さく、また、湿潤時における寸法増大を抑える効果がほとんど認められなくなる。一方、ガラス繊維の平均アスペクト比が５０００を越えると、製造時に、高分子電解質の分散液とガラス繊維とを均一に分散させることが困難になる。ガラス繊維が均一に分散していない場合、ガラス繊維の少ない部分の機械的強度が低くなり、応力が加わった場合に低強度の部分を起点として破壊が生じやすくなる。そのため、プロトン伝導性膜全体としての強度は、ガラス繊維が均一に分散された場合に比較して低下する。さらに、ガラス繊維が存在する部分と存在しない部分とで乾燥時の収縮あるいは湿潤時の膨張の比率に差が生じるため、結果として膜の表面に凹凸が生ずる。膜の表面の凹凸が大きいと使用時における耐久性が低下するなどの問題が生じやすい。したがって、補強用ガラス繊維の平均アスペクト比は、５０００以下であり、好ましくは３０００以下である。

補強用ガラス繊維の長さは、平均繊維径が上記範囲にあるときに上記アスペクト比を実現できるものであれば特に限定はない。ガラス繊維の平均繊維長は、通常、０．１ｍｍ〜４ｍｍの範囲（たとえば０．２ｍｍ〜２ｍｍの範囲）である。

この明細書において、ガラス繊維の「平均繊維径」とは、ガラス繊維を任意に５０本以上選択し、それぞれの繊維について任意の１点の径を測定し、測定値を平均した値である。ガラス繊維は、通常、一定の径を有するように大量生産される。そのため、１種類のガラス繊維を用いる場合、平均繊維径は、そのガラス繊維の繊維径の設計値にほぼ等しい。

この明細書において、ガラス繊維の「平均繊維長」とは、ガラス繊維を任意に５０本選択してそれぞれの繊維長を測定し、測定値を平均した値である。

上記ガラス繊維は、公知の方法で形成してもよいし、市販のガラス繊維を用いてもよいし、市販のガラス繊維を粉砕または切断して用いてもよい。また、粉砕または切断後に所定の長さの繊維を選別することによって、アスペクト比の調整をしてもよい。

プロトン伝導性膜に対する補強効果は、上記ガラス繊維だけでも得ることができる。しかし、ガラス繊維とプロトン伝導性高分子（高分子電解質）との界面において、両者の熱膨脹率の差や高分子膜形成時の応力によって微小な界面剥離が形成される場合がある。微小な剥離が起きた部分の近傍において、高分子の変形を抑制するというガラス繊維の効果は低下し、そのため、実際の補強効果はガラス繊維が有する本来の効果よりも一般に低くなる。これを解決し、補強効果をさらに向上させる手段として、シランカップリング剤によるガラス繊維の表面処理が有効である。

そのため、補強用ガラス繊維の表面がシランカップリング剤で処理されていてもよい。シランカップリング剤を用い、適切な条件でガラス繊維表面を処理することによって、ガラス繊維とプロトン伝導性高分子との接着性が向上する。その結果、両者の間の微小剥離の発生を抑制でき、ガラス繊維による補強効果が極めて高くなる。

シランカップリング剤の付着量（付着固形分量）は、ガラス繊維の表面積１ｍ²あたり０．５ｍｇ〜２００ｍｇの範囲にあることが好ましい。付着量が０．５ｍｇ／ｍ²未満であると、シランカップリング剤がガラス繊維表面を十分に覆うことができず、ガラス繊維とプロトン伝導性高分子との接着性の向上効果が低くなる。また、付着量が２００ｍｇ／ｍ²を超えると、ガラス繊維と高分子との間にシランのみからなる低強度の層が形成され、その層内での破壊が起きやすくなる。その結果、ガラス繊維と高分子との接着性の向上効果が実質的に低くなる。

シランカップリング剤は、ガラス繊維とプロトン伝導性高分子（高分子電解質）との間の接着力を向上させるものである限り、特に限定はない。取り扱いが容易である点で、アミノシランまたはアクリルシランが特に好ましい。

また、プロトン伝導性膜に占めるガラス繊維の割合（乾燥重量比）は、２〜２５質量％の範囲にあることが好ましい。この割合が２質量％未満であると、膜強度向上の効果が小さくなる。一方、この割合が２５質量％を超えると、プロトンを伝導しないガラス繊維が膜中に占める割合が大きくなり、プロトン伝導率が低下する。ガラス繊維の割合は、３〜１５質量％（たとえば５〜１０質量％）の範囲にあることがより好ましい。

本発明のプロトン伝導性膜におけるガラス繊維の分散の状態を図１に模式的に示す。図１のプロトン伝導性膜１０は、固体電解質１１と、固体電解質１１中に分散されたガラス短繊維１２とを含む。固体電解質１１およびガラス短繊維１２は、それぞれ、上述したものである。

［固体電解質］
固体電解質は、プロトン伝導性の電解質である限り、特に限定はない。たとえば、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質、化学修飾フラーレン系プロトン伝導体といった高分子電解質を用いることができる。また、固体電解質として、無機または無機有機複合プロトン伝導体を用いてもよく、たとえば、ホスホシリケート系固体電解質などのシリケート系固体電解質を含むプロトン伝導体を用いてもよい。

フッ素系高分子電解質としては、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、パーフルオロビニルエーテル側鎖を有し、一部の側鎖の末端にスルホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を有するフッ素系高分子を用いることができる。フッ素系高分子としては、たとえば、デュポン社のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）、旭化成工業株式会社のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ：登録商標）、旭硝子株式会社のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ：登録商標）などが知られている。

本発明のプロトン伝導性膜の典型的な一例は、補強材が上記ガラス繊維のみである。ただし、本発明の効果が得られる限り、他の補強材を含んでもよい。また、プロトン伝導性膜は、本発明の効果が得られる限り、固体電解質に加えて他の成分を含んでもよい。

本発明のプロトン伝導性膜は、以下の製造方法で製造できるが、他の製造方法で製造してもよい。

［プロトン伝導性膜の製造方法］
本発明の製造方法は、固体電解質とガラス繊維とを含むプロトン伝導性膜の製造方法である。なお、以下の製造方法で用いられる材料（固体電解質、ガラス繊維、シランカップリング剤）およびその比率等については上述したため、重複する説明を省略する場合がある。

この製造方法は、固体電解質とガラス繊維とを液媒体中で混合することによって混合物を形成する工程（工程（ｉ））を含む。液媒体に特に限定はなく、固体電解質を溶解または分散できる液媒体（溶媒／分散媒）を適用できる。たとえば、イソプロピルアルコールなどのアルコール、水、またはそれらの混合液を用いることができる。工程（ｉ）によれば、固体電解質とガラス繊維とを、液媒体中においてほぼ均一に混合できる。ガラス繊維は、上述した、耐酸性が高いガラス短繊維である。具体的には、Ｃガラス組成を有する繊維や、９６℃の１０％塩酸に２４時間浸漬したときの質量減少が８質量％以下であるガラス繊維である。

次に、上記混合物から液媒体を除去する（工程（ii））。液媒体の除去の方法に限定はなく、たとえば、自然乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥といった方法を適用できる。また、必要に応じて、電解質の性能を損なわない温度で混合物を熱処理または焼成してもよい。

なお、液媒体を除去したのちに熱処理を行ってもよい。このような熱処理を行うことによって、電解質内部に微量に残存する液媒体を除去すると同時に、電解質粒子間の結合をさらに高めることができる。

この製造方法では、混合物を所定の形状としたのち、混合物中の液媒体を除去することによって、任意の形状のプロトン伝導性膜を形成できる。典型的な一例では、混合物を基材上に塗布して塗膜を形成したのち、液媒体を除去する。この方法では、塗膜の厚さを制御することによって、得られるプロトン伝導性膜の厚さを容易に制御できる。なお、混合物の粘度を制御することによって、塗膜の厚さを制御することが容易になる。

工程（ｉ）で形成される混合物において、固体電解質とガラス繊維との合計に対するガラス繊維の割合は、２〜２５質量％の範囲にあることが好ましく、３〜１５質量％（たとえば５〜１０質量％）の範囲にあることがより好ましい。

本発明の製造方法は、工程（ｉ）の前に、ガラス繊維の表面をシランカップリング剤で処理する工程をさらに含んでもよい。この処理は、たとえば、シランカップリング剤の溶液をガラス繊維の表面に接触させたのち、熱処理することによって行うことができる。

［燃料電池］
本発明の燃料電池は、本発明のプロトン伝導性膜を備える。プロトン伝導性膜以外の部分については特に限定はなく、任意の材料および構成を適用できる。本発明の燃料電池の好ましい一例は、本発明の高分子電解質膜（プロトン伝導性膜）を用いた高分子電解質型燃料電池である。この場合、高分子電解質膜以外の部分には、公知の高分子電解質型燃料電池の材料および構成を適用できる。

本発明の燃料電池は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）を含むユニットセルが複数個積層された構造を有する燃料電池であってもよい。そのような燃料電池のユニットセルの一例の分解斜視図を図２に模式的に示す。図２のユニットセル２０は、プロトン伝導性膜（高分子電解質膜）２１と、プロトン伝導性膜２１を挟むように配置されたアノード２２およびカソード２３と、ガスケット２４とセパレータ２５とを含む。プロトン伝導性膜２１は、本発明のプロトン伝導性膜である。アノード２２およびカソード２３は、たとえば、Ｐｔ系の触媒を高分子電解質に分散させて炭素繊維からなる紙に塗布することによって形成できる。このようなアノード２２およびカソード２３でプロトン伝導性膜２１を挟むことによって、膜／電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。このＭＥＡをガスケット２４およびセパレータ２５で挟むことによって、ユニットセル２０が形成される。複数のユニットセル２０が積層されて燃料電池が形成される。

以下、実施例によって、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例には限定されない。

［実施例１］
表７のＣガラス組成からなるガラス繊維を切断することによって、平均繊維径が約０．８μｍで平均アスペクト比が約１０００（平均繊維長：約０．８ｍｍ）であるガラス短繊維を得た。

このガラス短繊維を、フッ素系ポリマ（固体電解質）が分散されたイソプロピルアルコール水溶液に添加し、１００ｒｐｍで５分間攪拌して、電解質−ガラス繊維混合液を得た。フッ素系ポリマには、ナフィオンＤＥ２０２０（デュポン社）を用いた。

ここで、該混合液における固体電解質の割合は、混合液全体の約１０質量％とした。また、該混合液中の全固形分に占めるガラス繊維の割合は約１０質量％とした。このように作製した電解質−ガラス繊維混合液の適量を、底面の平坦性が良好なトレイまたはシャーレに滴下し、常温で８時間以上乾燥し、さらに、１２０℃で１時間熱処理した。このようにして、プロトン伝導性膜を得た。電解質−ガラス繊維混合液の滴下量は、熱処理後のプロトン伝導性膜の厚さが約２５μｍになるように調整した。

［実施例２］
実施例１で用いたガラス繊維に、アミノシランをイオン交換水に溶解して得られた水溶液を含浸させた。次に、このガラス繊維を、オーブンを用いて１２０℃で１時間熱処理した。このようにして、表面がシランカップリング剤で処理されたガラス繊維を得た。この時、アミノシラン水溶液の濃度および含浸量を調整して、ガラス繊維の単位表面積当たりのカップリング剤付着量（固形分）を約５ｍｇ／ｍ²とした。

この補強材を用いたこと以外は実施例１と同様の方法で、ガラス繊維で補強されたプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。なお、電解質−ガラス繊維混合液における、電解質およびガラス繊維の割合は実施例１と同じとした。

［実施例３］
平均繊維径が約０．８μｍで平均アスペクト比が２５００（平均繊維長：約２ｍｍ）であり、表７のＣガラス組成からなるガラス短繊維を用意した。このガラス繊維に、実施例２と同じ手順で、シランカップリング剤による表面処理を施した。この補強材を用いたこと以外は実施例１と同じ手順で、ガラス繊維で補強されたプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。なお、電解質−ガラス繊維混合液における電解質およびガラス繊維の割合は、実施例１と同じとした。

［実施例４］
平均繊維径が約０．５μｍで平均アスペクト比が１２００（平均繊維長：約０．６ｍｍ）であり、表７のＣガラス組成からなるガラス短繊維を用意した。このガラス繊維に、実施例２と同じ手順で、シランカップリング剤による表面処理を施した。この補強材を用いたこと以外は実施例１と同じ手順で、ガラス繊維で補強されたプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質の割合は実施例１と同様とした。また、該混合液の全固形分に占めるガラス繊維の割合は、約５質量％とした。

［実施例５］
平均繊維径が約０．２μｍで平均アスペクト比が５０００（平均繊維長：約１ｍｍ）であり、表７のＣガラス組成からなるガラス短繊維を用意した。このガラス繊維に、実施例２と同じ手順でシラン処理を施した。この補強材を用いたこと以外は実施例１と同じ手順で、ガラス繊維で補強されたプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質の割合は実施例１と同様とした。また、該混合液の全固形分に占めるガラス繊維の割合は、約５質量％とした。

［実施例６］
平均繊維径が約４μｍで平均アスペクト比が５０（平均繊維長：約０．２ｍｍ）であり、表７のＣガラス組成からなるガラス短繊維を用意した。このガラス繊維に、実施例２と同じ手順で、シランカップリング剤による表面処理を施した。この補強材を用いたこと以外は実施例１と同じ手順で、ガラス繊維で補強されたプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質の割合は実施例１と同様とした。また、該混合液の全固形分に占めるガラス繊維の割合は、約５質量％とした。

［比較例１］
実施例１で説明した電解質分散液、すなわち、フッ素系ポリマ（固体電解質）が分散されたイソプロピルアルコール水溶液を用意した。この電解質分散液の適量を、底面の平坦性が良好なトレイまたはシャーレに滴下し、常温で８時間以上乾燥し、さらに１２０℃で１時間熱処理した。このようにして、ガラス繊維を含まないプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。電解質分散液中における電解質の割合は実施例１と同じとした。

［比較例２］
実施例１で用いたガラス繊維に約１０ＭＰａの圧力を加えて粉砕し、ガラス繊維粉末を作製した。粉砕後のガラス繊維は、平均繊維径が約０．８μｍで、平均アスペクト比が約２５（平均繊維長：約２０μｍ）であった。このガラス繊維粉末を用い、実施例１と同じ手順でプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質およびガラス繊維の割合は、実施例１と同じとした。

［比較例３］
比較例２で用いたガラス繊維粉末に対して、実施例２と同じ手順でシランカップリング剤による表面処理を施した。このガラス繊維粉末を用い、実施例１と同じ手順でプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質およびガラス繊維の割合は実施例１と同じとした。

［比較例４］
平均繊維径が約０．８μｍで平均アスペクト比が約６０００（平均繊維長：約４．８ｍｍ）であり、表７のＣガラス組成からなるガラス繊維を用意した。このガラス繊維を用い、実施例１と同じ手順でプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質およびガラス繊維の割合は実施例１と同じとした。

［比較例５］
比較例４で用いたガラス繊維に対して、実施例２と同じ手順でシランカップリング剤による表面処理を施した。このガラス繊維を用い、実施例１と同じ手順でプロトン伝導性膜を得た（厚さ２５μｍ）。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質およびガラス繊維の割合は実施例１と同じとした。

［比較例６］
実施例４で用いたガラス繊維に約１０ＭＰａの圧力を加えて粉砕し、ガラス繊維粉末を作製した。粉砕後のガラス繊維粉末は、平均繊維径が約０．５μｍで、平均アスペクト比が約３０（平均繊維長：約１５μｍ）であった。このガラス繊維粉末に対して、実施例２と同じ手順でシランカップリング剤による表面処理を施した。このガラス繊維粉末を用い、実施例１と同じ手順でプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質およびガラス繊維の割合は実施例４と同様とした。

［比較例７］
平均繊維径が約０．５μｍで平均アスペクト比が約６０００（平均繊維長：約３ｍｍ）であり、表７のＣガラス組成からなるガラス短繊維に対し、実施例２と同じ手順でシランカップリング剤による表面処理を施した。このガラス繊維を用い、実施例１と同じ手順でプロトン伝導性膜（厚さ２５μｍ）を得た。ここで、電解質−ガラス繊維混合液における電解質およびガラス繊維の割合は実施例４と同じとした。

実施例１〜６および比較例１〜７で作製したプロトン伝導性膜について、下記の試験を行った。

［引張強度測定］
プロトン伝導性膜をカットして試験片（幅：約２０ｍｍ、長さ：約８０ｍｍ）を作製した。その試験片を、チャック間隔３０ｍｍで、１０ｍｍ／分の速度で引っ張って、破断に至るまでの間の最大荷重（Ｎ）を測定した。その測定値を、試験片の厚さおよび幅の実測値で除して、引張強度（ＭＰａ）を算出した。試験片の厚さは、マイクロメータで測定した。

［面積膨潤率測定］
プロトン伝導性膜をカットして試験片（サイズ：約４０ｍｍ×約７０ｍｍ）を作製し、乾燥状態での寸法（縦および横）を測定した。その試験片を、イオン交換水中に１２時間以上浸漬し、含水状態の寸法（縦および横）を再度測定した。この測定結果から、乾燥状態での試験片面積と、含水状態での試験片面積とを算出した。それらの面積を次式に代入することによって、含水にともなう膨潤によるプロトン伝導性膜の面積膨潤率（％）を算出した。
面積膨潤率（％）＝（含水状態の面積／乾燥状態の面積−１）×１００
［プロトン伝導度評価］
湿潤状態のプロトン伝導性膜について、インピーダンスアナライザを用い、直流２端子法によってプロトン伝導度（Ｓ／ｃｍ）を測定した。

上記プロトン伝導性膜に用いられたガラス繊維、およびプロトン伝導性膜の評価結果について表８に示す。なお、表８中のガラス繊維の割合は、混合液中の全固形分に占める割合を示す。

表８に示されるように、引張強度および面積膨潤率のいずれにおいても、実施例１〜６は比較例１〜７よりも優れていた。特に、アミノシラン処理を施した実施例２〜６における膨潤率の改善効果が高かった。これに対して、比較例の引張強度と膨潤率は、アミノシラン処理の有無にかかわらず、ガラス繊維を全く含まない比較例１のそれと大差がなかった。これらのことは、ガラス繊維は、そのアスペクト比が適切な範囲でなければ良好な補強効果が得られないことを示している。なお、実施例および比較例のプロトン伝導性膜は、いずれも良好なプロトン伝導性を示した。

本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、請求項によって示されており、請求項と均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。

本発明は、プロトン伝導性膜およびそれを用いた燃料電池、ならびにプロトン伝導性膜の製造方法に適用できる。

Claims (14)

1. 固体電解質と前記固体電解質中に分散されたガラス繊維とを含むプロトン伝導性膜であって、
   前記ガラス繊維は、９６℃の１０％塩酸に２４時間浸漬したときの質量減少が８質量％以下であり、
   前記ガラス繊維の平均繊維径が０．１μｍ〜１０μｍの範囲にあり、
   前記ガラス繊維の平均繊維径と前記ガラス繊維の平均繊維長とが、５０≦［平均繊維長］／［平均繊維径］≦５０００の関係を満たすプロトン伝導性膜。
2. 前記ガラス繊維がＣガラス組成を有する請求項１に記載のプロトン伝導性膜。
3. 前記ガラス繊維の平均繊維長が２ｍｍ以下である請求項２に記載のプロトン伝導性膜。
4. 前記ガラス繊維の表面がシランカップリング剤で処理されている請求項２に記載のプロトン伝導性膜。
5. 前記シランカップリング剤の付着量が、前記ガラス繊維の表面積１ｍ²あたり０．５ｍｇ〜２００ｍｇの範囲にある請求項４に記載のプロトン伝導性膜。
6. 前記ガラス繊維の割合が２〜２５質量％の範囲にある請求項２に記載のプロトン伝導性膜。
7. 前記固体電解質が、高分子電解質である請求項２に記載のプロトン伝導性膜。
8. 請求項２に記載のプロトン伝導性膜を備える燃料電池。
9. 固体電解質とガラス繊維とを含むプロトン伝導性膜の製造方法であって、
   （ｉ）前記固体電解質と前記ガラス繊維とを液媒体中で混合することによって混合物を形成する工程と、
   （ii）前記混合物から前記液媒体を除去する工程とを含み、
   前記ガラス繊維は、９６℃の１０％塩酸に２４時間浸漬したときの質量減少が８質量％以下であり、
   前記ガラス繊維の平均繊維径が０．１μｍ〜１０μｍの範囲にあり、
   前記ガラス繊維の平均繊維径と前記ガラス繊維の平均繊維長とが、５０≦［平均繊維長］／［平均繊維径］≦５０００の関係を満たすプロトン伝導性膜の製造方法。
10. 前記ガラス繊維がＣガラス組成を有する請求項９に記載の製造方法。
11. 前記ガラス繊維の平均繊維長が２ｍｍ以下である請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記混合物において、前記固体電解質と前記ガラス繊維との合計に対する前記ガラス繊維の割合が２〜２５質量％の範囲にある請求項１０に記載の製造方法。
13. 前記（ｉ）の工程の前に、前記ガラス繊維の表面をシランカップリング剤で処理する工程をさらに含む請求項１０に記載の製造方法。
14. 前記固体電解質が高分子電解質である請求項１０に記載の製造方法。

Images