JPH05306345A - イオン交換膜の加工方法、イオン交換膜と電極との接合体の製造方法およびそれを用いた燃料電池 - Google Patents
イオン交換膜の加工方法、イオン交換膜と電極との接合体の製造方法およびそれを用いた燃料電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 イオン交換膜の膜抵抗を低減させることによ
り、またイオン交換膜と電極との接触抵抗を低減させる
ことにより、放電特性の優れたイオン交換膜燃料電池を
提供するものである。 【構成】 パーフルオロビニルエーテルとテトラフルオ
ロエチレンとの共重合体からなるイオン交換膜を１６０
〜２２０℃でホットプレスすることにより膜抵抗を低減
せしめ、またイオン交換膜と電極とを１６０〜２２０℃
で接合することにより膜と電極との接触抵抗を低減せし
め、放電特性に優れたイオン交換膜燃料電池が得られ
る。
り、またイオン交換膜と電極との接触抵抗を低減させる
ことにより、放電特性の優れたイオン交換膜燃料電池を
提供するものである。 【構成】 パーフルオロビニルエーテルとテトラフルオ
ロエチレンとの共重合体からなるイオン交換膜を１６０
〜２２０℃でホットプレスすることにより膜抵抗を低減
せしめ、またイオン交換膜と電極とを１６０〜２２０℃
で接合することにより膜と電極との接触抵抗を低減せし
め、放電特性に優れたイオン交換膜燃料電池が得られ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料として純水素、ま
たはメタノールおよび化石燃料からの改質水素などの還
元剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関す
るものであり、特に燃料電池用のイオン交換膜の加工方
法およびイオン交換膜と電極との接合体の製造方法に関
するものである。
たはメタノールおよび化石燃料からの改質水素などの還
元剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関す
るものであり、特に燃料電池用のイオン交換膜の加工方
法およびイオン交換膜と電極との接合体の製造方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】イオン交換膜燃料電池は電解質であるイ
オン交換膜と電極との接合体からなり、接合体の製造方
法として、例えば特開平３−２０８２６０号や特開平３
−２０３１６４号では１２０〜１３０℃で、特開平３−
１８４２６６号では１２０〜１３０℃でホットプレスを
行いイオン交換膜と電極とを接合している。イオン交換
膜燃料電池では接合体において負極で発生したプロトン
がイオン交換膜を介して正極へ移動するが、イオン交換
膜と電極との接合が不十分であると電極とイオン交換膜
との界面においてプロトンの移動が起こりにくくなり、
その結果内部抵抗が増大する。また、イオン交換膜と電
極との接合界面において触媒反応の起こる三相界面が形
成され、この三相界面の面積はイオン交換膜と電極との
接合状態によって支配される。このため、イオン交換膜
と電極との接合状態はイオン交換膜燃料電池の特性を大
きく左右する。
オン交換膜と電極との接合体からなり、接合体の製造方
法として、例えば特開平３−２０８２６０号や特開平３
−２０３１６４号では１２０〜１３０℃で、特開平３−
１８４２６６号では１２０〜１３０℃でホットプレスを
行いイオン交換膜と電極とを接合している。イオン交換
膜燃料電池では接合体において負極で発生したプロトン
がイオン交換膜を介して正極へ移動するが、イオン交換
膜と電極との接合が不十分であると電極とイオン交換膜
との界面においてプロトンの移動が起こりにくくなり、
その結果内部抵抗が増大する。また、イオン交換膜と電
極との接合界面において触媒反応の起こる三相界面が形
成され、この三相界面の面積はイオン交換膜と電極との
接合状態によって支配される。このため、イオン交換膜
と電極との接合状態はイオン交換膜燃料電池の特性を大
きく左右する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のイ
オン交換膜は膜厚、膜抵抗がともに大きく、その結果電
池の内部抵抗が増大する。従来のイオン交換膜と電極の
接合体の製造方法では接合温度が低いためにイオン交換
膜と電極との接着性が弱くプロトンの移動が起こりにく
く、ホットプレスによってイオン交換膜の抵抗が増大す
るために電池の内部抵抗が増大し、触媒反応の場である
三相界面が十分に形成されていないために十分な電池の
出力特性が得られていない。
オン交換膜は膜厚、膜抵抗がともに大きく、その結果電
池の内部抵抗が増大する。従来のイオン交換膜と電極の
接合体の製造方法では接合温度が低いためにイオン交換
膜と電極との接着性が弱くプロトンの移動が起こりにく
く、ホットプレスによってイオン交換膜の抵抗が増大す
るために電池の内部抵抗が増大し、触媒反応の場である
三相界面が十分に形成されていないために十分な電池の
出力特性が得られていない。
【０００４】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、イオン交換膜のホットプレスを行って膜厚を減少さ
せて膜抵抗を低減させるイオン交換膜の加工方法、イオ
ン交換膜と電極との接着性を向上させて内部抵抗を低減
させ、かつ、三相界面を増加させてより高い性能を有す
るイオン交換膜燃料電池を実現させるためのイオン交換
膜と電極との接合方法、およびそれを用いた燃料電池を
提供することを目的とする。
で、イオン交換膜のホットプレスを行って膜厚を減少さ
せて膜抵抗を低減させるイオン交換膜の加工方法、イオ
ン交換膜と電極との接着性を向上させて内部抵抗を低減
させ、かつ、三相界面を増加させてより高い性能を有す
るイオン交換膜燃料電池を実現させるためのイオン交換
膜と電極との接合方法、およびそれを用いた燃料電池を
提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明はイオン交換膜を１６０〜２２０℃でホット
プレスを行い、膜厚を減少させて膜抵抗を減少させるイ
オン交換膜の加工方法であり、イオン交換膜と電極とを
１６０〜２２０℃で接合させる製造方法である。さらに
その製造方法で得られたイオン交換膜と電極の接合体を
用いたイオン交換膜燃料電池である。
に、本発明はイオン交換膜を１６０〜２２０℃でホット
プレスを行い、膜厚を減少させて膜抵抗を減少させるイ
オン交換膜の加工方法であり、イオン交換膜と電極とを
１６０〜２２０℃で接合させる製造方法である。さらに
その製造方法で得られたイオン交換膜と電極の接合体を
用いたイオン交換膜燃料電池である。
【０００６】
【作用】イオン交換膜を１６０〜２２０℃でホットプレ
スすることにより、膜厚を減少させて膜抵抗を低減させ
ることができ、またイオン交換膜と電極とを１６０〜２
２０℃でホットプレスすることによりイオン交換膜と電
極の接着性を高め、ホットプレスによるイオン交換膜の
抵抗の増加を抑制して接触抵抗を低減し、かつ三相界面
を増加させることができ、これによって電池の出力特性
を向上させることが可能となった。
スすることにより、膜厚を減少させて膜抵抗を低減させ
ることができ、またイオン交換膜と電極とを１６０〜２
２０℃でホットプレスすることによりイオン交換膜と電
極の接着性を高め、ホットプレスによるイオン交換膜の
抵抗の増加を抑制して接触抵抗を低減し、かつ三相界面
を増加させることができ、これによって電池の出力特性
を向上させることが可能となった。
【０００７】
【実施例】以下本発明の実施例について説明する。
【０００８】（実施例１）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を５
ｗｔ％過酸化水素水溶液中に７０〜８０℃で１時間加熱
浸漬処理を行い、有機物の不純物を除去した後、１規定
の硫酸水溶液中に７０〜８０℃で１時間加熱浸漬処理を
行い、無機物の不純物を除去すると共に、イオン交換基
をプロトン型に置換した。このイオン交換膜を２０〜１
００ｋｇｆ／cm2、１３０〜２６０℃でホットプレスを
行った。以下このイオン交換膜をＡとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を５
ｗｔ％過酸化水素水溶液中に７０〜８０℃で１時間加熱
浸漬処理を行い、有機物の不純物を除去した後、１規定
の硫酸水溶液中に７０〜８０℃で１時間加熱浸漬処理を
行い、無機物の不純物を除去すると共に、イオン交換基
をプロトン型に置換した。このイオン交換膜を２０〜１
００ｋｇｆ／cm2、１３０〜２６０℃でホットプレスを
行った。以下このイオン交換膜をＡとする。
【０００９】（比較例１）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を５
ｗｔ％過酸化水素水溶液中に７０〜８０℃で１時間加熱
浸漬処理を行い、有機物の不純物を除去した後、１規定
の硫酸水溶液中に７０〜８０℃で１時間加熱浸漬処理を
行い、無機物の不純物を除去すると共に、イオン交換基
をプロトン型に置換した。以下このイオン交換膜をＢと
する。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７を５
ｗｔ％過酸化水素水溶液中に７０〜８０℃で１時間加熱
浸漬処理を行い、有機物の不純物を除去した後、１規定
の硫酸水溶液中に７０〜８０℃で１時間加熱浸漬処理を
行い、無機物の不純物を除去すると共に、イオン交換基
をプロトン型に置換した。以下このイオン交換膜をＢと
する。
【００１０】（実施例２）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７と電
極とを１６０〜２２０℃、５０ｋｇｆ／cm2でホットプ
レスを行い接合した。この接合体を用いて図１に示した
イオン交換膜燃料電池の単セルを作成した。図１中、１
０はイオン交換膜を示し、１１および１２はそれぞれ負
極および正極を示した。電極は両極とも白金触媒を担持
した炭素微粉末に固体高分子電解質を添加して作成し
た。両極とも、白金量は０．５ｍｇ／cm2、固体高分子
電解質の添加量は０．３ｍｇ／cm2とした。以下この接
合体をＣとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７と電
極とを１６０〜２２０℃、５０ｋｇｆ／cm2でホットプ
レスを行い接合した。この接合体を用いて図１に示した
イオン交換膜燃料電池の単セルを作成した。図１中、１
０はイオン交換膜を示し、１１および１２はそれぞれ負
極および正極を示した。電極は両極とも白金触媒を担持
した炭素微粉末に固体高分子電解質を添加して作成し
た。両極とも、白金量は０．５ｍｇ／cm2、固体高分子
電解質の添加量は０．３ｍｇ／cm2とした。以下この接
合体をＣとする。
【００１１】（実施例３）実施例１のイオン交換膜Ａと
電極とを１６０〜２２０℃、５０ｋｇｆ／cm2でホット
プレスし、接合を行った。この接合体を用いて図１に示
したイオン交換膜燃料電池の単セルを作成した。電極は
両極とも白金触媒を担持した炭素微粉末に固体高分子電
解質を添加して作成した。両極とも、白金量は０．５ｍ
ｇ／cm2、固体高分子電解質の添加量は０．３ｍｇ／cm2
とした。以下この接合体をＤとする。
電極とを１６０〜２２０℃、５０ｋｇｆ／cm2でホット
プレスし、接合を行った。この接合体を用いて図１に示
したイオン交換膜燃料電池の単セルを作成した。電極は
両極とも白金触媒を担持した炭素微粉末に固体高分子電
解質を添加して作成した。両極とも、白金量は０．５ｍ
ｇ／cm2、固体高分子電解質の添加量は０．３ｍｇ／cm2
とした。以下この接合体をＤとする。
【００１２】（比較例２）パーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７と電
極とを１３０℃、５０ｋｇｆ／cm2でホットプレスし、
接合を行った。この接合体を用いて図１に示したイオン
交換膜燃料電池の単セルを作成した。電極は両極とも白
金触媒を担持した炭素微粉末に固体高分子電解質を添加
して作成した。両極とも、白金量は０．５ｍｇ／cm2、
固体高分子電解質の添加量は０．３ｍｇ／cm2とした。
以下この接合体をＥとする。
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイオン交
換膜として米国デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ１１７と電
極とを１３０℃、５０ｋｇｆ／cm2でホットプレスし、
接合を行った。この接合体を用いて図１に示したイオン
交換膜燃料電池の単セルを作成した。電極は両極とも白
金触媒を担持した炭素微粉末に固体高分子電解質を添加
して作成した。両極とも、白金量は０．５ｍｇ／cm2、
固体高分子電解質の添加量は０．３ｍｇ／cm2とした。
以下この接合体をＥとする。
【００１３】以下本発明の実施例および比較例について
図面を参照しながら説明する。図２に本発明の実施例の
イオン交換膜のプレス温度と膜抵抗の関係を示した。膜
抵抗は１．５Ｍ硫酸水溶液中においてＨ型セルに白金
極、Ｈｇ／ＨｇＳＯ4電極を設置し、４端子法で常温、
６０℃、８０℃について測定した。
図面を参照しながら説明する。図２に本発明の実施例の
イオン交換膜のプレス温度と膜抵抗の関係を示した。膜
抵抗は１．５Ｍ硫酸水溶液中においてＨ型セルに白金
極、Ｈｇ／ＨｇＳＯ4電極を設置し、４端子法で常温、
６０℃、８０℃について測定した。
【００１４】プレス温度の上昇にともない膜抵抗は減少
し、プレス温度が１６０℃以上２２０以下の実施例１の
イオン交換膜Ａは、比較例のイオン交換膜Ｂの膜抵抗が
室温、６０℃、８０℃でそれぞれ０．２０７，０．１２
３，０．１００Ωcm2であるのに対し、各温度について
膜抵抗が低減され、プレス温度が２００℃の場合に膜抵
抗は最小となった。また、プレス温度が２２０℃より高
くなると膜の一部が白色化し、２４０℃以上になると膜
内に気泡が発生して膜厚にバラツキが生じた。この気泡
はイオン交換基であるＳＯ3 -が分解して生じたＳＯ2と
思われる。
し、プレス温度が１６０℃以上２２０以下の実施例１の
イオン交換膜Ａは、比較例のイオン交換膜Ｂの膜抵抗が
室温、６０℃、８０℃でそれぞれ０．２０７，０．１２
３，０．１００Ωcm2であるのに対し、各温度について
膜抵抗が低減され、プレス温度が２００℃の場合に膜抵
抗は最小となった。また、プレス温度が２２０℃より高
くなると膜の一部が白色化し、２４０℃以上になると膜
内に気泡が発生して膜厚にバラツキが生じた。この気泡
はイオン交換基であるＳＯ3 -が分解して生じたＳＯ2と
思われる。
【００１５】
【表１】
【００１６】（表１）に本実施例および比較例のイオン
交換膜のプレス温度、膜厚、ガス透過量を示した。プレ
ス温度の上昇にしたがって膜厚が減少し、ガス透過量は
プレス温度が２２０℃までは増加しないが、２４０℃以
上になると顕著に増大する。これはプレス温度が２４０
℃以上になると膜が分解されて構造が疎になったためと
考えられる。
交換膜のプレス温度、膜厚、ガス透過量を示した。プレ
ス温度の上昇にしたがって膜厚が減少し、ガス透過量は
プレス温度が２２０℃までは増加しないが、２４０℃以
上になると顕著に増大する。これはプレス温度が２４０
℃以上になると膜が分解されて構造が疎になったためと
考えられる。
【００１７】以上のことより、本発明の効果はプレス温
度が１６０〜２２０℃の範囲のホットプレスによって得
られることがわかった。
度が１６０〜２２０℃の範囲のホットプレスによって得
られることがわかった。
【００１８】図３に本実施例および比較例のイオン交換
膜と電極との接合体を用いた燃料電池の電圧−電流特性
を示した。負極側に９０℃の温度で加湿した水素ガス
を、正極側に８０℃の温度で加湿した酸素ガスをそれぞ
れ供給して、放電試験を行った。本発明の実施例の接合
体ＣおよびＤを用いた燃料電池は電流密度２００ｍＡ／
cm2においてそれぞれ０．６５Ｖ，０．６８Ｖの電圧を
示した。一方比較例の接合体Ｅを用いた燃料電池は電流
密度２００ｍＡ／cm2において電池電圧０．５３Ｖを示
した。
膜と電極との接合体を用いた燃料電池の電圧−電流特性
を示した。負極側に９０℃の温度で加湿した水素ガス
を、正極側に８０℃の温度で加湿した酸素ガスをそれぞ
れ供給して、放電試験を行った。本発明の実施例の接合
体ＣおよびＤを用いた燃料電池は電流密度２００ｍＡ／
cm2においてそれぞれ０．６５Ｖ，０．６８Ｖの電圧を
示した。一方比較例の接合体Ｅを用いた燃料電池は電流
密度２００ｍＡ／cm2において電池電圧０．５３Ｖを示
した。
【００１９】なお本実施例ではイオン交換膜としてＮＡ
ＦＩＯＮ１１７を用いたが、他のパーフルオロビニルエ
ーテルとテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイ
オン交換膜を用いても同様の結果が得られた。
ＦＩＯＮ１１７を用いたが、他のパーフルオロビニルエ
ーテルとテトラフルオロエチレンの共重合体からなるイ
オン交換膜を用いても同様の結果が得られた。
【００２０】さらに本実施例では、イオン交換膜燃料電
池の一例として水素−酸素燃料電池を取り上げたが、メ
タノール、天然ガス、ナフサなどを燃料とする改質水素
を用いた燃料電池、また、酸化剤として空気を用いた燃
料電池に適用することも可能である。
池の一例として水素−酸素燃料電池を取り上げたが、メ
タノール、天然ガス、ナフサなどを燃料とする改質水素
を用いた燃料電池、また、酸化剤として空気を用いた燃
料電池に適用することも可能である。
【００２１】
【発明の効果】以上のように本発明は、イオン交換膜を
１６０〜２２０℃でホットプレスし、膜厚を減少せしめ
ることにより、より低い膜抵抗のイオン交換膜を得るこ
とが可能となり、また、イオン交換膜と電極とを１６０
〜２２０℃でホットプレスすることにより、イオン交換
膜と電極との接着強度を高めて接触抵抗を低減させるこ
とが可能となり、より高い放電特性を発揮するイオン交
換膜燃料電池を実現することが可能となるものである。
１６０〜２２０℃でホットプレスし、膜厚を減少せしめ
ることにより、より低い膜抵抗のイオン交換膜を得るこ
とが可能となり、また、イオン交換膜と電極とを１６０
〜２２０℃でホットプレスすることにより、イオン交換
膜と電極との接着強度を高めて接触抵抗を低減させるこ
とが可能となり、より高い放電特性を発揮するイオン交
換膜燃料電池を実現することが可能となるものである。
【図１】イオン交換膜燃料電池の断面図
【図２】プレス温度とイオン交換膜の膜抵抗の関係を示
す図
す図
【図３】イオン交換膜燃料電池の電圧−電流特性図
１０ イオン交換膜 １１ 負極 １２ 正極
Claims (3)
- 【請求項１】パーフルオロビニルエーテルとテトラフル
オロエチレンの共重合体からなるイオン交換膜を１６０
〜２２０℃でホットプレスするイオン交換膜の加工方
法。 - 【請求項２】パーフルオロビニルエーテルとテトラフル
オロエチレンの共重合体からなるイオン交換膜とガス拡
散電極とを１６０〜２２０℃でホットプレスするイオン
交換膜と電極との接合体の製造方法。 - 【請求項３】パーフルオロビニルエーテルとテトラフル
オロエチレンの共重合体からなるイオン交換膜とガス拡
散電極とが１６０〜２２０℃でホットプレスされた接合
体を用いたイオン交換膜燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4111073A JPH05306345A (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | イオン交換膜の加工方法、イオン交換膜と電極との接合体の製造方法およびそれを用いた燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4111073A JPH05306345A (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | イオン交換膜の加工方法、イオン交換膜と電極との接合体の製造方法およびそれを用いた燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05306345A true JPH05306345A (ja) | 1993-11-19 |
Family
ID=14551702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4111073A Pending JPH05306345A (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | イオン交換膜の加工方法、イオン交換膜と電極との接合体の製造方法およびそれを用いた燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05306345A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2004102713A1 (ja) * | 2003-05-14 | 2006-07-13 | 東レ株式会社 | 膜電極複合体およびそれを用いた固体高分子型燃料電池 |
| JPWO2006019097A1 (ja) * | 2004-08-18 | 2008-05-08 | 旭硝子株式会社 | 燃料電池用電解質ポリマー、その製造方法、電解質膜、及び膜・電極接合体 |
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1992
- 1992-04-30 JP JP4111073A patent/JPH05306345A/ja active Pending
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