JPH06231782A - 改良された固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

改良された固体高分子電解質型燃料電池

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JPH06231782A
JPH06231782A JP5039420A JP3942093A JPH06231782A JP H06231782 A JPH06231782 A JP H06231782A JP 5039420 A JP5039420 A JP 5039420A JP 3942093 A JP3942093 A JP 3942093A JP H06231782 A JPH06231782 A JP H06231782A
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JP
Japan
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fuel cell
film
polymer electrolyte
polymer
cation exchange
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JP5039420A
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English (en)
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Masayuki Tamura
正之 田村
Kiyoshige Jitsukata
清成 實方
Masaru Yoshitake
優 吉武
Haruhisa Miyake
晴久 三宅
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AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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    • 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
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低い電気抵抗を有する固体高分子電解質を用い
た高性能の燃料電池を提供する。 【構成】正極に面する側のフィルムの含水率が負極に面
する側のフィルムのそれよりも大きい、2層以上のパー
フルオロカーボン重合体フィルムの積層体からなる陽イ
オン交換膜を固体高分子電解質とする。

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
電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年プロトン伝導性の高分子膜を電解質
として用いる燃料電池(固体高分子電解質型燃料電池)
の研究が進んでいる。固体高分子電解質型燃料電池は、
低温で作動し出力密度が高く小型化が可能であるという
特徴を有し、車載用電源等の用途に対し有力視されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本用途に用いられる高
分子膜は、通常厚さ100〜200μmのプロトン伝導
性イオン交換膜が用いられ、特にスルホン酸基を有する
パーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が
基本特性に優れ広く検討されている。しかし、現在提案
されている陽イオン交換膜の電気抵抗は、より高出力密
度の電池を得る観点から必ずしも十分に低いとは言えな
い。
【0004】陽イオン交換膜の電気抵抗を低減する方法
にはスルホン酸基濃度の増加と膜厚の低減があるが、ス
ルホン酸基濃度の著しい増加は膜の機械的強度を低下さ
せたり、長期運転において膜がクリープし易くなり耐久
性を低下させるなどの問題点が生じる。一方膜厚の低減
は膜の機械的強度を低下させたり、更にガス拡散電極と
の接合等の加工性・取扱い性を低下させるなどの問題点
が生じる。かくして、電気抵抗が低く且つ機械的強度が
高い陽イオン交換膜の開発が望まれていた。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は前述の問題点を
解決すべくなされたものであり、スルホン酸基を含有す
るパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜
を固体高分子電解質とする燃料電池において、上記陽イ
オン交換膜が、異なる含水率を有する少なくとも2層の
パーフルオロカーボン重合体からなり、その正極に面す
るフィルムの含水率が最も高い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】本発明で陽イオン交換膜は、燃料電池の正
極に面する側に含水率が最も高い重合体フィルムが位置
するようにすることが必要である。そして、正極側の重
合体フィルムの含水率は、負極に面する重合体フィルム
の含水率に比べて、好ましくは5〜50重量%、特には
10〜30重量%だけ大きくするのが好ましい。一方、
各重合体フィルムを含水率は30〜110重量%、特に
は35〜95重量%に制御せしめられる。
【0007】本発明で重合体フィルムは(酸型)の含水
率(△W)は、以下のように定義される。 △W=(W1 /W2 −1)×100(重量%) W1 :90℃、純水中24時間浸漬後の膜重量。 W2 :W1 を測定後、100℃にて16時間真空乾燥し
た後の膜重量。 パーフルオロカーボン重合体フィルムの含水率が、上記
範囲の下限より小さい場合は膜抵抗が極端に上昇し、ま
たより大きい場合は、膜強度及び電極接合等における膜
取扱い性が著しく低下し好ましくない。
【0008】パーフルオロカーボン重合体フィルムを積
層した陽イオン交換膜は、厚みが30〜300μm、更
には50〜250μmであるのが好ましい。上記範囲の
下限より小さい場合には、膜強度及び電極との接合等に
おける膜取扱い性が低下し、一方上限値より大きい場合
には膜抵抗が上昇し、出力が低下するため好ましくな
い。
【0009】本発明に用いられるスルホン酸基を含有す
るパーフルオロカーボン重合体としては、テトラフルオ
ロエチレンとCF2 =CF−(OCF2 CFX)m −O
q −(CF2n −A(式中m=0〜3、n=0〜1
2、q=0又は1、X=F又はCF3 、A=スルホン酸
型官能基)で表されるフルオロビニル化合物との共重合
体が好ましく採用可能である。
【0010】上記フルオロビニル化合物の好ましい例と
しては、 CF2 =CFO(CF21-8 SO2 F CF2 =CFOCF2 CF(CF3 )O(CF21-8 SO2 F CF2 =CF(CF20-8 SO2 F CF2 =CF(OCF2 CF(CF3 ))1-5 O(CF22 SO2 F などが挙げられる。
【0011】パーフルオロカーボン重合体を構成する上
記テトラフルオロエチレンの代わりにヘキサフルオロプ
ロピレン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロ
アルコキシビニルエーテルの如きパーフルオロオレフィ
ンを用いることもできる。
【0012】本発明で、陽イオン交換膜は、フィブリル
状、織布状、又は不織布状のパーフルオロカーボン重合
体で補強されることもできる。本発明で、陽イオン交換
膜は通常の既知の手法に従ってその表面にガス拡散電極
を密着させ、次いで集電体をとりつけ燃料電池として組
み立てられる。
【0013】ガス拡散電極は通常白金触媒微粒子を担持
させた導電性のカーボンブラック粉末をポリテトラフル
オロエチレンなどの疎水性樹脂結着材で保持させた多孔
質体のシートよりなるが、該多孔質体がスルホン酸型パ
ーフルオロカーボン重合体や該重合体で被覆された微粒
子を含んでいてもよい。ガス拡散電極とスルホン酸型パ
ーフルオロカーボン重合体とは加熱プレス法等により密
着される。
【0014】集電体は燃料ガス又は酸化剤ガスの通路と
なる溝が形成された導電性カーボン板等が用いられる。
【0015】
【作用】本発明で良好なの効果が達成される機構は必ず
しも明らかではないが、以下のように考えている。水素
ガス燃料電池においては以下の反応に従って化学エネル
ギーが電気エネルギーに変換される。 負極: H2 →2H+ +2e- 正極: 1/2O2 +2H+ + 2e- → H2 O 燃料電池における陽イオン交換膜中のプロトンの移動性
は、該膜の含水率に大きく関係し、含水率が高いほどプ
ロトン移動性は高く、膜抵抗は低下する。
【0016】陽イオン交換膜の正極側は上記の反応に従
って水を発生するため、高含水状態となりプロトンの移
動性も高い状態に維持されるが、一方膜の負極側は相対
的に含水率が低くなり、膜中のプロトン移動は負極が律
速になると推定される。ところで正極で発生した水分子
は膜内を負極側へ拡散するが、かかる膜の正極側に高い
含水特性を有する層を設置することにより、膜内の水分
子の拡散が加速されると考えられる。この結果、膜の負
極側の低含水状態を緩和し抵抗の低い膜が得られる。
【0017】
【実施例】
実施例1 特開平2−88645号公報に記載されている方法に準
拠し、CF2 =CF2とCF2 =CFO(CF2 CFC
3 )O(CF22 SO2 Fとの共重合体からなるイ
オン交換容量1.0ミリ当量/g乾燥樹脂、及び1.1
ミリ当量/g乾燥樹脂の2種類の共重合体を得た。前者
の共重合体を220℃で押し出し製膜し、厚さ80μm
のフィルムを得た。次に後者の共重合体を220℃で押
し出し製膜し、厚さ20μmのフィルムを得た。
【0018】上記2種類の共重合体フィルムを220℃
でロールを用いて、積層した後、ジメチルスルホキシド
30重量%と苛性カリ15重量%との混合水溶液中で加
水分解を行い、水洗した後1Nの塩酸中に浸漬した。次
に膜を水洗し、膜の四辺を専用治具で拘束した後60
℃、1時間乾燥し陽イオン交換膜を製造した。
【0019】イオン交換容量1.0ミリ当量/g乾燥樹
脂、及び1.1ミリ当量/g乾燥樹脂の共重合体の90
℃の純水中の含水率はそれぞれ、50重量%、70重量
%であった。
【0020】この陽イオン交換膜を用いた燃料電池特性
を評価した。白金触媒微粒子を担持させたカーボンブラ
ック粉末にポリテトラフルオロエチレンを混入し、ロー
ルプレスを用いて厚さ250μmのシート状のガス拡散
電極を作製した。上記2枚のガス拡散電極の間に上記陽
イオン交換膜を挿入し平板熱プレス機を用いて積層する
ことにより膜電極接合体を作製した。膜電極接合体の白
金触媒量は膜面積1cm2 当り1mgであった。
【0021】次に、膜電極接合体をチタン製の集電体、
PTFE製のガス供給室、ヒーターの順番で両側からは
さみ、有効膜面積9cm2 の燃料電池を組みあげた。こ
のとき負極側に陽イオン交換膜の1.1ミリ当量g/乾
燥樹脂の重合体フィルムが、正極に1.0ミリ当量/g
乾燥樹脂の重合体フィルムが面するように燃料電池を組
みあげた。セルの温度を80℃に保ち、正極に酸素、負
極に水素をそれぞれ5気圧で供給したときの電流密度に
対する端子電圧を測定したところ電流密度1A/cm2
でセル電圧0.62Vであった。
【0022】比較例1 実施例1で使用したのと同じイオン交換容量1.0ミリ
当量/g乾燥樹脂の共重合体単独を220℃で押出し製
膜し、厚さ100μmのフィルムを得た。これを実施例
1と同様な処理を施し、陽イオン交換膜を製造した。実
施例1と同様な方法により燃料電池を組みあげた後、同
様な条件下で電流密度に対する端子電圧を測定したとこ
ろ電流密度1A/cm2 でセル電圧0.60Vであっ
た。
【0023】上記の結果からわかるように、実施例1の
陽イオン交換膜は比較例1の膜に比べ、燃料電池を組み
あげたときのエネルギー損失が小さい。
【0024】
【発明の効果】従来膜にない低い電気抵抗を有する陽イ
オン交換膜を固体高分子電解質とすることにより、高性
能の固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
フロントページの続き (72)発明者 三宅 晴久 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社中央研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スルホン酸基を含有するパーフルオロカー
    ボン重合体からなる陽イオン交換膜を固体高分子電解質
    とする燃料電池において、上記陽イオン交換膜が、異な
    る含水率を有する少なくとも2層以上のパーフルオロカ
    ーボン重合体フィルムの積層体からなり、その正極に面
    する側のフィルムの含水率が最も高いことを特徴とする
    固体高分子電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】正極に面するパーフルオロカーボン重合体
    フィルムの含水率が、負極に面するパーフルオロカーボ
    ン重合体フィルムのそれよりも5〜50重量%だけ大き
    い請求項1の固体高分子電解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】パーフルオロカーボン重合体フィルムの含
    水率が30〜110重量%である請求項1又は2の固体
    高分子電解質型燃料電池。
  4. 【請求項4】パーフルオロカーボン重合体がCF2 =C
    2 とCF2 =CF−(OCF2 CFX)m −Oq
    (CF2n −A(式中m=0〜3、n=0〜12、q
    =0又は1、X=F又はCF3 、A=スルホン酸型官能
    基)との共重合体からなる請求項1、2又は3の固体高
    分子電解質型燃料電池。
JP5039420A 1993-02-03 1993-02-03 改良された固体高分子電解質型燃料電池 Pending JPH06231782A (ja)

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