JPH06260185A - 固体高分子電解質型の燃料電池 - Google Patents

固体高分子電解質型の燃料電池

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JPH06260185A
JPH06260185A JP5067647A JP6764793A JPH06260185A JP H06260185 A JPH06260185 A JP H06260185A JP 5067647 A JP5067647 A JP 5067647A JP 6764793 A JP6764793 A JP 6764793A JP H06260185 A JPH06260185 A JP H06260185A
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JP
Japan
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fuel cell
polymer electrolyte
solid polymer
gas diffusion
perfluorosulfonic acid
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Application number
JP5067647A
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English (en)
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Masayuki Tamura
正之 田村
Kiyoshige Jitsukata
清成 實方
Haruhisa Miyake
晴久 三宅
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AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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Publication date
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    • 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】エネルギー損失が小さい高性能の燃料電池を提
供する。 【構成】ガス拡散電極中に、イオン交換容量が0.95
〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂のパーフルオロスルホン
酸ポリマーを分散し含有させる。

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の燃
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。陽イオン交換膜の
表面に密着されるガス拡散電極中の組成については、燃
料電池特性に大きく影響することが知られているが、必
ずしも十分に検討されていない。
【0004】特開平3−295172、特開平4−16
2365等には米国デュポン社製のパーフルオロカーボ
ンスルホン酸系イオン交換ポリマー:ナフィオンを用い
た検討を行っているが、燃料電池特性を十分に改善する
には至っていない。
【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
固体高分子電解質型とする燃料電池において、上記陽イ
オン交換膜の表面に密着されるガス拡散電極中にイオン
交換容量が0.95〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂のパ
ーフルオロスルホン酸ポリマーが分散し含有されること
を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池を提供するも
のである。
【0006】本発明でガス拡散電極中に分散し含有され
るパーフルオロスルホン酸ポリマーのイオン交換容量は
0.95〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂、特には1.0
〜1.5ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましい。
【0007】パーフルオロスルホン酸ポリマーは、ポリ
マー自体の粉末がガス拡散電極中に分散し含有されるこ
と、或いは白金などの触媒微粒子等を担持させたカーボ
ンブラックなど炭素粉末に予めコーティングさせてガス
拡散電極中に分散し含有されることの何れも採用可能で
ある。更には、場合によって使用される、ポリプロピレ
ン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、フェノー
ル樹脂、ポリスルホン等の有機系高分子の微粒子や、S
iO2 、TiO2 、ZrO2 等の無機化合物の微粒子に
予めコーティングし、ガス拡散電極中に分散し含有され
ることも採用可能である。
【0008】パーフルオロスルホン酸ポリマーをガス拡
散電極中に、分散含有させる方法としては、ロールプレ
ス等により多孔質体でシート状のガス拡散電極を得る前
に、パーフルオロスルホン酸ポリマーの粉末或いは溶液
を電極原料物に混合する方法や、シート状のガス拡散電
極を得た後に電極をパーフルオロスルホン酸ポリマーの
溶液中に浸漬する方法、何れも採用可能である。
【0009】本発明でガス拡散電極中に分散し含有され
るパーフルオロスルホン酸ポリマーの量としては、電極
作製に用いるカーボンブラックに対し5〜30重量%、
特には8〜20重量%であることが好ましい。上記範囲
より小さい場合には、パーフルオロスルホン酸ポリマー
を含有させた効果が小さく、一方上限値より大きい場合
は、カーボンブラックが塊状になりやすく電極作製にお
ける操作性が低下する。
【0010】本発明に用いられるパーフルオロスルホン
酸ポリマーとしては、テトラフルオロエチレンと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)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。
【0011】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。
【0012】なお、スルホン酸基を有するフルオロカー
ボン重合体を構成するモノマーであ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
も可能である。
【0013】本発明の、イオン交換容量が0.95〜
1.6ミリ当量/g乾燥樹脂のパーフルオロスルホン酸
ポリマーが分散し含有されるガス拡散電極は、通常の既
知の手法に従ってその表面に陽イオン交換膜を加熱プレ
ス法等により密着させ、次いで集電体を取り付け、燃料
電池として組み立てられる。
【0014】スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体
からなる陽イオン交換膜は、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するこ
ともできる。
【0015】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。
【0016】
【作用】本発明で良好な効果が達成される機構は必ずし
も明らかではないが、電極中に陽イオン交換膜と同等の
特性を有するパーフルオロスルホン酸ポリマーを分散し
含有させることにより、電極との接触を確実にして電極
反応の効率が高められると考えられる。
【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1.1ミリ当量/g乾燥樹脂の共重合体を
得た。この共重合体の一部を220℃で押し出し製膜
し、厚さ100μmのフィルムを得た。
【0018】上記の共重合体フィルムを、ジメチルスル
ホキシド30重量%、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】上で得られたイオン交換容量1.1ミリ当
量/g乾燥樹脂の粉体を上記と同様な処理を施し酸型の
ポリマーを得た。通常の既知の手法に従って、水とエタ
ノールとの重量比が1:1の混合溶媒であるパーフルオ
ロスルホン酸ポリマー溶液を得た。
【0020】白金触媒微粒子を担持させたカーボンブラ
ックに、パーフルオロスルホン酸ポリマー溶液を混合し
た後、乾燥し、パーフルオロスルホン酸ポリマーでコー
ティングされた白金触媒担持のカーボンブラックを得
た。パーフルオロスルホン酸ポリマーはカーボンブラッ
クに対し10重量%混合したことになる。
【0021】上記の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。この
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1
cm2 当たり1mgであった。
【0022】次に、膜電極接合体をチタン製の集電体、
ポリテトラフルオロエチレン(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9c
2の燃料電池を組み上げた セルの温度を60℃に保
ち、正極に酸素、負極に水素をそれぞれ1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0.4A/cm2 でセル電圧0.70Vであっ
た。
【0023】比較例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0.9ミリ当量/g乾燥樹脂の共重合体を
得た。この共重合体をを実施例1と同様な処理を施し酸
型のポリマーを得た。次に通常の既知の手法に従って、
水とエタノールとの重量比が1:1の混合溶媒であるパ
ーフルオロスルホン酸ポリマー溶液を得た。
【0024】実施例1において、白金触媒担持のカーボ
ンブラックに上記のパーフルオロスルホン酸ポリマー溶
液で処理することを除いて、同様の手法により厚さ25
0μmのシート状のガス拡散電極を作製した。
【0025】実施例1と同一なイオン交換容量1.1ミ
リ当量/g乾燥樹脂の陽イオン交換膜を用い、同様な方
法により膜電極接合体を作製し燃料電池を組み上げた
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0.4A/cm2 でセル電圧0.65
Vであった。
【0026】上記の結果からわかるように、実施例1の
ガス拡散電極は比較例1の電極に比べ、燃料電池を組み
上げたときのエネルギー損失が小さい。
【0027】
【発明の効果】ガス拡散電極中に、パーフルオロスルホ
ン酸ポリマーを分散、含有させることにより、エネルギ
ー損失が小さい高性能の固体高分子電解質型燃料電池が
得られる。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】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を固体高分子電解質型
    とする燃料電池において、上記陽イオン交換膜の表面に
    密着されるガス拡散電極中に、イオン交換容量が0.9
    5〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂のパーフルオロスルホ
    ン酸ポリマーが分散し含有される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】ガス拡散電極中に、イオン交換容量が0.
    95〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂のパーフルオロスル
    ホン酸ポリマーの粉末が分散し含有される請求項1の固
    体高分子電解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】ガス拡散電極中に、イオン交換容量が0.
    95〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂のパーフルオロスル
    ホン酸ポリマーで予めコーティングされたカーボンブラ
    ック粉末が分散し含有される請求項1の固体高分子電解
    質型燃料電池。
  4. 【請求項4】パーフルオロスルホン酸ポリマーがCF2
    =CF2 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)との共重合体である請求項1,2又は3の固体高
    分子電解質型燃料電池。
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