JP6785405B2 - Electrolyte membrane and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、電気自動車用電源及びポータブル電源等に使用される電解質膜及び燃料電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane and a fuel cell used in a home cogeneration system, a power source for an electric vehicle, a portable power source, and the like.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池として、高分子から構成される電解質膜を備えた固定高分子形燃料電池が知られている。 As a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a fixed polymer fuel cell provided with an electrolyte membrane composed of a polymer is known.
従来、高分子から構成される電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系高分子膜からなる第1の電解質層と、スルホン酸基を有するフッ素系高分子膜に触媒として白金を担持したカーボン材を含有した第2の電解質層を接合して構成している。 Conventionally, an electrolyte membrane composed of a polymer is a carbon material in which a first electrolyte layer made of a fluorine-based polymer film having a sulfonic acid group and platinum are supported as a catalyst on the fluorine-based polymer film having a sulfonic acid group. It is configured by joining a second electrolyte layer containing.
また、この種の燃料電池は、上述した構成を有する電解質膜の両主面に触媒層とガス拡散層を配置し、その外側に反応ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス供給溝を設けたセパレータを配置した構成である(例えば、特許文献1参照)。 Further, in this type of fuel cell, a catalyst layer and a gas diffusion layer are arranged on both main surfaces of an electrolyte membrane having the above-described configuration, and a gas for supplying a fuel gas as a reaction gas and an oxidizing agent gas to the outside thereof. It has a configuration in which a separator provided with a supply groove is arranged (see, for example, Patent Document 1).
図9は、特許文献1に記載された従来の電解質膜及び燃料電池並びに燃料電池に組み込む単位電池を示す構成図である。 FIG. 9 is a configuration diagram showing a conventional electrolyte membrane and a fuel cell described in Patent Document 1 and a unit battery incorporated in the fuel cell.
図9(a)に示すように、電解質膜90は、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子膜からなる第1の電解質層90aと、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子膜を主成分とし、白金90cを担持したカーボン材90dを含有してなる第2の電解質層90bを接合した構成である。
As shown in FIG. 9A, the
また、図9(b)に示すように、燃料電池91は、単位電池92を複数枚積み重ねた積層体を、単位電池92の積層体の両外側に配置した端板93で挟んだ構成である。図9(c)に示すように、単位電池92は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
Further, as shown in FIG. 9B, the
電解質膜−電極接合体は、上記構成の電解質膜90と、電解質膜90の両主面にそれぞれ形成されるアノード触媒層94及びカソード触媒層95と、アノード触媒層94に接して配置されるアノードガス拡散層96と、カソード触媒層95に接して配置されるカソードガス拡散層97を備える。アノード触媒層94とアノードガス拡散層96とでアノードが構成され、カソード触媒層95とカソードガス拡散層97とでカソードが構成される。
The electrolyte membrane-electrode junction is an anode arranged in contact with the
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノード触媒層94に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝を設けたアノードセパレータ98と、カソード触媒層95に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝を設けたカソードセパレータ99である。
The pair of separators arranged on both outer sides of the electrolyte membrane-electrode assembly are an
上記構成を備える燃料電池91において、アノードセパレータ98の燃料ガス供給溝とカソードセパレータ99の酸化剤ガス供給溝に、反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスを供給すると、単位電池92のアノードでは、式(1)に示す電気化学反応が進行し、カソードでは、式(2)に示す電気化学反応が進行し、アノードとカソードの電極間で起電力が生じる。
In the
アノード:2H2 →4H++ 4e− ・・・(1)
カソード:O2 +4H++ 4e− → 2H2O ・・・(2)
アノードでは、式(1)に示すように、供給した燃料ガス中の水素を水素イオンと電子に解離する。その際、水素イオンは電解質膜90を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソードに移動する。
Anode: 2H 2 → 4H + + 4e - ··· (1)
Cathode: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O ··· (2)
At the anode, as shown in the formula (1), hydrogen in the supplied fuel gas is dissociated into hydrogen ions and electrons. At that time, hydrogen ions pass through the
一方、カソードでは、式(2)に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と、上述した水素イオン及び電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり、電力を供給することができる。 On the other hand, at the cathode, as shown in the formula (2), oxygen in the supplied oxidant gas reacts with the above-mentioned hydrogen ions and electrons to generate water. At this time, the electrons passing through the external circuit become an electric current, and electric power can be supplied.
なお、式(1)、(2)の反応により生成した水は、燃料電池91で消費されなかった反応ガスとともに燃料電池91の外部に排出される。
The water generated by the reactions of the formulas (1) and (2) is discharged to the outside of the
ここで、電解質膜90は、水分を含んでいる場合は良好な水素イオン伝導性を示すが、乾燥している場合は水素イオン伝導性が著しく低下する性質を有する。このため、電解質膜90を湿潤状態に保つ必要がある。
Here, the
電解質膜90の水分を多くすると反応ガスが電解質膜90を透過し易くなり、対極への反応ガスの透過量が多くなる。電解質膜90を介した反応ガスの透過は燃料電池91の電池電圧の低下を招くことから、電解質膜90を介した反応ガスの透過を防止することが必要になる。
When the water content of the
そのために、上述した構成を有する従来の電解質膜90においては、第2の電解質層90bに含有したカーボン材90dに担持した白金90c上において、アノードから透過してきた水素と、カソードから透過してきた酸素とを反応させて水にして消費することにより、電解質膜90を介した反応ガスの透過を抑制している。
Therefore, in the
しかしながら、上記従来の構成では、反応ガスの透過を抑制するには第2の電解質層90b内の触媒量を一定濃度以上にするため、第2の電解質層90bに多量の触媒を分散する必要があり、第2の電解質層90bに多量の触媒を分散すると、電解質膜90の電気絶縁性が低下して電気的に短絡し、燃料電池91の電池電圧が低下するという課題を有していた。
However, in the above-mentioned conventional configuration, in order to suppress the permeation of the reaction gas, it is necessary to disperse a large amount of catalyst in the
また、電解質膜90の内部で燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することになるので、水素の消費が増えると共に、反応熱によって電解質膜90の劣化が促進されるという課題を有していた。
Further, since the fuel gas and the oxidant gas react inside the
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電解質膜を介した反応ガスの透過を抑制し、燃料電池の電池電圧の低下と電解質膜の経年的な劣化を抑制し、高い電池電圧を長期に亘って維持する耐久性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, suppresses the permeation of the reaction gas through the electrolyte membrane, suppresses a decrease in the battery voltage of the fuel cell and aged deterioration of the electrolyte membrane, and achieves a high battery voltage. An object of the present invention is to provide a fuel cell having excellent durability that can be maintained for a long period of time.
上記従来の課題を解決するために、本発明の電解質膜は、水素イオン伝導性を有し、塩置換率が1%未満の高分子からなる膜をラビング処理してなる電解質膜であって、高分子の主鎖が電解質膜の主面に略平行な複数の方向に配向している配向層を、前記電解質膜の両主面の表面にのみ有する電解質膜である。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane obtained by rubbing a membrane made of a polymer having hydrogen ion conductivity and a salt substitution rate of less than 1%. This is an electrolyte membrane having alignment layers in which the main chains of the polymer are oriented in a plurality of directions substantially parallel to the main surface of the electrolyte membrane only on the surfaces of both main surfaces of the electrolyte membrane.
これによって、電解質膜の配向層において、電解質膜を構成する高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少することにより、電解質膜のガス遮断性が向上するので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を低減することができる。 As a result, in the alignment layer of the electrolyte membrane, the interaction between the molecular chains of the polymers constituting the electrolyte membrane is increased and the free volume is reduced, so that the gas blocking property of the electrolyte membrane is improved. The permeation amount of the reaction gas through the membrane can be reduced.
また、本発明の燃料電池は、上述した本発明に係る電解質膜を挟んで両主面に配置されるアノード及びカソードを有する燃料電池である。 Further, the fuel cell of the present invention is a fuel cell having an anode and a cathode arranged on both main surfaces with the electrolyte membrane according to the present invention described above interposed therebetween.
これによって、電解質膜がガス遮断性に優れるので、燃料電池に供給する反応ガスが電解質膜を透過して直接反応することを防止することができ、燃料電池の電池電圧の低下を防止し、また電解質膜の経年的な劣化を防止することができる。 As a result, since the electrolyte membrane has excellent gas blocking properties, it is possible to prevent the reaction gas supplied to the fuel cell from penetrating the electrolyte membrane and reacting directly, thereby preventing a decrease in the battery voltage of the fuel cell and also. It is possible to prevent the electrolyte membrane from deteriorating over time.
本発明の電解質膜は、ガス遮断性に優れるので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を大幅に低減することができる。また、本発明の燃料電池は、ガス遮断性に優れる電解質膜を使用しているので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を格段に低減することができ、高い電池電圧を長期に亘って維持することができる。 Since the electrolyte membrane of the present invention is excellent in gas blocking property, the amount of the reaction gas permeated through the electrolyte membrane can be significantly reduced. Further, since the fuel cell of the present invention uses an electrolyte membrane having excellent gas blocking property, the permeation amount of the reaction gas through the electrolyte membrane can be remarkably reduced, and a high battery voltage can be maintained for a long period of time. Can be maintained.
第1の発明は、高分子を含む電解質膜であって、高分子の主鎖が電解質膜の主面に略平行な方向に配向している配向層を有する電解質膜である。 The first invention is an electrolyte membrane containing a polymer, which has an alignment layer in which the main chain of the polymer is oriented in a direction substantially parallel to the main surface of the electrolyte membrane.
この構成により、電解質膜の配向層において、電解質膜を構成する高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少することにより、電解質膜のガス遮断性が向上するので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を低減することができる。 With this configuration, in the alignment layer of the electrolyte membrane, the interaction between the molecular chains of the polymers constituting the electrolyte membrane is increased and the free volume is reduced, so that the gas blocking property of the electrolyte membrane is improved, so that the electrolyte membrane is improved. The permeation amount of the reaction gas via the above can be reduced.
第2の発明は、特に、第1の発明の配向層を、高分子の主鎖が電解質膜の主面に略平行な複数の方向に配向している配向層とした電解質膜である。 The second invention is, in particular, an electrolyte membrane in which the orientation layer of the first invention is an alignment layer in which the main chain of the polymer is oriented in a plurality of directions substantially parallel to the main surface of the electrolyte membrane.
この構成により、電解質膜の配向層において、電解質膜を構成する高分子の自由体積がより減少し、電解質膜のガス遮断性が大幅に向上するので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を格段に低減することができる。 With this configuration, in the alignment layer of the electrolyte membrane, the free volume of the polymer constituting the electrolyte membrane is further reduced, and the gas blocking property of the electrolyte membrane is significantly improved, so that the amount of reaction gas permeated through the electrolyte membrane can be reduced. It can be significantly reduced.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明の高分子を、水素イオン伝導性を有している高分子とした電解質膜である。 The third invention is, in particular, an electrolyte membrane in which the polymer of the first or second invention is a polymer having hydrogen ion conductivity.
この構成により、特に、水素を燃料とした燃料電池の電解質膜に利用した場合、良好な水素イオン伝導性を示すので、燃料電池の電池電圧を高くすることができる。 With this configuration, particularly when it is used for an electrolyte membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, it exhibits good hydrogen ion conductivity, so that the battery voltage of the fuel cell can be increased.
第4の発明は、第1から第3のいずれか一つの発明に係る電解質膜と、該電解質膜を挟んで両主面に配置されるアノード及びカソードを有する燃料電池である。 A fourth invention is a fuel cell having an electrolyte membrane according to any one of the first to third inventions, and an anode and a cathode arranged on both main surfaces with the electrolyte membrane interposed therebetween.
この構成により、燃料電池に供給する反応ガスの電解質膜を介した透過量が減少し、反応ガスが直接反応することを防止することができるので、燃料電池の電池電圧の低下を防止し、また、電解質膜の経年的な劣化を防止することができる。 With this configuration, the amount of the reaction gas supplied to the fuel cell permeated through the electrolyte membrane is reduced, and the reaction gas can be prevented from reacting directly. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the battery voltage of the fuel cell, and also , It is possible to prevent the deterioration of the electrolyte membrane over time.
第5の発明は、特に、第4の発明のアノードを、電解質膜の配向層と接して配置した燃料電池である。 The fifth invention is, in particular, a fuel cell in which the anode of the fourth invention is arranged in contact with the alignment layer of the electrolyte membrane.
この構成により、分子径が小さく透過性が高い水素等の燃料ガスを用いた場合であっても、電解質膜を介した燃料ガスの透過量が減少し、反応ガスが直接反応することを防止することができるので、燃料電池の電池電圧の低下を防止し、また、電解質膜の経年的な劣化を防止することができる。 With this configuration, even when a fuel gas such as hydrogen having a small molecular diameter and high permeability is used, the permeation amount of the fuel gas through the electrolyte membrane is reduced, and the reaction gas is prevented from directly reacting. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the battery voltage of the fuel cell and prevent aged deterioration of the electrolyte membrane.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment.
(実施の形態1)
図1(a)は、本発明の実施の形態1における電解質膜の概略を示す構成図であり、図1(b)は、本発明の実施の形態1における燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図である。また、図2は、本発明の実施の形態1における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a configuration diagram showing an outline of the electrolyte membrane according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an outline of a unit battery incorporated in the fuel cell according to the first embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows. Further, FIG. 2 is a schematic view showing a method for producing an electrolyte membrane having an orientation layer according to the first embodiment of the present invention.
図1(a)において、電解質膜10は、電解質膜10を構成する高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向した配向層10aと、電解質膜10を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した非配向層10bから構成されている。
In FIG. 1A, the
また、図1(b)において、燃料電池に組み込む単位電池11は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
Further, in FIG. 1B, the
電解質膜−電極接合体は、電解質膜10と、電解質膜10の一方の主面に形成されるアノード触媒層12と、電解質膜10の他方の主面に形成されるカソード触媒層13と、アノード触媒層12及びカソード触媒層13の外側に配置されるアノードガス拡散層14及びカソードガス拡散層15を備える。
The electrolyte membrane-electrode junction includes an
アノード触媒層12とアノードガス拡散層14とでアノードが構成され、カソード触媒層13とカソードガス拡散層15とでカソードが構成される。
The
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノードガス拡散層
14の外側に配置されたアノードセパレータ16と、カソードガス拡散層15の外側に配置されたカソードセパレータ17である。
The pair of separators arranged on both outer sides of the electrolyte membrane-electrode assembly are the
以上のように構成された電解質膜10と単位電池11について、以下その構成材料について具体的に説明する。
The
電解質膜10は、水素イオン伝導性を有する高分子で構成され、具体的には、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成されている。
The
アノード触媒層12及びカソード触媒層13は、白金または白金合金を担持した炭素粒子からなる触媒粉末と電解質を含んで構成されている。
The
アノードガス拡散層14及びカソードガス拡散層15は、ガス通気性と電子伝導性を併せ持つ、導電性カーボンペーパーから構成されている。
The anode
アノードセパレータ16及びカソードセパレータ17は、樹脂を含浸した黒鉛板から構成され、その表面には反応ガスを通流するためのガス供給溝が形成されている。
The
次に、本実施の形態に係る電解質膜10及び燃料電池の発明のポイントである、配向層10aを有する電解質膜10を作製する方法について、図2を参照しながら説明する。なお、図2において、図1と同一の構成要素には同一符号を付与する。
Next, a method for producing the
図2に示すように、配向層10aを有する電解質膜10の作製は、以下の手順により行う。まず、配向層を有していない電解質膜23を用意し、吸着機構を備えた吸着板20に固定する(図2(a))。
As shown in FIG. 2, the
次に、布21を貼り付けたローラー22を電解質膜23に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜23を固定した吸着板20を一定の方向に所定の速度で移動させることにより、電解質膜23の表面を擦る(図2(b))。
Next, in a state where the
この操作により、電解質膜23の一方の主面に電解質膜23を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層10aを形成する(以下、電解質膜を構成する高分子の主鎖が配向している方向を示す軸を配向軸という)。
By this operation, an
ここで、押込み量とは、電解質膜23の表面に対してローラー22の位置を変動させた場合において、ローラー22に貼り付けた布21の毛先が最初に電解質膜23の表面に接した位置を原点とし、当該原点から電解質膜23に向けてローラー22を押込んだ変動量をいう。
Here, the pushing amount is the position where the bristles of the
以上の一連の操作により、配向層を有していない電解質膜23の一方の主面に電解質膜23を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層10aを形成することで、一方の主面において、主面に略平行な配向軸が一本形成された配向層10aを有する電解質膜10が得られる。
By the above series of operations, the main chain of the polymer constituting the
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜10が、電解質膜10を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層10aを有することにより、配向層10aにおいて、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、電解質膜10を介した反応ガスの透過量を低減することができる。
As described above, in the present embodiment, the
また、本実施の形態においては、配向層10aを有し反応ガスの遮断性に優れた電解質膜10を使用することにより、反応ガスの透過量を低減した燃料電池を提供することができる。
Further, in the present embodiment, by using the
このような燃料電池は、電解質膜10を介した反応ガスの透過量が減少し、また、電解質膜10の内部での反応ガスの反応が抑制されて電解質膜10の経年的な劣化を抑制することができるため、燃料電池の電池電圧の低下を抑制することができる。
In such a fuel cell, the permeation amount of the reaction gas through the
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。なお、電解質膜の諸物性の評価方法及び燃料電池に組み込む単位電池の電池性能の評価方法を以下に示す。 Hereinafter, the electrolyte membrane and the fuel cell according to the present embodiment will be described in more detail based on specific examples, but the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific raw materials and the like used below. is not. The method for evaluating various physical properties of the electrolyte membrane and the method for evaluating the battery performance of the unit battery incorporated in the fuel cell are shown below.
(1)複屈折及び面配向係数
位相差フィルム光学材料検査装置(大塚電子(株)製:型式RETS−100)を用いて、電解質膜の配向軸の方向の屈折率nx、それに対し面内垂直方向の屈折率ny、及び厚み方向の屈折率nzを測定し、得られた値から、
Δn=nx−ny
ΔP=(nx+ny)/2−nz
の計算式により、電解質膜の複屈折Δnと面配向係数ΔPを算出した。
(1) Birefringence and plane orientation coefficient Using a retardation film optical material inspection device (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd .: model RETS-100), the refractive index nx in the direction of the orientation axis of the electrolyte film, and in-plane perpendicular to it. The refractive index ny in the direction and the refractive index nz in the thickness direction were measured, and from the obtained values,
Δn = nx-ny
ΔP = (nx + ny) /2-nz
The birefringence Δn and the plane orientation coefficient ΔP of the electrolyte membrane were calculated by the above formulas.
(2)水素透過量
電解質膜の両主面にガスをそれぞれ供給及び排出できる治具に電解質膜を固定し、電解質膜の一方の主面には水素を、他方の主面には窒素をそれぞれ供給し、排出される窒素の中に含まれる水素の量を気体分析装置((株)島津製作所:型式GC−8A)を用いて定量することにより、水素の供給側から窒素の供給側に透過する水素の量(以下、水素透過量Vhという)を評価した。
(2) Amount of hydrogen permeation The electrolyte membrane is fixed to a jig that can supply and discharge gas to both main surfaces of the electrolyte membrane, and hydrogen is supplied to one main surface of the electrolyte membrane and nitrogen is supplied to the other main surface. By quantifying the amount of hydrogen contained in the supplied and discharged nitrogen using a gas analyzer (Shimadzu Seisakusho Co., Ltd .: Model GC-8A), it permeates from the hydrogen supply side to the nitrogen supply side. The amount of hydrogen produced (hereinafter referred to as hydrogen permeation amount Vh) was evaluated.
なお、このときの水素と窒素はいずれも室温で乾燥状態のガスとし、流量は共に0.3L/minとした。 At this time, both hydrogen and nitrogen were gas in a dry state at room temperature, and the flow rates were both 0.3 L / min.
(3)電池性能
単位電池のアノードセパレータのガス供給溝に二酸化炭素25%及び一酸化炭素50ppmを含む水素を流し、カソードセパレータのガス供給溝には空気を流し、電池温度を80℃、燃料利用率を80%、空気利用率を40%、水素の露点を75℃、空気の露点を60℃に設定し、電流密度0.2A/cm2において連続して発電させたときの初期の電池電圧と、2000時間経過後の電池電圧を測定した。
(3) Battery performance Hydrogen containing 25% carbon dioxide and 50 ppm carbon monoxide flows through the gas supply groove of the anode separator of the unit battery, air flows through the gas supply groove of the cathode separator, the battery temperature is 80 ° C, and fuel is used. The initial battery voltage when the rate is set to 80%, the air utilization rate is 40%, the hydrogen dew point is set to 75 ° C, the air dew point is set to 60 ° C, and continuous power is generated at a current density of 0.2 A / cm 2 . The battery voltage was measured after 2000 hours had passed.
(実施例1)
(1)電解質膜の作製
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製)を用意し、吸着板に吸着して固定した。
(Example 1)
(1) Preparation of Electrolyte Membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd.) was prepared as an electrolyte membrane having no alignment layer, and was adsorbed and fixed on an adsorption plate.
続いて、表面に布((株)長沼ゲージ製作所製、品種:CFT055)を貼り付けたローラーを、ナフィオン112の一方の主面に押込み量1mmで押し込んだ状態で、回転数10s−1で回転させ、吸着板を5mm/sの速度で一方向に移動させて、ナフィオン112の一方の主面を一方向に擦って、ナフィオン112の一方の主面に配向軸が一本の配向層を有するナフィオン112(以下、電解質膜Aという)を作製した。 Subsequently, a roller having a cloth (manufactured by Naganuma Gauge Mfg. Co., Ltd., product type: CFT055) attached to the surface is pushed into one main surface of the Nafion 112 with a pushing amount of 1 mm, and is rotated at a rotation speed of 10s -1 . Then, the adsorption plate is moved in one direction at a speed of 5 mm / s, and one main surface of the Nafion 112 is rubbed in one direction, and the one main surface of the Nafion 112 has an alignment layer having one alignment axis. Nafion 112 (hereinafter referred to as electrolyte membrane A) was prepared.
こうして作製した電解質膜Aの複屈折Δnと面配向係数ΔP及び水素透過量Vhを上述
した評価方法により評価したところ、電解質膜Aの複屈折Δn、面配向係数ΔP、水素透過量Vhは、(表1)に示す通りであり、電解質膜Aは、複屈折Δn、面配向係数ΔPは大きな値を示し、高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向したものであり、また、電解質膜Aは、水素の透過量が少なく、良好な水素遮断性を示した。
When the birefringence Δn, the surface orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane A thus produced were evaluated by the above-mentioned evaluation method, the birefringence Δn, the surface orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane A were (1). As shown in Table 1), the electrolyte membrane A has a birefringence Δn and a plane orientation coefficient ΔP showing large values, and the main chain of the polymer is regularly oriented in a certain direction, and the electrolyte. Membrane A had a small amount of hydrogen permeation and showed good hydrogen blocking property.
(2)単位電池の作製
以下の手順により、電解質膜Aを用いた単位電池を作製した。
(2) Preparation of unit battery A unit battery using the electrolyte membrane A was prepared by the following procedure.
a.アノード触媒の作製
触媒粉末として、白金とルテニウムを担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC66E50)15重量部、電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ社製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とエタノール65重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、触媒組成物(以下、触媒組成物aという)を作製した。
a. Preparation of
b.カソード触媒の作製
触媒粉末として、白金を担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC10E50E)15重量部、電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ社製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とエタノール65重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、触媒組成物(以下、触媒組成物bという)を作製した。
b. Preparation of
c.電解質膜−電極接合体の作製
電解質膜Aの一方の主面には触媒組成物aを、他方の主面には触媒組成物bを、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業(株)製、製品名:DP−320)を用いて、スクリーン印刷法により塗布した。
c. Fabrication of Electrolyte Membrane-Electrolyte Assembly A catalyst composition a is placed on one main surface of the electrolyte membrane A, and a catalyst composition b is placed on the other main surface of a screen printing machine (manufactured by Neurongue Precision Industry Co., Ltd.). Name: DP-320) was applied by the screen printing method.
続いて、上述した触媒組成物a、bが塗布された電解質膜Aを80℃の恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、触媒組成物a、bから分散媒を加熱乾燥により除去した後、室温に2時間放置して、電解質膜Aの両主面にアノード触媒層及びカソード触媒層を形成し電解質膜−触媒層接合体を作製した。 Subsequently, the electrolyte membrane A coated with the catalyst compositions a and b described above is left in a thermostat at 80 ° C. (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., model number: DKM300) for 1 hour to cause the catalyst compositions a and b. After removing the dispersion medium from the above by heating and drying, the mixture was left at room temperature for 2 hours to form an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer on both main surfaces of the electrolyte membrane A to prepare an electrolyte membrane-catalyst layer conjugate.
d.単位電池の作製
まず、カーボンペーパー(東レ(株)製、製品名:TGP−H−120)にアセチレンブラックとポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン(ダイキン工業(株)製、製品名:D−1)及び純水の混合物を塗布して、350℃で2時間加熱してガス拡散層を作製した。
d. Manufacture of unit battery First, a dispersion of acetylene black and polytetrafluoroethylene on carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., product name: TGP-H-120) (manufactured by Daikin Industries, Ltd., product name: D-1) A mixture of pure water and pure water was applied and heated at 350 ° C. for 2 hours to prepare a gas diffusion layer.
続いて、上述した手順により作製した電解質膜−触媒層接合体の両主面に上述したガス拡散層を配置して電解質膜−電極接合体とした後、電解質膜−電極接合体とガス拡散層の外周部にシリコーン樹脂からなるガスケット(クレハエラストマー(株)製、品番:SB50NJP)を接合し、さらに、表面にガス供給溝を形成した樹脂含浸黒鉛板から構成したセパレータを両ガス拡散層の外側に配置して、単位電池(以下、単位電池Aという)を作製した。 Subsequently, the above-mentioned gas diffusion layers are arranged on both main surfaces of the electrolyte membrane-catalyst layer assembly prepared by the above procedure to form an electrolyte membrane-electrode assembly, and then the electrolyte membrane-electrode assembly and the gas diffusion layer. A gasket made of silicone resin (manufactured by Kureha Electrolyte Co., Ltd., product number: SB50NJP) is bonded to the outer periphery of the surface, and a separator composed of a resin-impregnated graphite plate having a gas supply groove formed on the surface is attached to the outside of both gas diffusion layers. A unit battery (hereinafter referred to as unit battery A) was produced.
こうして作製した単位電池Aの電池性能を上述した評価方法により評価したところ、単位電池Aの電池電圧は(表1)に示す通りであり、単位電池Aは、初期において高い電池電圧を示し、2000時間経過後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示し
た。
When the battery performance of the unit battery A thus produced was evaluated by the above-mentioned evaluation method, the battery voltage of the unit battery A was as shown in (Table 1), and the unit battery A showed a high battery voltage at the initial stage and was 2000. There was no decrease in battery voltage even after the lapse of time, showing excellent durability.
(実施の形態2)
図3(a)は、本発明の実施の形態2における電解質膜の概略を示す構成図であり、図3(b)は、本発明の実施の形態2おける燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図である。また、図4は、本発明の実施の形態2における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図である。
(Embodiment 2)
FIG. 3A is a configuration diagram showing an outline of the electrolyte membrane according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is an outline of a unit battery incorporated in the fuel cell according to the second embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows. Further, FIG. 4 is a schematic view showing a method for producing an electrolyte membrane having an orientation layer according to the second embodiment of the present invention.
図3(a)において、本実施の形態の電解質膜30は、配向層30aを電解質膜30の両主面に有する点で、実施の形態1の電解質膜10とは異なる。また、図3(b)において、本実施の形態の燃料電池に組み込む単位電池31は、両主面に配向層30aを有する電解質膜30を用いた点で、実施の形態1の単位電池11とは異なる。
In FIG. 3A, the
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池に組み込む単位電池の構成について、図3を参照しながら説明する。なお、図3において、図1と同一の構成要素は同一符号を付与し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the configuration of the electrolyte membrane and the unit battery incorporated in the fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the same components as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
図3(a)において、電解質膜30は、電解質膜30を構成する高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向した配向層30aと、電解質膜30を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した非配向層30bとから構成されている。
In FIG. 3A, the
ここで、電解質膜30は、水素イオン伝導性を有する高分子で構成され、具体的には、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成されている。
Here, the
また、図3(b)において、燃料電池に組み込む単位電池31は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
Further, in FIG. 3B, the
電解質膜−電極接合体は、電解質膜30と、電解質膜30の一方の主面に形成されるアノード触媒層12と、電解質膜30の他方の主面に形成されるカソード触媒層13と、アノード触媒層12及びカソード触媒層13の外側に配置されるアノードガス拡散層14及びカソードガス拡散層15を備える。
The electrolyte membrane-electrode junction includes an
アノード触媒層12とアノードガス拡散層14とでアノードが構成され、カソード触媒層13とカソードガス拡散層15とでカソードが構成される。
The
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノードガス拡散層14の外側に配置されたアノードセパレータ16と、カソードガス拡散層15の外側に配置されたカソードセパレータ17である。
The pair of separators arranged on both outer sides of the electrolyte membrane-electrode assembly are the
次に、本実施の形態に係る電解質膜30及び燃料電池の発明のポイントである、配向層30aを有する電解質膜30を作製する方法について、図4を参照しながら説明する。なお、図4において、図2、図3と同一の構成要素は同一符号を付与する。
Next, a method for producing the
図4に示すように、配向層30aを有する電解質膜30の作製は、以下の手順により行う。まず、配向層を有していない電解質膜23を用意し、吸着機構を備えた吸着板20に固定する(図4(a))。
As shown in FIG. 4, the
次に、布21を貼り付けたローラー22を電解質膜23の一方の主面に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜23を固定した吸着板
20を一定の方向に所定の速度で移動させることで、電解質膜23の一方の表面を擦る(図4(b))。
Next, in a state where the
この操作により、電解質膜23の一方の主面に電解質膜を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層30aを形成する(図4(c))。
By this operation, an
続いて、電解質膜23を裏返し、電解質膜23の他方の主面を上向きにして吸着板20に固定した後、布21を取り付けたローラー22を電解質膜23の他方の主面に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜23を固定した吸着板20を一定の方向に所定の速度で移動させることで、電解質膜23の他方の主面を擦る(図4(d))。
Subsequently, the
この操作により、電解質膜23の他方の主面にも電解質膜を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層30aを形成する(図4(e))。
By this operation, an
ここで、押込み量とは、電解質膜23の表面に対してローラー22の位置を変動させた場合において、ローラー22に貼り付けた布21の毛先が最初に電解質膜23の表面に接した位置を原点とし、当該原点から電解質膜23に向けてローラー22を押込んだ変動量をいう。
Here, the pushing amount is the position where the bristles of the
以上の一連の操作により、電解質膜23の両主面に電解質膜23を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層30aを形成することで、両主面において、主面に略平行な配向軸が一本形成された配向層30aを有する電解質膜30が得られる。
By the above series of operations, an
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜30が電解質膜30を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層30aを両主面に有することにより、配向層30aにおいて、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、電解質膜30を介した反応ガスの透過量を低減することができる。
As described above, in the present embodiment, both main surfaces of the
また、本実施の形態においては、配向層30aを有し反応ガスの遮断性に優れた電解質膜30を使用することにより、反応ガスの透過量を低減した燃料電池を提供することができる。
Further, in the present embodiment, by using the
このような燃料電池は、電解質膜30を介した反応ガスの透過量が減少し、また、電解質膜30の内部での反応ガスの反応が抑制されて電解質膜30の経年的な劣化を抑制することができるため、燃料電池の電池電圧の低下を抑制することができる。
In such a fuel cell, the permeation amount of the reaction gas through the
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。 Hereinafter, the electrolyte membrane and the fuel cell according to the present embodiment will be described in more detail based on specific examples, but the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific raw materials and the like used below. is not.
(実施例2)
(1)電解質膜の作製
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製)を用意し、吸着板に吸着して固定した。
(Example 2)
(1) Preparation of Electrolyte Membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd.) was prepared as an electrolyte membrane having no alignment layer, and was adsorbed and fixed on an adsorption plate.
続いて、表面に布((株)長沼ゲージ製作所製、品種:CFT055)を貼り付けたローラーを、ナフィオン112の一方の主面に押込み量1mmで押し込んだ状態で、回転数10s−1で回転させ、吸着板を5mm/sの速度で一方向に移動させて、ナフィオン1
12の一方の主面を一方向に擦って、ナフィオン112一方の主面に配向軸が一本の配向層を形成した。
Subsequently, a roller having a cloth (manufactured by Naganuma Gauge Mfg. Co., Ltd., product type: CFT055) attached to the surface is pushed into one main surface of the Nafion 112 with a pushing amount of 1 mm, and is rotated at a rotation speed of 10 s -1 . Then, the suction plate is moved in one direction at a speed of 5 mm / s, and Nafion 1
One main surface of 12 was rubbed in one direction to form an alignment layer having one orientation axis on one main surface of Nafion 112.
次に、ナフィオン112を裏返し、ナフィオン112の他方の主面が上向きになるように吸着板に固定した後、上述したローラーと同一のローラーを用いて、ローラーの押し込み量と回転数及び吸着板の移動速度は上述した各条件と同一の条件でナフィオン112の他方の主面を一方向に擦って、両主面に配向軸が一本の配向層を有するナフィオン112(以下、電解質膜Bという)を作製した。 Next, the Nafion 112 is turned over and fixed to the suction plate so that the other main surface of the Nafion 112 faces upward, and then the pushing amount and the number of rotations of the rollers and the suction plate are determined by using the same roller as the above-mentioned roller. The movement speed is the same as each of the above-mentioned conditions, and the other main surface of the Nafion 112 is rubbed in one direction, and the Nafion 112 having one alignment layer on both main surfaces (hereinafter referred to as electrolyte membrane B). Was produced.
こうして作製した電解質膜Bの複屈折Δnと面配向係数ΔP及び水素透過量Vhを上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、電解質膜Bの複屈折Δn、面配向係数ΔP、水素透過量Vhは(表1)に示す通りであり、電解質膜Bは、複屈折Δn、面配向係数ΔPは大きな値を示し、高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向したものであり、また、電解質膜Bは、水素の透過量が少なく、良好な水素遮断性を示した。 When the birefringence Δn, the plane orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane B thus produced were evaluated by the same evaluation method as the above-mentioned evaluation method, the birefringence Δn, the plane orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation of the electrolyte membrane B were evaluated. The amount Vh is as shown in (Table 1), the electrolyte membrane B shows large values of birefringence Δn and plane orientation coefficient ΔP, and the main chain of the polymer is regularly oriented in a certain direction. In addition, the electrolyte membrane B had a small amount of hydrogen permeation and showed good hydrogen blocking property.
(2)単位電池の作製
電解質膜Bを用いて、上述した実施例1(2)に記載した手順と同一の手順により単位電池(以下、単位電池Bという)を作製した。
(2) Preparation of Unit Battery Using the electrolyte membrane B, a unit battery (hereinafter referred to as unit battery B) was prepared by the same procedure as that described in Example 1 (2) described above.
こうして作製した単位電池Bの電池性能を上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、単位電池Bの電池電圧は(表1)に示す通りであり、単位電池Bは初期において高い電池電圧を示し、2000時間経過後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示した。 When the battery performance of the unit battery B thus produced was evaluated by the same evaluation method as the above-mentioned evaluation method, the battery voltage of the unit battery B is as shown in (Table 1), and the unit battery B has a high battery voltage at the initial stage. The battery voltage did not decrease even after 2000 hours, and the durability was excellent.
(実施の形態3)
図5(a)は、本発明の実施の形態3における電解質膜の概略を示す構成図であり、図5(b)は、本発明の実施の形態3おける燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図である。また、図6は、本発明の実施の形態3における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図である。
(Embodiment 3)
FIG. 5A is a configuration diagram showing an outline of the electrolyte membrane according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 5B is an outline of a unit battery incorporated in the fuel cell according to the third embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows. Further, FIG. 6 is a schematic view showing a method for producing an electrolyte membrane having an orientation layer according to the third embodiment of the present invention.
図5(a)において、本実施の形態の電解質膜50は、配向層50aにおける配向軸が2本である点で、実施の形態2の電解質膜30とは異なる。また、図5(b)において、本実施の形態の燃料電池に組み込む単位電池51は、両主面に配向軸が2本の配向層50aを有する電解質膜50を用いた点で、実施の形態2の単位電池30とは異なる。
In FIG. 5A, the
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池に組み込む単位電池の構成について、図5を参照しながら説明する。なお、図5において、図1と同一の構成要素は同一符号を付与して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the configuration of the electrolyte membrane and the unit battery incorporated in the fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the same components as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
図5(a)において、電解質膜50は、電解質膜50を構成する高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向した配向層50aと、電解質膜50を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した非配向層50bから構成されている。
In FIG. 5A, the
ここで、電解質膜50は、水素イオン伝導性を有する高分子で構成され、具体的には、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成されている。
Here, the
また、図5(b)において、燃料電池に組み込む単位電池51は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
Further, in FIG. 5B, the
電解質膜−電極接合体は、電解質膜50と、電解質膜50の一方の主面に形成されるアノード触媒層12と、電解質膜10の他方の主面に形成されるカソード触媒層13と、アノード触媒層12及びカソード触媒層13の外側に配置されるアノードガス拡散層14及びカソードガス拡散層15を備える。
The electrolyte membrane-electrode junction includes an
アノード触媒層12とアノードガス拡散層14とでアノードが構成され、カソード触媒層13とカソードガス拡散層15とでカソードが構成される。
The
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノードガス拡散層14の外側に配置されたアノードセパレータ16と、カソードガス拡散層15の外側に配置されたカソードセパレータ17である。
The pair of separators arranged on both outer sides of the electrolyte membrane-electrode assembly are the
次に、本実施の形態に係る電解質膜50及び燃料電池の発明のポイントである、配向層50aを有する電解質膜50を作製する方法について、図6を参照しながら説明する。なお、図6において、図2、図5と同一の構成要素は同一符号を付与する。
Next, a method for producing the
図6に示すように、配向層50aを有する電解質膜50の作製は、以下の手順により行う。まず、配向層を有していない電解質膜23を用意し、吸着機構を備えた吸着板20に固定する(図6(a))。
As shown in FIG. 6, the
次に、布21を貼り付けたローラー22を電解質膜23の一方の主面に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜23を固定した吸着板20を一定の方向に所定の速度で移動させることで、電解質膜23の一方の表面を擦る(図6(b))。
Next, in a state where the
この操作により、電解質膜23の一方の主面に電解質膜23を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している第1の配向軸を形成する(図6(c))。
By this operation, a first orientation axis is formed on one main surface of the
次に、第1の配向軸が形成された主面を上向きにし、かつ、吸着板20の移動方向が第1の配向軸の方向とは略垂直な方向になるように、吸着板20に電解質膜23を固定し、布21を取り付けたローラー22を電解質膜23の一方の主面に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜23を固定した吸着板20を一定の方向に所定の速度で移動させることで、電解質膜23の一方の主面を第1の配向軸の方向とは略垂直な方向に擦る(図6(d))。
Next, the electrolyte is placed on the
この操作により、電解質膜23の一方の主面に第2の配向軸を形成し、電解質膜23の一方の主面に配向軸が二本の配向層50aを形成する(図6(e))。
By this operation, a second orientation axis is formed on one main surface of the
続いて、電解質膜23を裏返し、電解質膜23の他方の主面にも図6(a)〜(e)と同じ操作を繰り返して、電解質膜23の他方の主面に第3の配向軸と第4の配向軸を形成し、電解質膜23の他方の主面にも配向軸が二本の配向層50aを形成する。
Subsequently, the
ここで、押込み量とは、電解質膜23の表面に対してローラー22の位置を変動させた場合において、ローラー22に貼り付けた布21の毛先が最初に電解質膜23の表面に接した位置を原点とし、当該原点から電解質膜23に向けてローラー22を押込んだ変動量をいう。
Here, the pushing amount is the position where the bristles of the
以上の一連の操作により、電解質膜23の両主面に電解質膜23を構成する高分子の主鎖が二方向に配向している配向層50aを形成することで、両主面において、主面に略平行な配向軸が二本形成された配向層50aを有する電解質膜50が得られる。
By forming the
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜50が電解質膜50を構成する高分子の主鎖が主面に略平行な2方向に配向している配向層50aを両主面に有することにより、配向層50aにおいて、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、電解質膜50を介した反応ガスの透過量を低減することができる。
As described above, in the present embodiment, the
また、本実施の形態においては、配向層50aを両主面に有し反応ガスの遮断性に優れた電解質膜50を使用することにより、反応ガスの透過量を低減した燃料電池を提供することができる。
Further, in the present embodiment, a fuel cell in which the permeation amount of the reaction gas is reduced is provided by using the
このような燃料電池は、電解質膜50を介した反応ガスの透過量が減少し、また、電解質膜50の内部での反応ガスの反応が抑制されて電解質膜50の経年的な劣化を抑制することができるため、燃料電池の電池電圧の低下を抑制することができる。
In such a fuel cell, the permeation amount of the reaction gas through the
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。 Hereinafter, the electrolyte membrane and the fuel cell according to the present embodiment will be described in more detail based on specific examples, but the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific raw materials and the like used below. is not.
(実施例3)
(1)電解質膜の作製
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製)を用意し、吸着板に吸着して固定した。
(Example 3)
(1) Preparation of Electrolyte Membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd.) was prepared as an electrolyte membrane having no alignment layer, and was adsorbed and fixed on an adsorption plate.
続いて、表面に布((株)長沼ゲージ製作所製、品種:CFT055)を貼り付けたローラーを、ナフィオン112の一方の主面に押込み量1mmで押し込んだ状態で、回転数10s−1で回転させ、吸着板を5mm/sの速度で一方向に移動させて、ナフィオン112の一方の主面を一方向に擦って、ナフィオン112の一方の主面に第1の配向軸を形成した。 Subsequently, a roller having a cloth (manufactured by Naganuma Gauge Mfg. Co., Ltd., product type: CFT055) attached to the surface is pushed into one main surface of the Nafion 112 with a pushing amount of 1 mm, and is rotated at a rotation speed of 10 s -1 . Then, the suction plate was moved in one direction at a speed of 5 mm / s, and one main surface of the Nafion 112 was rubbed in one direction to form a first orientation axis on one main surface of the Nafion 112.
次に、上述したローラーと同一のローラーを用いて、ナフィオン112の第1の配向軸を形成した主面と同一の主面を第1の配向軸とは略垂直な方向に擦って、ナフィオン112の一方の主面に第2の配向軸を形成し、ナフィオン112の一方の主面に配向軸が2本の配向層を形成した。 Next, using the same roller as the above-mentioned roller, the same main surface as the main surface forming the first orientation axis of the Nafion 112 is rubbed in a direction substantially perpendicular to the first orientation axis, and the Nafion 112 A second orientation axis was formed on one main surface, and an orientation layer having two orientation axes was formed on one main surface of Nafion 112.
続いて、ナフィオン112を裏返し、ナフィオン112の他方の主面が上向きになるように吸着板に固定した後、上述したローラーと同一のローラーを用いて、ナフィオン112の他方の主面を一方向に擦って、ナフィオン112の他方の主面に第3の配向軸を形成した後、第3の配向軸を形成した主面と同一の主面を第3の配向軸とは略垂直な方向に擦って、ナフィオン112の他方の主面に第4の配向軸を形成し、両主面に配向軸が2本の配向層を形成したナフィオン112(以下、電解質膜Cという)を作製した。 Subsequently, the Nafion 112 is turned over and fixed to the suction plate so that the other main surface of the Nafion 112 faces upward, and then the other main surface of the Nafion 112 is unidirectionally used by using the same roller as the above-mentioned roller. After rubbing to form a third alignment axis on the other main surface of the Nafion 112, the same main surface as the main surface on which the third alignment axis was formed was rubbed in a direction substantially perpendicular to the third alignment axis. A fourth orientation axis was formed on the other main surface of the Nafion 112, and an alignment layer having two alignment axes was formed on both main surfaces to prepare a Nafion 112 (hereinafter referred to as electrolyte membrane C).
なお、第2の配向軸、第3の配向軸及び第4の配向軸を形成するときのローラーの押し込み量と回転数、吸着板の移動速度は、第1の配向軸を形成したときの各条件と同一の条件とした。 The amount of pushing of the roller and the number of rotations when forming the second alignment axis, the third alignment axis, and the fourth alignment axis, and the moving speed of the suction plate are each when the first alignment axis is formed. The conditions were the same as the conditions.
こうして作製した電解質膜Cの複屈折Δnと面配向係数ΔP及び水素透過量Vhを上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、電解質膜Cの複屈折Δn、面配向係数ΔP、水素透過量Vhは(表1)に示す通りであり、電解質膜Cは、複屈折Δn、面配向係数ΔPは大きな値を示し、高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向したものであり、また、電解質膜Cは、水素の透過量が少なく、良好な水素遮断性を示した。 When the birefringence Δn, the plane orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane C thus produced were evaluated by the same evaluation method as the above-mentioned evaluation method, the birefringence Δn, the plane orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation of the electrolyte membrane C were evaluated. The amount Vh is as shown in (Table 1), the electrolyte membrane C shows a large value of birefringence Δn and a plane orientation coefficient ΔP, and the main chain of the polymer is regularly oriented in a certain direction. In addition, the electrolyte membrane C had a small amount of hydrogen permeation and showed good hydrogen blocking property.
(2)単位電池の作製
電解質膜Cを用いて、上述した実施例1(2)に記載した手順と同一の手順により単位電池(以下、単位電池Cという)を作製した。
(2) Preparation of Unit Battery Using the electrolyte membrane C, a unit battery (hereinafter referred to as unit battery C) was prepared by the same procedure as that described in Example 1 (2) described above.
こうして作製した単位電池Cの電池性能を上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、単位電池Cの電池電圧は(表1)に示す通りであり、単位電池Cは初期において高い電池電圧を示し、2000時間経過後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示した。 When the battery performance of the unit battery C thus produced was evaluated by the same evaluation method as the above-mentioned evaluation method, the battery voltage of the unit battery C is as shown in (Table 1), and the unit battery C has a high battery voltage at the initial stage. The battery voltage did not decrease even after 2000 hours, and the durability was excellent.
(比較例1)
配向層を有していない電解質膜としてナフィオン112(デュポン(株)製)(以下、電解質膜Dという)を用意し、上述した評価方法と同一の評価方法により、電解質膜Dの複屈折Δnと面配向係数ΔP及び水素透過量Vhを評価した。
(Comparative Example 1)
Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd.) (hereinafter referred to as electrolyte membrane D) was prepared as an electrolyte membrane having no alignment layer, and the birefringence Δn of the electrolyte membrane D was determined by the same evaluation method as the above-mentioned evaluation method. The plane orientation coefficient ΔP and the hydrogen permeation amount Vh were evaluated.
電解質膜Dの複屈折Δn、面配向係数ΔP、水素透過量Vhは(表1)に示す通りであり、電解質膜Dは、複屈折Δn、面配向係数ΔPは小さな値を示し、高分子の主鎖はランダムに配列したものであり、また、電解質膜Dは、実施例1〜3の電解質膜(電解質膜A〜C)に比べると、水素の透過量が多く、水素遮断性に劣るものであった。 The double refraction Δn, surface orientation coefficient ΔP, and hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane D are as shown in (Table 1), and the electrolyte membrane D shows small values of the double refraction Δn and the surface orientation coefficient ΔP. The main chains are randomly arranged, and the electrolyte membrane D has a larger amount of hydrogen permeation and is inferior in hydrogen blocking property as compared with the electrolyte membranes (electrolyte membranes A to C) of Examples 1 to 3. Met.
次に、電解質膜Dを用いて、上述した実施例1(2)に記載した方法と同一の方法により単位電池(以下、単位電池Dという)を作製し、上述した評価方法と同一の評価方法により、単位電池Dの電池性能を評価した。 Next, using the electrolyte membrane D, a unit battery (hereinafter referred to as unit battery D) is produced by the same method as that described in Example 1 (2) described above, and the same evaluation method as the evaluation method described above is used. The battery performance of the unit battery D was evaluated.
単位電池Dの電池電圧は(表1)に示す通りであり、単位電池Dは、初期の電池電圧は実施例1〜3の単位電池(単位電池A〜C)と同じであったが、2000時間経過後において、電池電圧は大きく低下して、実施例1〜3の単位電池(単位電池A〜C)と比べると、耐久性に劣るものであった。 The battery voltage of the unit battery D is as shown in (Table 1), and the initial battery voltage of the unit battery D was the same as that of the unit batteries (unit batteries A to C) of Examples 1 to 3, but 2000. After a lapse of time, the battery voltage dropped significantly, and the durability was inferior to that of the unit batteries (unit batteries A to C) of Examples 1 to 3.
以上の結果を(表1)にまとめた。 The above results are summarized in (Table 1).
一方、比較例に係る電解質膜(電解質膜D)は、本実施例に係る電解質膜(電解質膜A〜C)に比べ、水素の透過量が多いものであった。これは、電解質膜が配向層を有してい
ないために、電解質膜を構成する高分子の主鎖がランダムに配列し、高分子の自由体積が大きくなり、水素に対する遮断性が低下したためと考えられる。
On the other hand, the electrolyte membrane (electrolyte membrane D) according to the comparative example had a larger amount of hydrogen permeation than the electrolyte membranes (electrolyte membranes A to C) according to the present example. It is considered that this is because the electrolyte membrane does not have an alignment layer, so that the main chains of the polymers constituting the electrolyte membrane are randomly arranged, the free volume of the polymer is increased, and the blocking property against hydrogen is lowered. Be done.
また、単位電池の電池性能に関し、本実施例に係る単位電池(単位電池A〜C)は、いずれも2000時間経過後においても電池電圧の低下はなかった。これは、電解質膜が配向層を有することで、反応ガスの透過量が減少するため、電解質膜の内部での反応ガスの反応が抑制され、電解質膜の経年的な劣化を防止することができたためと考えられる。 Further, regarding the battery performance of the unit battery, the battery voltage of the unit batteries (unit batteries A to C) according to the present embodiment did not decrease even after 2000 hours had elapsed. This is because the electrolyte membrane has an orientation layer, which reduces the permeation amount of the reaction gas, so that the reaction of the reaction gas inside the electrolyte membrane is suppressed, and the deterioration of the electrolyte membrane over time can be prevented. It is thought that it was a cause.
一方、比較例に係る単位電池(単位電池D)は、2000時間経過後において電池電圧は大きく低下し、本実施例に係る単位電池(単位電池A〜C)に比べると、耐久性に劣るものであった。これは、電解質膜が配向層を有していないために、反応ガスの透過量が多くなり、電解質膜の内部で反応ガスが反応して、電解質膜が経年的に劣化したためと考えられる。 On the other hand, the unit battery (unit battery D) according to the comparative example has a significantly reduced battery voltage after 2000 hours, and is inferior in durability to the unit batteries (unit batteries A to C) according to the present embodiment. Met. It is considered that this is because the electrolyte membrane does not have an alignment layer, so that the permeation amount of the reaction gas increases, the reaction gas reacts inside the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane deteriorates over time.
以上の電解質膜の水素透過量評価試験から、本実施の形態で作製された電解質膜A〜Cは反応ガスの透過量が低減することが確認できた。また、単位電池の電池性能評価試験から、本実施の形態で作製された単位電池A〜Cは電池電圧の低下がなく、優れた耐久性を示すことが確認できた。 From the above hydrogen permeation evaluation test of the electrolyte membrane, it was confirmed that the permeation amount of the reaction gas was reduced in the electrolyte membranes A to C produced in the present embodiment. Further, from the battery performance evaluation test of the unit battery, it was confirmed that the unit batteries A to C produced in the present embodiment show excellent durability without a decrease in the battery voltage.
(実施の形態4)
図7(a)は、本発明の実施の形態4における電解質膜の概略を示す構成図であり、図7(b)は、本発明の実施の形態4おける燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図である。また、図8は、本発明の実施の形態4における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図である。
(Embodiment 4)
FIG. 7A is a configuration diagram showing an outline of the electrolyte membrane according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 7B is an outline of a unit battery incorporated in the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows. Further, FIG. 8 is a schematic view showing a method for producing an electrolyte membrane having an orientation layer according to the fourth embodiment of the present invention.
図7(a)において、本実施の形態の電解質膜70は、配向層71aを電解質膜70の内部(中間層)に有する点で、実施の形態1の電解質膜10とは異なる。また、図7(b)において、本実施の形態の燃料電池に組み込む単位電池73は、配向層71aを内部(中間層)に有する電解質膜70を用いた点で、実施の形態1の単位電池10とは異なる。
In FIG. 7A, the
以下、本実施の形態に係る電解質膜70及び燃料電池に組み込む単位電池の構成について、図7を参照しながら説明する。なお、図7において、図1と同一の構成要素は同一符号を付与して、重複する説明は省略する。
Hereinafter, the configurations of the
図7(a)において、電解質膜70は、電解質膜70を構成する高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向した配向層71aと、電解質膜70を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した非配向層71bを有する第1の電解質膜71と、電解質膜70を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した第2の電解質膜72から構成されている。
In FIG. 7A, the
ここで、第1の電解質膜71と第2の電解質膜72は、水素イオン伝導性を有する高分子で構成され、具体的には、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成されている。
Here, the
また、図7(b)において、燃料電池に組み込む単位電池73は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
Further, in FIG. 7B, the
電解質膜−電極接合体は、電解質膜70と、電解質膜70の一方の主面に形成されるアノード触媒層12と、電解質膜70の他方の主面に形成されるカソード触媒層13と、アノード触媒層12及びカソード触媒層13の外側に配置されるアノードガス拡散層14及びカソードガス拡散層15を備える。
The electrolyte membrane-electrode junction includes an
アノード触媒層12とアノードガス拡散層14とでアノードが構成され、カソード触媒層13とカソードガス拡散層15とでカソードが構成される。
The
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノードガス拡散層14の外側に配置されたアノードセパレータ16と、カソードガス拡散層15の外側に配置されたカソードセパレータ17である。
The pair of separators arranged on both outer sides of the electrolyte membrane-electrode assembly are the
次に、本実施の形態に係る電解質膜70及び燃料電池の発明のポイントである、配向層71aを有する電解質膜70を作製する方法について、図8を参照しながら説明する。なお、図8において、図2、図7と同一の構成要素は同一符号を付与する。
Next, a method for producing the
図8に示すように、配向層71aを有する電解質膜70の作製は、以下の手順により行う。まず、配向層を有していない電解質膜23を用意し、吸着機構を備えた吸着板20に固定する(図8(a))。
As shown in FIG. 8, the
次に、布21を貼り付けたローラー22を電解質膜23に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜23を固定した吸着板20を一定の方向に所定の速度で移動させることにより、電解質膜23の表面を擦る(図8(b))。
Next, in a state where the
この操作により、一方の主面に電解質膜を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層71aを有する第1の電解質膜71を作製する(図8(c))。
By this operation, a
ここで、押込み量とは、電解質膜23の表面に対してローラー22の位置を変動させた場合において、ローラー22に貼り付けた布21の毛先が最初に電解質膜23の表面に接した位置を原点とし、当該原点から電解質膜23に向けてローラー22を押込んだ変動量をいう。
Here, the pushing amount is the position where the bristles of the
次に、配向層を有していない第2の電解質膜72を用意し、第1の電解質膜71の配向層71aを形成した主面と接するように、第1の電解質膜71と第2の電解質膜72を重ね合わせる(図8(d))。続いて、第1の電解質膜71と第2の電解質膜72をホットプレスにより接合する(図8(e))。
Next, a
以上の一連の操作により電解質膜70の内部(中間層)に電解質膜70を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層71aを形成することで、内部において、主面に略平行な配向軸が一本形成された配向層71aを有する電解質膜70が得られる。
By the above series of operations, an
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜70が電解質膜70を構成する高分子の主鎖が一方向(主面に平行な方向)に配向している配向層71aを内部(中間層)に有することにより、配向層71aにおいて、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、電解質膜70を介した反応ガスの透過量を大幅に低減することができる。
As described above, in the present embodiment, the
また、本実施の形態においては、内部(中間層)に配向層71aを有し反応ガスの遮断性に優れた電解質膜70を使用することにより、反応ガスの透過量を低減した燃料電池を提供することができる。
Further, in the present embodiment, a fuel cell in which the permeation amount of the reaction gas is reduced is provided by using the
このような燃料電池は、電解質膜70を介した反応ガスの透過量が減少し、また、電解
質膜70の内部での反応ガスの反応が抑制されて電解質膜70の経年的な劣化を抑制することができるため、燃料電池の電池電圧の低下を抑制することができる。
In such a fuel cell, the permeation amount of the reaction gas through the
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。 Hereinafter, the electrolyte membrane and the fuel cell according to the present embodiment will be described in more detail based on specific examples, but the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific raw materials and the like used below. is not.
(実施例4)
(1)電解質膜の作製
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製)を用意し、吸着板に吸着して固定した。
(Example 4)
(1) Preparation of Electrolyte Membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd.) was prepared as an electrolyte membrane having no alignment layer, and was adsorbed and fixed on an adsorption plate.
続いて、表面に布((株)長沼ゲージ製作所製、品種:CFT055)を貼り付けたローラーを、ナフィオン112の一方の主面に押込み量1mmで押し込んだ状態で、回転数10s−1で回転させ、吸着板を5mm/sの速度で一方向に移動させて、ナフィオン112の一方の主面を一方向に擦って、ナフィオン112の一方の主面に配向軸が一本の配向層を形成した。 Subsequently, a roller having a cloth (manufactured by Naganuma Gauge Mfg. Co., Ltd., product type: CFT055) attached to the surface is pushed into one main surface of the Nafion 112 with a pushing amount of 1 mm, and is rotated at a rotation speed of 10 s -1 . Then, the suction plate is moved in one direction at a speed of 5 mm / s, and one main surface of the Nafion 112 is rubbed in one direction to form an alignment layer having one alignment axis on one main surface of the Nafion 112. did.
次に、配向層を有していない別のナフィオン112(デュポン(株)製)を用意し、上述した手順により配向層を形成したナフィオン112に、配向層が接するように重ね合わせた後、ホットプレスにより100℃、1MPaの条件下で2分間熱圧着して両方のナフィオン112を接合し、内部に配向層を有する電解質膜(以下、電解質膜Eという)を作製した。 Next, another Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd.) having no alignment layer was prepared, and the Nafion 112 on which the alignment layer was formed by the above procedure was superposed so that the alignment layer was in contact with the Nafion 112, and then hot. Both Nafions 112 were bonded by thermocompression bonding at 100 ° C. and 1 MPa for 2 minutes by pressing to prepare an electrolyte membrane having an orientation layer inside (hereinafter referred to as electrolyte membrane E).
こうして作製した電解質膜Eの複屈折Δnと面配向係数ΔP及び水素透過量Vhを上述した評価方法により評価したところ、電解質膜Eの複屈折Δn、面配向係数ΔP、水素透過量Vhは、(表2)に示す通りであり、電解質膜Eは、複屈折Δn、面配向係数ΔPは大きな値を示し、高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向したものであり、また、電解質膜Eは、水素の透過量が少なく、良好な水素遮断性を示した。 When the birefringence Δn, the surface orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane E thus produced were evaluated by the above-mentioned evaluation methods, the birefringence Δn, the surface orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane E were (1). As shown in Table 2), the electrolyte membrane E shows large values of birefringence Δn and plane orientation coefficient ΔP, and the main chain of the polymer is regularly oriented in a certain direction, and the electrolyte. Membrane E showed a good hydrogen blocking property with a small amount of hydrogen permeation.
(2)単位電池の作製
電解質膜Eを用いて、上述した実施例1(2)に記載した手順と同一の手順により単位電池(以下、単位電池Eという)を作製した。
(2) Preparation of Unit Battery Using the electrolyte membrane E, a unit battery (hereinafter referred to as unit battery E) was prepared by the same procedure as that described in Example 1 (2) described above.
こうして作製した単位電池Eの電池性能を上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、単位電池Eの電池電圧は(表2)に示す通りであり、単位電池Eは初期において高い電池電圧を示し、2000時間経過後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示した。 When the battery performance of the unit battery E thus produced was evaluated by the same evaluation method as the above-mentioned evaluation method, the battery voltage of the unit battery E is as shown in (Table 2), and the unit battery E has a high battery voltage at the initial stage. The battery voltage did not decrease even after 2000 hours, and the durability was excellent.
(比較例2)
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製)を2枚用意して重ね合わせた後、ホットプレスにより100℃、1MPaの条件下で2分間熱圧着して、2枚のナフィオン112を接合した電解質膜(以下、電解質膜Fという)を作製し、上述した評価方法と同一の評価方法により、電解質膜Fの複屈折Δnと面配向係数ΔP及び水素透過量Vhを評価した。
(Comparative Example 2)
Two Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd.) were prepared and laminated as an electrolyte membrane having no alignment layer, and then heat-pressed with a hot press at 100 ° C. and 1 MPa for 2 minutes. An electrolyte membrane (hereinafter referred to as electrolyte membrane F) obtained by joining a sheet of Nafion 112 is prepared, and the double refraction Δn, the plane orientation coefficient ΔP, and the hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane F are determined by the same evaluation method as the above-mentioned evaluation method. evaluated.
電解質膜Fの複屈折Δn、面配向係数ΔP、水素透過量Vhは下記表2に示す通りであり、電解質膜Fは、複屈折Δn、面配向係数ΔPは小さな値を示し、高分子の主鎖はランダムに配列したものであり、また、電解質膜Fは実施例4の電解質膜(電解質膜E)に比べると、水素の透過量が多く、水素遮断性に劣るものであった。 The double refraction Δn, surface orientation coefficient ΔP, and hydrogen permeation amount Vh of the electrolyte membrane F are as shown in Table 2 below, and the electrolyte membrane F shows small values for the double refraction Δn and the surface orientation coefficient ΔP, and is the main polymer. The chains were randomly arranged, and the electrolyte membrane F had a larger amount of hydrogen permeation and was inferior in hydrogen blocking property as compared with the electrolyte membrane (electrolyte membrane E) of Example 4.
次に、電解質膜Fを用いて、上述した実施例1(2)に記載した手順と同一の手順により単位電池(以下、単位電池Fという)を作製し、上述した評価方法と同一の評価方法により、単位電池Fの電池性能を評価した。 Next, using the electrolyte membrane F, a unit battery (hereinafter referred to as unit battery F) is produced by the same procedure as that described in Example 1 (2) described above, and the same evaluation method as the evaluation method described above is performed. The battery performance of the unit battery F was evaluated.
単位電池Fの電池電圧は(表2)に示す通りであり、単位電池Fは、初期の電池電圧は実施例4の単位電池(単位電池E)と同じであったが、2000時間経過後において、電池電圧は大きくて低下し、実施例4の単位電池(単位電池E)に比べると、耐久性に劣るものであった。 The battery voltage of the unit battery F is as shown in (Table 2), and the initial battery voltage of the unit battery F was the same as that of the unit battery (unit battery E) of the fourth embodiment, but after 2000 hours had passed. The battery voltage was significantly reduced, and the durability was inferior to that of the unit battery (unit battery E) of Example 4.
以上の結果を(表2)にまとめた。 The above results are summarized in (Table 2).
一方、比較例に係る電解質膜(電解質膜F)は、本実施例に係る電解質膜(電解質膜E)に比べ、水素の透過量が多いものであった。これは、電解質膜が配向層を有していないために、電解質膜を構成する高分子の主鎖がランダムに配列し、高分子の自由体積が大きくなり、水素に対する遮断性が低下したためと考えられる。 On the other hand, the electrolyte membrane (electrolyte membrane F) according to the comparative example had a larger amount of hydrogen permeation than the electrolyte membrane (electrolyte membrane E) according to the present embodiment. It is considered that this is because the electrolyte membrane does not have an alignment layer, so that the main chains of the polymers constituting the electrolyte membrane are randomly arranged, the free volume of the polymer is increased, and the blocking property against hydrogen is lowered. Be done.
また、単位電池の電池性能に関し、本実施例に係る単位電池(単位電池E)は、いずれも2000時間経過後においても電池電圧の低下はなかった。これは、電解質膜が配向層を有することで、反応ガスの透過量が減少するため、電解質膜の内部での反応ガスの反応が抑制され、電解質膜の経年的な劣化を防止することができたためと考えられる。 Further, regarding the battery performance of the unit battery, the battery voltage of the unit battery (unit battery E) according to the present embodiment did not decrease even after 2000 hours had passed. This is because the electrolyte membrane has an orientation layer, which reduces the permeation amount of the reaction gas, so that the reaction of the reaction gas inside the electrolyte membrane is suppressed, and the deterioration of the electrolyte membrane over time can be prevented. It is thought that it was a cause.
一方、比較例に係る単位電池(単位電池F)は、2000時間経過後において電池電圧は大きく低下し、本実施例に係る単位電池(単位電池E)に比べると、耐久性に劣るものであった。これは、電解質膜が配向層を有していないために、反応ガスの透過量が多くなり、電解質膜の内部で反応ガスが反応して、電解質膜が経年的に劣化したためと考えられる。 On the other hand, the unit battery (unit battery F) according to the comparative example has a significantly reduced battery voltage after 2000 hours, and is inferior in durability to the unit battery (unit battery E) according to the present embodiment. It was. It is considered that this is because the electrolyte membrane does not have an alignment layer, so that the permeation amount of the reaction gas increases, the reaction gas reacts inside the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane deteriorates over time.
以上の電解質膜の水素透過量評価試験から、本実施の形態で作製された電解質膜Eは反応ガスの透過量が低減することが確認できた。また、単位電池の電池性能評価試験から、本実施の形態で作製された単位電池Eは電池電圧の低下がなく、優れた耐久性を示すことが確認できた。 From the above hydrogen permeation evaluation test of the electrolyte membrane, it was confirmed that the permeation amount of the reaction gas of the electrolyte membrane E produced in the present embodiment is reduced. Further, from the battery performance evaluation test of the unit battery, it was confirmed that the unit battery E produced in the present embodiment does not decrease in the battery voltage and exhibits excellent durability.
(変形例)
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。
(Modification example)
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to such an embodiment, and various configurations can be adopted without departing from the spirit of the present invention.
(変形例1)
上述の各実施の形態では、電解質膜としてナフィオン112を用いているが、電解質膜としては、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の官能基を有する水素イオン伝導性の電解質膜を用いることができ、例えば、アシプレックス(登録商標)やフレミオン(登録商標)等の他の電解質膜を用いることができる。
(Modification example 1)
In each of the above-described embodiments, Nafion 112 is used as the electrolyte membrane, but the electrolyte membrane is a hydrogen ion having a fluorine-containing polymer as a skeleton and having functional groups such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, and a phosphoric acid group. A conductive electrolyte membrane can be used, and for example, other electrolyte membranes such as Aciplex (registered trademark) and Flemion (registered trademark) can be used.
(変形例2)
上述の各実施の形態では、電解質膜は配向軸が一本または二本の配向層を有する電解質膜としているが、電解質膜としては、二本以上の配向軸を形成した配向層を有する電解質膜であっても構わない。
(Modification 2)
In each of the above-described embodiments, the electrolyte membrane is an electrolyte membrane having one or two orientation layers, but the electrolyte membrane is an electrolyte membrane having two or more orientation layers. It doesn't matter.
(変形例3)
配向層を有する電解質膜を作製するときのローラーの押し込み量やローラーの回転数、電解質膜を固定した吸着板の移動速度は、上述した各実施の形態に記載した条件に限定されず、適宜変更しても構わない。
(Modification 3)
The amount of pushing of the roller, the number of rotations of the roller, and the moving speed of the adsorption plate on which the electrolyte membrane is fixed when producing the electrolyte membrane having the alignment layer are not limited to the conditions described in each of the above-described embodiments, and are appropriately changed. It doesn't matter.
(変形例4)
上述の実施の形態1においては、アノードを電解質膜の配向層と接するように配置して単位電池を作製しているが、カソードを電解質膜の配向層と接するように配置して単位電池を作製しても構わない。
(Modification example 4 )
In the above-described first embodiment, the anode is arranged so as to be in contact with the alignment layer of the electrolyte membrane to prepare the unit battery, but the cathode is arranged so as to be in contact with the alignment layer of the electrolyte membrane to prepare the unit battery. It doesn't matter.
以上のように、本発明に係る電解質膜によると、電解質膜を介した反応ガスの透過量を低減することができ、燃料電池に組み込んで使用する場合、高い電池電圧を長期に亘って維持することができるので、家庭用コージェネレーションシステム、電気自動車用電源及びポータブル電源などに使用される燃料電池の用途に適用することができる。 As described above, according to the electrolyte membrane according to the present invention, the permeation amount of the reaction gas through the electrolyte membrane can be reduced, and when used by incorporating it into a fuel cell, a high battery voltage is maintained for a long period of time. Therefore, it can be applied to applications of fuel cells used in household cogeneration systems, electric vehicle power supplies, portable power supplies, and the like.
10,30,50,70 電解質膜
10a,30a,50a,71a 配向層
10b,30b,50b,71b 非配向層
11,31,51,73 単位電池
12 アノード触媒層
13 カソード触媒層
14 アノードガス拡散層
15 カソードガス拡散層
16 アノードセパレータ
17 カソードセパレータ
20 吸着板
21 布
22 ローラー
10, 30, 50, 70
Claims (2)
前記高分子の主鎖が前記電解質膜の主面に略平行な複数の方向に配向している配向層を、前記電解質膜の両主面の表面にのみ有する電解質膜。 An electrolyte membrane obtained by rubbing a membrane made of a polymer having hydrogen ion conductivity and a salt substitution rate of less than 1%.
An electrolyte membrane having alignment layers in which the main chains of the polymer are oriented in a plurality of directions substantially parallel to the main surfaces of the electrolyte membrane only on the surfaces of both main surfaces of the electrolyte membrane.
前記電解質膜を挟んで両主面に配置されるアノード及びカソードと、
を有する燃料電池。 The electrolyte membrane according to claim 1 and
Anodes and cathodes arranged on both main surfaces with the electrolyte membrane in between,
Fuel cell with.
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