JP2004185882A

JP2004185882A - Solid polymer electrolyte film, and fuel cell using it

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Publication number: JP2004185882A
Application number: JP2002349288A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Suzuki; 修一鈴木
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP3883956B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for realizing desired water retentivity, in a solid polymer electrolyte film. <P>SOLUTION: A reinforcing material having hydrophilicity and water retentivity is used as a constituent member of this solid polymer electrolyte film 20. The reinforcing material is shaped into a mesh-like or porous form. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜および固体高分子電解質膜を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜（以下、「固体高分子電解質膜」ともいう）を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素、空気極に酸素を供給し、以下の電気化学反応により発電する。
燃料極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻（１）
空気極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ（２）
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂（「イオン導電性樹脂」ともいう）などにより結着されてなる層である。ガス拡散層は酸素や水素の通過経路となる。発電反応は、触媒層における触媒、イオン交換樹脂および水素のいわゆる三相界面において進行する。
【０００４】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、供給された酸化剤に含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００５】
こうした固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜の破れや寸法変化を低減するためにポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ：ＰＴＦＥ）などの補強材を用いた固体高分子電解質膜が提案されている（特許文献１参照）。また、保水性の向上を目的として酸化チタンやシリカの粒子を固体高分子電解質膜に分散させる技術が提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２５１５３１号公報
【特許文献２】
特表２００２−５２７８８１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、空気が所定の流路を通り空気極を流れる際に、固体高分子電解質膜内の水が空気中に蒸散してしまい、空気の湿度は徐々に上昇する。従って、水の蒸散量は流路の入口近傍で多く、出口近傍で少ない。その結果、流路の入口近傍では、出口近傍とを比較すると固体高分子電解質膜中の水含有量が低くなり、固体高分子電解質膜内において水分布が不均一になる。それによって、発電反応に偏り、燃料電池の出力が低下することがある。特許文献１に開示の技術にあっては、酸化チタンやシリカの粒子が分散されている構造とし、水の保水性を向上させているが、局所的には水を保持するものの、固体高分子電解質膜全体に着目した場合、水分布を均一化させる作用に改善の余地がある。
【０００８】
こうした事情に鑑み、本発明は、固体高分子電解質膜において所望の保水性を実現する技術を提供することを目的とする。また、別の目的は、固体高分子電解質膜内の水分布が不均一となることを抑制する技術を提供することにある。また別の目的は、燃料電池の性能低下を抑制する技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様は、固体高分子電解質膜に関する。この固体高分子電解質膜はイオン導電性樹脂と、イオン導電性樹脂を支持する網目状多孔体とを含む。ここで網目状多孔体が親水性および耐酸性を示す場合、固体高分子電解質膜は、燃料電池の電極に好適である。ここで、網目状多孔体とは、網目状もしくは多孔状のいずれか一方の構造を有していればよい。
【００１０】
燃料電池の固体高分子電解質膜には、例えば、ナフィオン（登録商標）のように高い水素イオン導電性を有する物質が使用される。こうした固体高分子電解質膜における高い水素イオン導電性は、固体高分子電解質膜が多量の水分を含有することで発現する。逆に言うと、含有される水分が、例えば蒸発により少なくなると、水素イオン導電性が低下し、燃料電池は所望の性能を満たさなくなる恐れがある。そこで、固体高分子電解質膜の補強材として網目状多孔体を含む材料をとして使用することで保水性を向上させる。さらに、網目状多孔体として保水性を有する多孔質の構造体を用いた場合、固体高分子電解質膜内での水移動性を向上させ、水分の分布の均一化することができる。
【００１１】
また、網目状多孔体の表面を構成する材料として、水に対する接触角が９０°より小さい材料を用いてもよい。ここで、接触角は材料固有の物性値であって、一般に、金属は水に対する接触角が９０°より小さい。水に対する接触角が９０°より小さい場合、網目状多孔体の表面は、一般に親水性を示す。なお、網目状多孔体の空間部分にはイオン交換樹脂が充填される。
【００１２】
また、網目状多孔体は、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、チタンの少なくともいずれかの金属を含んでもよい。そのような金属として、金属繊維の集合体やスポンジ状構造体の金属がある。また、そのような金属を用いることで固体高分子電解質膜の補強材としての機能を満たしつつ、保水性の機能が同時に実現される。さらに、網目状多孔体は、耐酸性を有する金属を含んでもよい。網目状多孔体が高い水素イオンの移動性と保水性を同時に要求される燃料電池の固体高分子電解質膜に使用される場合、耐酸性を有する金属が好適である。
【００１３】
また、網目状多孔体は異形断面形状もしくは中空形状の高分子繊維であってもよい。ここで、「異形断面形状」とは、十字型、Ｘ型、Ｙ型、Ｗ型、Ｈ型、Ｌ型、星型などの特殊な断面形状をいう。本実施の形態において、用語「異形断面」は、円形または実質的に円形の断面と区別する意味において用いる。断面の異形度は、以下の式で算出される。
（異形度）＝Ｌ／（４・π・Ｓ）^１／２
ここで、Ｌは異形断面形状の高分子繊維の断面周囲長であり、Ｓは異形断面形状の高分子繊維の断面積である。
本実施の形態における異形断面の高分子繊維は、水を吸着する空隙を有することが好ましく、その異形度は１．３以上であることが好ましい。
【００１４】
以下、異形断面の高分子繊維の作製方法の一例を示す。まず所定の高分子を溶剤に溶解し、紡糸原液を生成する。用いる溶剤は有機溶剤であっても無機溶剤であってもよい。紡糸方法として、湿式紡糸法または乾式紡糸法のいずれも用いることができるが、繊維断面形状の制御の容易さから湿式紡糸法を採用してもよい。
【００１５】
湿式紡糸法を採用する場合、紡糸原液を紡糸口金から凝固浴中に吐出させ、凝固糸を作製する。本実施の形態において、紡糸口金は繊維の異形断面を形成するために用意され、例えば多葉形断面をもつ繊維を作製する場合、紡糸口金は、所定形状の複数の開孔を円周上に配したものを用いてもよい。また、この円周中心にさらに開孔を配したものであってもよい。これらの開孔から紡糸原液を吐出させ、紡糸原液が固化あるいは凝固するまでの間に各々の開孔から吐出された紡糸原液を合流させて接合し、凝固糸を作製する。なお、紡糸口金は、作製する繊維の異形断面に応じた開口を有し、その開口から紡糸原液を吐出させて凝固糸を作製してもよい。この凝固糸を凝固浴から巻き取り、その後、延伸、洗浄して乾燥させ、異形断面形状の高分子繊維を作製する。
【００１６】
網目状多孔体が異形断面形状の高分子繊維であると、その表面積を広くすることができ、水との接触面積を広くでき保水性が向上する。また、網目状多孔体が異形断面形状や中空形状の構造である場合、毛細現象により、水の移動度が上昇する。異形断面形状の高分子繊維は、それらを作製する際に利用される金口や紡糸方法を適宜選択することで得られる。
【００１７】
また、高分子繊維の表面が、チタンもしくはジルコニウムのいずれか一方の酸化物で被覆されてもよい。このような酸化物が表面に被覆された高分子繊維は、特に燃料電池に適用した場合、好適な親水性を示す。
【００１８】
また、網目状多孔体を構成する母材は、非フッ素系高分子であってもよい。一般的に、フッ素を含む高分子は撥水性を示すため、親水性の機能を網目状多孔体に持たせるためには、フッ素を含まない高分子がより好ましい。非フッ素系高分子として、ポリエステル、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがある。
【００１９】
本発明の別の態様は、燃料電池に関する。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を備え、その固体高分子電解質膜は、上述のようなイオン導電性樹脂と、イオン導電性樹脂を支持する網目状多孔体とを含む。上述のような親水性の機能を有する網目状多孔体が固体高分子電解質膜の補強材として採用された場合、固体高分子電解質膜内の水分布が均一化され、燃料電池の性能低下が抑制される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池１０の断面構造を模式的に示す。燃料電池１０は平板状のセル５０を備え、このセル５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けられる。この例では一つのセル５０のみを示すが、セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池１０が構成されてもよい。セル５０は、固体高分子電解質膜２０、燃料極２２および空気極２４とを有する。燃料極２２および空気極２４を「触媒電極」と呼んでもよい。燃料極２２は、積層した触媒層２６およびガス拡散層２８を有し、同様に空気極２４も、積層した触媒層３０およびガス拡散層３２を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられる。
【００２１】
燃料極２２側に設けられるセパレータ３４にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４側に設けられるセパレータ３６にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じてセル５０に酸素が供給される。具体的には、燃料電池１０の運転時、ガス流路３８から燃料極２２に燃料ガス、例えば水素ガスが供給され、ガス流路４０から空気極２４に酸化剤ガス、例えば空気が供給される。これにより、セル５０内で発電反応が生じる。ガス拡散層２８を介して触媒層２６に水素ガスが供給されると、ガス中の水素が水素イオンとなり、この水素イオンが固体高分子電解質膜２０中を空気極２４側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路から空気極２４に流れ込む。一方、ガス拡散層３２を介して触媒層３０に空気が供給されると、酸素が水素イオンと結合して水となる。この結果、外部回路においては燃料極２２から空気極２４に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
【００２２】
固体高分子電解質膜２０は、良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、燃料極２２および空気極２４の間で水素イオンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。なお、これらの固体高分子電解質膜２０が良好なイオン導電性を示すには、固体高分子電解質膜２０が充分な湿潤状態になければならず、含水量が低い場合は、水素イオンの伝導を充分に行うことができず、燃料電池１０の性能を低下させてしまう恐れがある。
【００２３】
燃料極２２におけるガス拡散層２８および空気極２４におけるガス拡散層３２は、供給される水素ガス又は空気を触媒層２６および触媒層３０に供給する機能をもつ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能ももつ。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどで構成される。
【００２４】
燃料極２２における触媒層２６および空気極２４における触媒層３０は、多孔膜であり、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子とから構成されるのが好ましい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種以上を混合したものがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【００２５】
イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を電気化学的に接続させる機能をもつ。燃料極２２においては水素イオン透過性を要求され、また空気極２４においては酸素透過性を要求される。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。
【００２６】
以下、セル５０の作製方法の一例を示す。まず、燃料極２２および空気極２４を作製するべく、白金などの触媒を、例えば含浸法やコロイド法を用いて炭素粒子に担持させる。次に、触媒を担持する炭素粒子とイオン交換樹脂とを溶媒に分散させて触媒インクを生成する。この触媒インクをガス拡散層となる例えばカーボンペーパーに塗布して加熱、乾燥させることにより、燃料極２２および空気極２４を作製する。塗布方法は、例えば刷毛塗りやスプレー塗布の技術を用いてもよい。つづいて、固体高分子電解質膜２０を、燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０とで挟み、ホットプレスして接合する。これにより、セル５０が作製される。固体高分子電解質膜２０や、触媒層２６および触媒層３０におけるイオン交換樹脂を軟化点やガラス転移のある高分子材料で構成する場合、軟化温度やガラス転移温度を超える温度でホットプレスを行うことが好ましい。
【００２７】
図２は、セル５０の断面構造を模式的に示す。燃料極２２において、触媒層２６が、カーボンペーパーなどで構成されるガス拡散層２８の表面よりも内側に入り込んでいる様子が示される。空気極２４においても、触媒層３０がガス拡散層３２の内側に入り込んでいる。
【００２８】
図３は、燃料電池１０の分解斜視図であり、ここでは特に一つのセルに着目してその構造を模式的に示している。固体高分子形の燃料電池１０では、上述の通り、空気極２４に酸素を供給するためにガス流路４０を空気が流れる。本図では、空気極２４側に設けられたセパレータ３６には、複数のガス流路４０が水平に設けられており、空気が奥の方から前方に向かってガス流路４０を流れる。
【００２９】
空気がガス流路４０を流れる際に、固体高分子電解質膜２０中の水分が空気中へ蒸散してしまい固体高分子電解質膜２０に含有する水分が減少することがある。空気がガス流路４０を通る際に、固体高分子電解質膜２０内の水が蒸散することで、空気がガス流路４０を進むにしたがい空気の湿度は徐々に上昇する。その結果、ガス流路４０の出口近傍、本図では前方の領域では、固体高分子電解質膜２０内の水の蒸散量が小さくなる。それによって、ガス流路４０の入口近傍、本図では後方の領域では、ガス流路４０の出口近傍と比較すると固体高分子電解質膜２０中の水含有量が低くなる。つまり、固体高分子電解質膜２０内において水分布が不均一になる。
【００３０】
上述の通り、固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すよう構成されているが、固体高分子電解質膜２０内の水分布が不均一となることで、水含有量が低い領域、より具体的には空気極２４側のガス流路４０の入口近傍では、発電反応が低下し燃料電池１０が所望の性能を満たさない恐れがあり、本来、水分布は、固体高分子電解質膜２０全面で均一であることが望ましい。そこで、本実施の形態では、固体高分子電解質膜２０の構成部材として親水性を有する補強材を使用するとともに、その補強材を多孔質の構造体とすることで固体高分子電解質膜２０内の水の移動度を高め、固体高分子電解質膜２０内の水分布に偏りが生じた場合、水分布が均一となる方向に作用させ、燃料電池１０の性能低下を抑制する。
【００３１】
図４は、図３に示したガス流路４０とは異なるガス流路４０を有するセパレータ３６の構造を示した上面図である。ガス流路４０が、セパレータ３６の右上に設けられた入口６２からセパレータ３６の左下に設けられた出口６４まで一本の経路で形成されており、その経路は、セパレータ３６全体を巡るようになっている。セパレータ３６がこのようなガス流路４０を有する場合、図３で示したセパレータ３６を有する場合と比べて、固体高分子電解質膜２０内の水分布の偏りが大きくなる。つまり、出口６４近傍の固体高分子電解質膜２０内の水含有量がより多くなり、入口６２付近に水を移動させる要請が大きく、本実施の形態で示すような、補強材に多孔質の構造体を持つ固体高分子電解質膜２０が好適である。
【００３２】
【実施例】
本実施の形態に係る固体高分子電解質膜２０に関して第１〜第３実施例をもとに詳細に説明する。ここでは補強材として、１）金属繊維が網目状に形成された材料、２）スポンジ状金属である材料、３）異形断面形状の高分子繊維を金属酸化物で被覆した材料、の３種類を例示する。
【００３３】
（第１実施例）
本実施例では、補強材として金属繊維が網目状に形成された材料を製造する手法を説明する。ここでは、金属繊維の材料としてチタンを使用する。チタンの金属棒あるいは金属箔コイルをびびり振動切削法で切削することで所望の寸法の繊維状のチタンが得られる。
【００３４】
びびり振動切削法で作られる金属繊維は寸法安定性が優れており、また三角柱の構造であることから樹脂との結合性が優れおり燃料電池の固体高分子電解質膜の補強材として好適である。びびり振動切削法は、弾性を持たせた工具により切刃に自励振動を与えて金属を直接短繊維形状で削り出す手法である。
【００３５】
つづいて、繊維状のチタンをバインダーとともに抄紙化し、不活性雰囲気中においてバインダーの分解温度以上でありかつチタンの融点以下、例えば８００〜９００℃で加熱し焼結させることで網目状構造のチタンが得られる。
【００３６】
さらに、ＰＴＦＥ等の剥離性シート状に網目状構造のチタンを配置し、その上にイオン交換樹脂樹脂を溶媒に溶解もしくは分散させた液体をキャストして乾燥させることにより固体高分子電解質膜２０が得られる。
【００３７】
金属繊維の材料として、他に、タンタル、ニオブ、ジルコニウムなどが使用できる。また、金属繊維を作製する手法として、他に、集束伸線法、金属繊維紡糸法あるいは金属箔切断法により作成した金属細線からなるもの切断する手法がある。
【００３８】
（第２実施例）
本実施例では、補強材として利用するスポンジ状金属を製造する手法を説明する。ここでは、金属を焼結させる際に、造孔材を混合させてスポンジ状金属を製造する。以下、チタンを例に説明する。また、造孔材としてマグネシウムの粉末を用いる。
【００３９】
原料粉末としてチタンの粉末とマグネシウムの粉体を所定の比率で混合し、所定の加重で加圧し、圧粉体を成形する。成形された圧粉体は、真空下、例えば１ｋＰａの下、所定のヒートパターンで加熱することで、マグネシウムの蒸発および分離を行う。上記加熱の際の最高加熱温度として、一般には、純マグネシウムの沸点である１１０５℃を越えることが望ましい。この後、一般的な手法により焼結を行うことで多孔状のチタンが得られる。なお、多孔状チタンは適宜圧延、延伸などの処理で調厚してから用いてもよい。
【００４０】
つづいて、第１実施例と同様にＰＴＦＥ等の剥離性シート状にスポンジ状のチタンを配置し、その上にイオン交換樹脂樹脂を溶媒に溶解もしくは分散させた液体をキャストして乾燥させることにより固体高分子電解質膜２０が得られる。
【００４１】
原料粉末として金属の粉末の替わりに、繊維状、薄片状、球状などの金属が用いられてもよく、望まれる孔の形状や大きさ等に応じて適宜決定される。
【００４２】
また、造孔材として他に、重炭酸アンモニウムやステアリン酸亜鉛があり、加圧力や焼結温度を調整することで、所望の孔径を有する多孔金属が形成される。また、原料粉末として、タンタル、ニオブ、ジルコニウムなどが使用できる。
【００４３】
（第３実施例）
本実施例では、異形断面形状の高分子繊維を金属酸化物で被覆した材料の製法を説明する。ここでは、高分子繊維として十字型の断面形状を有するポリエステルを使用し、その表面には、チタン酸化物を被覆する。ポリエステルの繊維を、チタン酸化物微粒子と有機系バインダーを分散させた溶液に漬けたのち、不活性雰囲気で焼結させる。このとき、結着性を上げるために、バインダーを炭化、より好ましくは黒鉛化させることが好ましい。これにより、チタン酸化物が被覆された高分子繊維が得られる。高分子繊維の断面形状として、他にＷ字型、Ｘ型、Ｙ型、Ｈ型、Ｌ型、星型などがある。
【００４４】
つづいて、第１および第２実施例のように、ＰＴＦＥ等の剥離性シート状にチタン酸化物が被覆されたポリエステルの繊維を配置し、その上にイオン交換樹脂樹脂を溶媒に溶解もしくは分散させた液体をキャストして乾燥させることにより固体高分子電解質膜２０が得られる。高分子繊維に被覆する金属酸化物として他に酸化ジルコニウムが使用できる。
【００４５】
以上、本実施の形態によれば、生成された固体高分子電解質膜２０は親水性を有する補強材を含んで構成されており、固体高分子電解質膜２０内の水移動度が高くなり空気極２４に空気を供給する際に、固体高分子電解質膜２０内の水分布が均一に保たれ、発電反応の局所的な低下が抑制できる。その結果、燃料電池１０は所望の性能を発揮できる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によると、固体高分子電解質膜において所望の保水性を実現することができる。また別の観点では、固体高分子電解質膜内の水分布が不均一となることを抑制することができる。また別の観点では、燃料電池の性能低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る燃料電池の断面構造を模式的に示した図である。
【図２】セルの断面構造を模式的に示した図である。
【図３】実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図を一つのセルに着目して模式的に示した図である。
【図４】変形例のガス流路を有するセパレータの構造を模式的に示した上面図である。
【符号の説明】
１０燃料電池、２０固体高分子電解質膜、２２燃料極、２４空気極、２６触媒層、２８ガス拡散層、３０触媒層、３２ガス拡散層、３４セパレータ、３６セパレータ、３８ガス流路、４０ガス流路、５０セル。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane and a fuel cell having the solid polymer electrolyte membrane.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or less is known.
[0003]
A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane (hereinafter, also referred to as a “polymer electrolyte membrane”) is disposed between a fuel electrode and an air electrode. Hydrogen and oxygen are supplied to the air electrode, and power is generated by the following electrochemical reaction.
Fuel _{^{^{electrode: H 2 → 2H + + 2e}}} - (1)
Air electrode: 1 / 2O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O (2)
The fuel electrode and the air electrode have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are stacked. The catalyst layers of the respective electrodes are opposed to each other with the solid polymer film interposed therebetween, and constitute a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin (also referred to as an “ion conductive resin”). The gas diffusion layer serves as a passage for oxygen and hydrogen. The power generation reaction proceeds at a so-called three-phase interface between the catalyst, the ion exchange resin, and hydrogen in the catalyst layer.
[0004]
At the fuel electrode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among them, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the air electrode, oxygen contained in the supplied oxidizing agent reacts with hydrogen ions and electrons moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above equation (2). As described above, in the external circuit, the electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is extracted.
[0005]
In such a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane using a reinforcing material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) has been proposed in order to reduce breakage and dimensional change of the polymer electrolyte membrane. (See Patent Document 1). In addition, a technique of dispersing titanium oxide or silica particles in a solid polymer electrolyte membrane has been proposed for the purpose of improving water retention (see Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-251531 [Patent Document 2]
JP 2002-527881 A
[Problems to be solved by the invention]
Generally, when air flows through an air electrode through a predetermined flow path, water in the solid polymer electrolyte membrane evaporates into the air, and the humidity of the air gradually increases. Accordingly, the amount of water transpiration is large near the inlet of the flow channel and small near the outlet. As a result, the water content in the solid polymer electrolyte membrane is lower in the vicinity of the inlet of the flow channel than in the vicinity of the outlet, and the water distribution becomes uneven in the solid polymer electrolyte membrane. As a result, the power generation reaction may be biased, and the output of the fuel cell may decrease. The technology disclosed in Patent Document 1 has a structure in which titanium oxide and silica particles are dispersed to improve the water retention of water. When attention is paid to the entire electrolyte membrane, there is room for improvement in the action of making the water distribution uniform.
[0008]
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a technique for achieving desired water retention in a solid polymer electrolyte membrane. Another object is to provide a technique for suppressing non-uniform water distribution in the solid polymer electrolyte membrane. Still another object is to provide a technique for suppressing performance degradation of a fuel cell.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
One embodiment of the present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane. The solid polymer electrolyte membrane includes an ionic conductive resin and a mesh-like porous body supporting the ionic conductive resin. Here, when the network porous body shows hydrophilicity and acid resistance, the solid polymer electrolyte membrane is suitable for an electrode of a fuel cell. Here, the network-like porous body may have any one of a network-like structure and a porous structure.
[0010]
For the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell, for example, a substance having high hydrogen ion conductivity such as Nafion (registered trademark) is used. Such high proton conductivity in the solid polymer electrolyte membrane is exhibited when the solid polymer electrolyte membrane contains a large amount of water. Conversely, when the water content decreases, for example, due to evaporation, the hydrogen ion conductivity decreases, and the fuel cell may not satisfy desired performance. Therefore, water retention is improved by using a material containing a mesh-like porous body as a reinforcing material of the solid polymer electrolyte membrane. Further, when a porous structure having a water retention property is used as the mesh-like porous body, the water mobility in the solid polymer electrolyte membrane can be improved, and the distribution of water can be made uniform.
[0011]
Further, as a material forming the surface of the mesh-like porous body, a material having a contact angle to water of less than 90 ° may be used. Here, the contact angle is a physical property value inherent to the material, and generally, a metal has a contact angle to water smaller than 90 °. When the contact angle with water is smaller than 90 °, the surface of the mesh-like porous body generally shows hydrophilicity. The space portion of the mesh-like porous body is filled with an ion exchange resin.
[0012]
Further, the mesh-like porous body may include at least one metal of tantalum, niobium, zirconium, and titanium. Examples of such a metal include a metal fiber aggregate and a metal of a sponge-like structure. Further, by using such a metal, a function of water retention can be simultaneously realized while satisfying a function as a reinforcing material of the solid polymer electrolyte membrane. Further, the network porous body may include a metal having acid resistance. When the reticulated porous body is used for a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell which requires both high hydrogen ion mobility and water retention at the same time, a metal having acid resistance is suitable.
[0013]
Further, the mesh-like porous body may be a polymer fiber having an irregular cross-sectional shape or a hollow shape. Here, the “irregular cross-sectional shape” refers to a special cross-sectional shape such as a cross, an X, a Y, a W, an H, an L, or a star. In the present embodiment, the term “irregular cross section” is used to distinguish it from a circular or substantially circular cross section. The cross-section irregularity is calculated by the following equation.
(Degree of irregularity) = L / (4 · π · S) ^1/2
Here, L is the perimeter of the cross section of the polymer fiber having the irregular cross section, and S is the cross sectional area of the polymer fiber having the irregular cross section.
The polymer fiber having the irregular cross section in the present embodiment preferably has a void for adsorbing water, and the degree of irregularity is preferably 1.3 or more.
[0014]
Hereinafter, an example of a method for producing a polymer fiber having an irregular cross section is described. First, a predetermined polymer is dissolved in a solvent to produce a spinning dope. The solvent used may be an organic solvent or an inorganic solvent. As a spinning method, any of a wet spinning method and a dry spinning method can be used, but a wet spinning method may be employed because of easy control of a fiber cross-sectional shape.
[0015]
When the wet spinning method is employed, a spinning dope is discharged from a spinneret into a coagulation bath to produce a coagulated yarn. In the present embodiment, the spinneret is prepared to form an irregular cross section of the fiber.For example, when producing a fiber having a multi-lobal cross section, the spinneret has a plurality of openings of a predetermined shape on the circumference. Those arranged may be used. Further, an aperture may be further provided at the center of the circumference. The spinning dope is discharged from these openings, and the spinning dope discharged from each of the openings is joined and joined until the spinning dope solidifies or solidifies, thereby producing a coagulated yarn. The spinneret may have an opening corresponding to the irregular cross section of the fiber to be produced, and a spinning solution may be discharged from the opening to produce a coagulated yarn. The coagulated yarn is wound up from a coagulation bath, then stretched, washed and dried to produce a polymer fiber having an irregular cross-sectional shape.
[0016]
When the mesh-like porous body is a polymer fiber having an irregular cross-sectional shape, the surface area can be increased, the contact area with water can be increased, and the water retention can be improved. Further, when the mesh-like porous body has an irregular cross-sectional shape or a hollow structure, the mobility of water increases due to a capillary phenomenon. Polymer fibers having an irregular cross-sectional shape can be obtained by appropriately selecting a die and a spinning method used for producing them.
[0017]
In addition, the surface of the polymer fiber may be coated with either titanium or zirconium oxide. Such a polymer fiber whose surface is coated with such an oxide exhibits suitable hydrophilicity particularly when applied to a fuel cell.
[0018]
Further, the base material constituting the mesh-like porous body may be a non-fluorinated polymer. In general, a fluorine-containing polymer exhibits water repellency, so that a fluorine-free polymer is more preferable in order to impart a hydrophilic function to the network porous body. Examples of the non-fluorinated polymer include polyester, aromatic polyetheretherketone, and polysulfone.
[0019]
Another embodiment of the present invention relates to a fuel cell. This fuel cell is provided with a fuel electrode on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and an air electrode on the other surface, and the solid polymer electrolyte membrane is made of the above-described ionic conductive resin and ionic conductive resin. And a supporting mesh-like porous body. When the mesh-like porous body having the hydrophilic function as described above is employed as a reinforcing material for the solid polymer electrolyte membrane, the water distribution in the solid polymer electrolyte membrane is uniformed, and the performance deterioration of the fuel cell is suppressed. Is done.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 10 includes a flat cell 50, and a separator 34 and a separator 36 are provided on both sides of the cell 50. In this example, only one cell 50 is shown, but the fuel cell 10 may be configured by stacking a plurality of cells 50 via the separator 34 or the separator 36. The cell 50 has the solid polymer electrolyte membrane 20, the fuel electrode 22, and the air electrode 24. The fuel electrode 22 and the air electrode 24 may be referred to as “catalyst electrodes”. The fuel electrode 22 has a stacked catalyst layer 26 and a gas diffusion layer 28, and the air electrode 24 similarly has a stacked catalyst layer 30 and a gas diffusion layer 32. The catalyst layer 26 of the fuel electrode 22 and the catalyst layer 30 of the air electrode 24 are provided so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween.
[0021]
The separator 34 provided on the fuel electrode 22 side is provided with a gas flow path 38, and fuel gas is supplied to the cell 50 through the gas flow path 38. Similarly, a gas passage 40 is also provided in the separator 36 provided on the air electrode 24 side, and oxygen is supplied to the cell 50 through the gas passage 40. Specifically, during operation of the fuel cell 10, a fuel gas, for example, hydrogen gas is supplied from the gas flow channel 38 to the fuel electrode 22, and an oxidant gas, for example, air is supplied from the gas flow channel 40 to the air electrode 24. . Thereby, a power generation reaction occurs in the cell 50. When hydrogen gas is supplied to the catalyst layer 26 via the gas diffusion layer 28, hydrogen in the gas becomes hydrogen ions, and the hydrogen ions move through the solid polymer electrolyte membrane 20 to the air electrode 24 side. The electrons emitted at this time move to the external circuit and flow into the air electrode 24 from the external circuit. On the other hand, when air is supplied to the catalyst layer 30 via the gas diffusion layer 32, oxygen is combined with hydrogen ions to form water. As a result, in the external circuit, electrons flow from the fuel electrode 22 to the air electrode 24, and power can be taken out.
[0022]
The solid polymer electrolyte membrane 20 preferably exhibits good ion conductivity, and functions as an ion exchange membrane that moves hydrogen ions between the fuel electrode 22 and the air electrode 24. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluoropolymer, for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, or the like. Can be used. Examples of the sulfonic acid-type perfluorocarbon polymer include Nafion (registered trademark) 112 and the like. Examples of the non-fluorinated polymer include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone. In addition, in order for these solid polymer electrolyte membranes 20 to exhibit good ionic conductivity, the solid polymer electrolyte membrane 20 must be in a sufficiently wet state, and when the water content is low, conduction of hydrogen ions is prevented. It cannot be performed sufficiently, and the performance of the fuel cell 10 may be reduced.
[0023]
The gas diffusion layer 28 in the fuel electrode 22 and the gas diffusion layer 32 in the air electrode 24 have a function of supplying the supplied hydrogen gas or air to the catalyst layers 26 and 30. It also has a function of transferring electric charges generated by the power generation reaction to an external circuit and a function of discharging water, unreacted gas, and the like to the outside. The gas diffusion layer 28 and the gas diffusion layer 32 are preferably made of a porous body having electron conductivity, and are made of, for example, carbon paper or carbon cloth.
[0024]
The catalyst layer 26 in the fuel electrode 22 and the catalyst layer 30 in the air electrode 24 are porous membranes, and are preferably composed of an ion exchange resin and carbon particles supporting a catalyst. The supported catalyst includes, for example, one or a mixture of two or more of platinum, ruthenium, and rhodium. The carbon particles supporting the catalyst include acetylene black, Ketjen black, furnace black and carbon nanotube.
[0025]
The ion exchange resin has a function of electrochemically connecting the carbon particles supporting the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20. The fuel electrode 22 is required to have hydrogen ion permeability, and the air electrode 24 is required to have oxygen permeability. The ion exchange resin may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20.
[0026]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the cell 50 will be described. First, in order to produce the fuel electrode 22 and the air electrode 24, a catalyst such as platinum is supported on carbon particles using, for example, an impregnation method or a colloid method. Next, a catalyst ink is produced by dispersing the carbon particles carrying the catalyst and the ion exchange resin in a solvent. The fuel electrode 22 and the air electrode 24 are produced by applying this catalyst ink to, for example, carbon paper which becomes a gas diffusion layer, heating and drying. As an application method, for example, a technique of brush application or spray application may be used. Subsequently, the solid polymer electrolyte membrane 20 is sandwiched between the catalyst layer 26 of the fuel electrode 22 and the catalyst layer 30 of the air electrode 24, and joined by hot pressing. Thereby, the cell 50 is manufactured. When the ion exchange resin in the solid polymer electrolyte membrane 20, the catalyst layer 26, and the catalyst layer 30 is made of a polymer material having a softening point or a glass transition, hot pressing should be performed at a temperature exceeding the softening temperature or the glass transition temperature. Is preferred.
[0027]
FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the cell 50. In the fuel electrode 22, a state is shown in which the catalyst layer 26 enters inside the surface of the gas diffusion layer 28 made of carbon paper or the like. Also in the air electrode 24, the catalyst layer 30 enters inside the gas diffusion layer 32.
[0028]
FIG. 3 is an exploded perspective view of the fuel cell 10, in which the structure is schematically shown with particular attention to one cell. In the polymer electrolyte fuel cell 10, as described above, air flows through the gas flow path 40 to supply oxygen to the air electrode 24. In the figure, a plurality of gas channels 40 are provided horizontally in the separator 36 provided on the air electrode 24 side, and air flows through the gas channels 40 from the back toward the front.
[0029]
When air flows through the gas flow path 40, the moisture in the solid polymer electrolyte membrane 20 evaporates into the air, and the moisture contained in the solid polymer electrolyte membrane 20 may decrease. When the air passes through the gas flow path 40, the water in the solid polymer electrolyte membrane 20 evaporates, so that the humidity of the air gradually increases as the air travels through the gas flow path 40. As a result, the amount of water evaporated in the solid polymer electrolyte membrane 20 is reduced in the vicinity of the outlet of the gas flow path 40, that is, in the area in front in this figure. As a result, the water content in the solid polymer electrolyte membrane 20 is lower in the vicinity of the inlet of the gas flow channel 40, that is, in the rear region in the drawing, as compared with the vicinity of the outlet of the gas flow channel 40. That is, the water distribution in the solid polymer electrolyte membrane 20 becomes uneven.
[0030]
As described above, the solid polymer electrolyte membrane 20 is configured to exhibit good ionic conductivity in a wet state, but the water content in the solid polymer electrolyte membrane 20 becomes uneven due to the non-uniform water distribution. In a region where the gas flow rate is low, more specifically, near the inlet of the gas flow path 40 on the air electrode 24 side, the power generation reaction may be reduced and the fuel cell 10 may not satisfy the desired performance. It is desirable that the entire surface of the molecular electrolyte membrane 20 be uniform. Therefore, in the present embodiment, a reinforcing material having hydrophilicity is used as a constituent member of the solid polymer electrolyte membrane 20, and the reinforcing material is formed into a porous structure, so that the inside of the solid polymer electrolyte membrane 20 is reduced. When the mobility of water is increased and the distribution of water in the solid polymer electrolyte membrane 20 is biased, the water is made to act in a direction in which the distribution of water is uniform, and the performance of the fuel cell 10 is suppressed from deteriorating.
[0031]
FIG. 4 is a top view showing the structure of the separator 36 having a gas flow path 40 different from the gas flow path 40 shown in FIG. The gas flow path 40 is formed as a single path from an inlet 62 provided at the upper right of the separator 36 to an outlet 64 provided at the lower left of the separator 36, and the path goes around the entire separator 36. ing. When the separator 36 has such a gas flow path 40, the deviation of the water distribution in the solid polymer electrolyte membrane 20 becomes larger than when the separator 36 has the separator 36 shown in FIG. That is, the water content in the solid polymer electrolyte membrane 20 near the outlet 64 becomes larger, and there is a great demand for moving water near the inlet 62, and the reinforcing material has a porous structure as shown in the present embodiment. A solid polymer electrolyte membrane 20 having a body is preferred.
[0032]
【Example】
The solid polymer electrolyte membrane 20 according to the present embodiment will be described in detail based on first to third examples. Here, three types of reinforcing materials are used: 1) a material in which metal fibers are formed in a mesh shape, 2) a material that is a sponge-like metal, and 3) a material in which a polymer fiber having an irregular cross-sectional shape is coated with a metal oxide. For example.
[0033]
(First embodiment)
In this embodiment, a method of manufacturing a material in which metal fibers are formed in a mesh shape as a reinforcing material will be described. Here, titanium is used as the material of the metal fiber. By cutting a titanium metal rod or a metal foil coil by chatter vibration cutting, fibrous titanium of a desired size can be obtained.
[0034]
Metal fibers produced by the chatter vibration cutting method have excellent dimensional stability and, because of their triangular prism structure, have excellent bonding properties with resin, and are suitable as a reinforcing material for a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell. The chatter vibration cutting method is a method in which self-excited vibration is applied to a cutting edge with a tool having elasticity to directly cut metal in a short fiber shape.
[0035]
Subsequently, fibrous titanium is made into paper with a binder, and heated and sintered at a temperature higher than the decomposition temperature of the binder and lower than the melting point of titanium, for example, at 800 to 900 ° C. in an inert atmosphere, whereby titanium having a network structure is formed. can get.
[0036]
Furthermore, the solid polymer electrolyte membrane 20 is formed by arranging titanium having a network structure on a releasable sheet such as PTFE and casting and drying a liquid obtained by dissolving or dispersing an ion exchange resin resin in a solvent. can get.
[0037]
In addition, tantalum, niobium, zirconium and the like can be used as the material of the metal fiber. In addition, as a technique for producing a metal fiber, there is another technique for cutting a metal wire formed by a bundle drawing method, a metal fiber spinning method, or a metal foil cutting method.
[0038]
(Second embodiment)
In this embodiment, a method of manufacturing a sponge-like metal used as a reinforcing material will be described. Here, when sintering the metal, a sponge-like metal is manufactured by mixing a pore former. Hereinafter, a description will be given using titanium as an example. Magnesium powder is used as a pore former.
[0039]
Titanium powder and magnesium powder are mixed at a predetermined ratio as raw material powders, pressurized with a predetermined load, and compacted. The formed green compact is heated in a predetermined heat pattern under vacuum, for example, under 1 kPa, thereby evaporating and separating magnesium. Generally, it is desirable that the maximum heating temperature at the time of the above heating exceed 1105 ° C., which is the boiling point of pure magnesium. Thereafter, sintering is performed by a general method to obtain porous titanium. The porous titanium may be used after being appropriately thickened by a process such as rolling or stretching.
[0040]
Subsequently, as in the first embodiment, sponge-like titanium is disposed on a releasable sheet such as PTFE, and a liquid obtained by dissolving or dispersing an ion exchange resin resin in a solvent is cast thereon and dried. The solid polymer electrolyte membrane 20 is obtained.
[0041]
As the raw material powder, a metal such as a fiber, a flake or a sphere may be used in place of the metal powder, which is appropriately determined according to the desired shape and size of the hole.
[0042]
Other examples of the pore former include ammonium bicarbonate and zinc stearate, and a porous metal having a desired pore diameter is formed by adjusting the pressing force and the sintering temperature. In addition, tantalum, niobium, zirconium, or the like can be used as a raw material powder.
[0043]
(Third embodiment)
Example 1 In this example, a method for producing a material in which polymer fibers having an irregular cross-sectional shape are coated with a metal oxide will be described. Here, polyester having a cross-shaped cross section is used as the polymer fiber, and the surface thereof is coated with titanium oxide. The polyester fiber is immersed in a solution in which titanium oxide fine particles and an organic binder are dispersed, and then sintered in an inert atmosphere. At this time, in order to enhance the binding property, it is preferable to carbonize the binder, and more preferably to graphitize the binder. As a result, a polymer fiber coated with the titanium oxide is obtained. Other examples of the cross-sectional shape of the polymer fiber include W-shape, X-shape, Y-shape, H-shape, L-shape, and star-shape.
[0044]
Subsequently, as in the first and second embodiments, polyester fibers coated with titanium oxide are arranged in a releasable sheet of PTFE or the like, and an ion exchange resin resin is dissolved or dispersed in a solvent thereon. The solid polymer electrolyte membrane 20 is obtained by casting and drying the liquid. Alternatively, zirconium oxide can be used as the metal oxide for coating the polymer fiber.
[0045]
As described above, according to the present embodiment, the generated solid polymer electrolyte membrane 20 is configured to include a reinforcing material having hydrophilicity, so that the water mobility in the solid polymer electrolyte membrane 20 increases and the air electrode When supplying air to 24, the water distribution in the solid polymer electrolyte membrane 20 is kept uniform, and a local decrease in the power generation reaction can be suppressed. As a result, the fuel cell 10 can exhibit desired performance.
[0046]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, desired water retention can be implement | achieved in a solid polymer electrolyte membrane. From another viewpoint, it is possible to suppress the water distribution in the solid polymer electrolyte membrane from becoming uneven. From another viewpoint, it is possible to suppress a decrease in the performance of the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a fuel cell according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a cell.
FIG. 3 is a diagram schematically showing an exploded perspective view of the fuel cell according to the embodiment, focusing on one cell.
FIG. 4 is a top view schematically showing the structure of a separator having a gas flow channel according to a modification.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 fuel cell, 20 solid polymer electrolyte membrane, 22 fuel electrode, 24 air electrode, 26 catalyst layer, 28 gas diffusion layer, 30 catalyst layer, 32 gas diffusion layer, 34 separator, 36 separator, 38 gas flow path, 40 gas Channel, 50 cells.

Claims

イオン導電性樹脂と、前記イオン導電性樹脂を支持する網目状多孔体とを含むことを特徴とする固体高分子電解質膜。A solid polymer electrolyte membrane comprising: an ionic conductive resin; and a mesh-like porous body supporting the ionic conductive resin.

前記網目状多孔体の表面を構成する材料として、水に対する接触角が９０°より小さい材料を用いたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質膜。2. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein a material having a contact angle to water of less than 90 ° is used as a material forming the surface of the mesh-like porous body. 3.

前記網目状多孔体は、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、またはチタンの少なくともいずれかの金属を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子電解質膜。The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the mesh-like porous body contains at least one metal of tantalum, niobium, zirconium, and titanium.

前記網目状多孔体は、高分子繊維の表面がチタンもしくはジルコニウムのいずれか一方の酸化物で被覆された構造体であることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子電解質膜。The solid polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein the mesh-like porous body is a structure in which the surface of a polymer fiber is coated with one of titanium and zirconium oxides.

前記母材が異形断面形状もしくは中空形状の高分子繊維からなることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子電解質膜。The solid polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein the base material is made of a polymer fiber having an irregular cross section or a hollow shape.

前記高分子繊維を構成する母材は、非フッ素系高分子であることを特徴とする請求項４または５に記載の固体高分子電解質膜。The solid polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein the base material constituting the polymer fiber is a non-fluorinated polymer.

請求項１〜６のいずれかに記載の固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を備えることを特徴とする燃料電池。A fuel cell, comprising: the solid polymer electrolyte membrane according to claim 1; and a fuel electrode on one surface and an air electrode on the other surface.