JP2006059756A - Solid polyelectrolyte film and polymer electrolyte fuel cell using the same, and their manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜、及び、これを用いた固体高分子型燃料電池、並びに、これらの製造方法に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane used in a solid polymer fuel cell, a solid polymer fuel cell using the same, and a method for producing the same.
近年、化石燃料の埋蔵量が激減しており、その代替となる燃料の開発が求められている。化石燃焼の代替燃料としては、容易に生成することが可能であり、環境に対する負荷の少ない水素が着目されている。水素ガスを用いたエネルギー源としては、発電の際に二酸化炭素等を発生せず、クリーンなエネルギー源である燃料電池が注目されており、各種開発が盛んに行われている。 In recent years, reserves of fossil fuels have drastically decreased, and development of alternative fuels has been demanded. As an alternative fuel for fossil combustion, attention has been focused on hydrogen that can be easily generated and has a low environmental impact. As an energy source using hydrogen gas, a fuel cell which does not generate carbon dioxide during power generation and is a clean energy source has attracted attention, and various developments have been actively conducted.
燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料ガス又は空気などの酸化剤ガスが供給される一対の電極と、前記電極に挟持される電解質膜と、を備え、白金等の触媒上で電気化学的に反応させ、電気を発生させるものである。 A polymer electrolyte fuel cell, which is a type of fuel cell, includes a pair of electrodes supplied with a fuel gas such as hydrogen or an oxidant gas such as air, and an electrolyte membrane sandwiched between the electrodes, such as platinum. It is made to react electrochemically on this catalyst and generate electricity.
図7を用いて従来の固体高分子型燃料電池の発電機構について説明する。図7は、従来の固体高分子型燃料電池の構造を示す概略図である。図7に示すように従来の固体高分子型燃料電池100は、プロトン伝導性を有し、選択的に水素イオンを移動させることが可能な電解質膜102と、燃料である水素ガスが供給される水素電極104(アノード)と、酸化剤として空気が供給される空気電極106(カソード)とで構成される。
A conventional power generation mechanism of a polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic view showing the structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell. As shown in FIG. 7, a conventional polymer
水素電極104は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層104Aと、気孔を有する多孔質部材で構成されるガス拡散層104Bとを有しており、電解質膜102の一方の面と触媒層104Aとが密着するように配置される。同様に、空気電極106は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層106Aと、気孔を有する多孔質部材で構成されるガス拡散層106Bとから構成されており、電解質膜102の他方の面に触媒層106Aが密着するように配置されている。また、水素電極104と空気電極106とは、外部回路108を通じて電気的に接続されており、水素電極104と空気電極106との外側には、各ガスの流通路を形成するセパレータ112がそれぞれ設置されている。
The
固体高分子型燃料電池100は、水素電極104に供給された水素ガスと触媒層104Aに担持された金属触媒との反応によって生じた水素イオンが電解質膜102を通過して空気電極106まで移動し、空気電極106に供給された空気中の酸素と触媒上で電気化学反応を起こすことで発電する。固体高分子型燃料電池100で発生した電気は、外部回路108を介して外部装置110に供給される。
In the polymer
通常、水素電極104や空気電極106に供給され、反応に寄与しなかった水素ガスや空気は排出口を通じて排出される。また、近年では、水素ガスの全てを反応に用いることができるデッドエンド型の燃料電池も開発されてきている。
Normally, hydrogen gas or air that is supplied to the
電解質膜102は、プロトン伝導性を有し、水素イオンのみを選択的に透過させる膜である。電解質膜102は、プロトン導電体として機能するために膜中の水分量を一定以上に保つ必要がある。電解質膜中の水分量が減少してしまうと、セル抵抗が上昇し、プロトン伝導性が低下してしまう。このため、通常は各電極に供給されるガスに水分を含ませる等の手段により、電解質膜中の水分量を制御している。しかし、電解質膜102は、低電流運転時やドライガス運転時には電解質膜が乾燥しやすい(電解質膜中の単位体積当たりの水分量が低下しやすい)状態にあり、プロトン伝導性の低下によって電池性能が低下してしまうといった問題がある。また、上述の電気化学反応は発熱反応であることから、燃料電池を連続で稼働させていると固体高分子型燃料電池100の温度(セル温度)の上昇に伴って電解質膜102中の水分が蒸発しやすくなる。このように、セル温度が高く電解質膜102中の水分が蒸発しやすい状態にあると、加湿により供給される水分よりも蒸発する水分の方が徐々に多くなり、膜中の単位体積当たりの含水量が少なくなってしまう。
The
上述のような低加湿条件下等においても電解質膜102中の単位体積当たりの含水量を確保するためには、電解質膜102を薄くすることで解決を図ることができる。しかし、電解質膜102を薄くすると、電解質膜102の耐久性が低くなるという問題を併発してしまう。また、電解質膜102は、各電極間の水素ガスの移動を遮る役割も果たしている。しかし、電解質膜102を薄くすると電解質膜12の水素ガス透過量が増大し、電解質膜102を通過して他方の電極にガスが移動するクロスリークの問題も生じてしまう。
In order to ensure the water content per unit volume in the
これに対し、電解質膜102の耐久性やガス遮断能を確保するためにある程度の膜厚を有したまま、低加湿条件下における高分子型燃料電池100の性能向上を図るために、含水率の高い低EWの電解質膜を用いることが検討されている。しかし、低EWの電解質膜は、含水率が高いが故に高加湿条件下において膨潤し、形状が変化してしまう。更に、低EWの電解質膜は、低EW化を可能とすべく、分子量の高いフッ素系高分子を用いたり、スルホン酸基等の官能基を有した側鎖が短いものを用いたりするため、触媒層との接合性が低下してしまう。このため、低EWの電解質膜を用いても十分な性能や耐久性を得ることができず、その改良が求められていた。ここで、前記「EW」とは、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を意味する。また、「当量重量」とは、イオン交換基1当量当たりのイオン交換膜の乾燥質量を意味し、「g/ew」の単位で表すことができる。
On the other hand, in order to improve the performance of the
電解質膜のEWを規定した電解質膜としては、固体高分子膜と触媒層との間に、固体高分子膜とは異なるEWのプロトン伝導性ポリマー層を備えた膜・電極接合体が提案されている(例えば、特許文献1参照)。かかる膜は、固体高分子膜の両面にEWの異なるポリマー層を設けることで、水をカソードから排出しやすくし、低電流密度から高電流密度領域まで安定した電池電圧を得ることを目的としている。しかし、係る固体高分子膜に設けられるポリマー層は、実質1μm程度の膜であり、その目的も水の流動を図ることにあることから、高湿度条件下における膜の形状変化を防止することが出来ない。 As an electrolyte membrane that defines the EW of the electrolyte membrane, a membrane / electrode assembly having a proton conducting polymer layer of EW different from the solid polymer membrane between the solid polymer membrane and the catalyst layer has been proposed. (For example, refer to Patent Document 1). The purpose of such a membrane is to provide a stable battery voltage from a low current density to a high current density region by providing a polymer layer with different EW on both sides of the solid polymer membrane, thereby facilitating discharge of water from the cathode. . However, the polymer layer provided in such a solid polymer film is a film of about 1 μm substantially, and its purpose is to aim at the flow of water, so that the change in the shape of the film under high humidity conditions can be prevented. I can't.
上述の諸問題を解決すべく、本発明は、耐久性に優れ、低加湿条件から高加湿条件化において安定した性能を発揮することが可能な固体高分子型電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池、並びに、これらの製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a solid polymer electrolyte membrane that is excellent in durability and capable of exhibiting stable performance from low humidification conditions to high humidification conditions, and a solid polymer electrolyte membrane using the same. It is an object of the present invention to provide molecular fuel cells and methods for producing them.
本発明の固体高分子電解質膜は、EWが600〜800且つ膜厚が30〜100μmであり、プロトン伝導性を有する電解質膜と、前記固体電解質膜の両面に配置され且つ膜厚が10〜20μmであり、プロトン伝導性を有する一対の高強度薄膜と、を備える。 The solid polymer electrolyte membrane of the present invention has an EW of 600 to 800 and a thickness of 30 to 100 μm, and is disposed on both surfaces of the proton conductive electrolyte membrane and the solid electrolyte membrane and has a thickness of 10 to 20 μm. And a pair of high-strength thin films having proton conductivity.
本発明の固体高分子電解質膜によれば、低EWの電解質膜を高強度薄膜で挟持することにより、低EWの電解質膜により低加湿条件下におけるプロトン伝導性を確保しつつ、耐久性及び高加湿条件時における安定性を付与することができ、更に、膜の水素透過量が少ない。これにより、燃料電池の固体高分子膜として用いた場合に、各電極間におけるクロスリークを防止することができ、耐久性が高く、更に、低加湿条件から高加湿条件下において安定した電池性能を発揮することができる。 According to the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, a low EW electrolyte membrane is sandwiched between high strength thin films, so that proton conductivity under low humidification conditions is ensured by the low EW electrolyte membrane, while durability and high durability are ensured. Stability during humidifying conditions can be imparted, and the hydrogen permeation amount of the membrane is small. As a result, when used as a solid polymer membrane of a fuel cell, cross leakage between each electrode can be prevented, durability is high, and stable battery performance from low humidification conditions to high humidification conditions is achieved. It can be demonstrated.
前記電解質膜のEWは600〜800である。この際、低加湿条件下における含水量を確保する観点からは、前記電解質膜のEWは650〜750が好ましく、700程度が特に好ましい。また、前記電解質膜の膜厚は30〜100μmである。この際、膜の耐久性及び水素透過抑制、並びに、低加湿条件下における膜の含水量を確保する観点からは、前記電解質膜の膜厚は、30〜90μmが好ましく、45〜85μmが更に好ましい。 The EW of the electrolyte membrane is 600 to 800. At this time, from the viewpoint of securing the water content under low humidification conditions, the EW of the electrolyte membrane is preferably 650 to 750, and particularly preferably about 700. The thickness of the electrolyte membrane is 30 to 100 μm. At this time, from the viewpoint of durability of the membrane, suppression of hydrogen permeation, and securing water content of the membrane under low humidification conditions, the thickness of the electrolyte membrane is preferably 30 to 90 μm, and more preferably 45 to 85 μm. .
また、前記高強度薄膜とは、プロトン伝導性を有し、機械強度特性に優れた薄膜を意味する。前記高強度薄膜の強度は、例えば、引っ張り破断強度又は破断弾性率等で表わすことができる。前記高強度薄膜の25℃・相対湿度40%における引っ張り破断強度としては、300kg/cm2以上が好ましく、具体的には、300〜700kg/cm2が更に好ましく、450〜550kg/cm2が特に好ましい。また、前記高強度薄膜の25℃・相対湿度40%における破断弾性率としては、3000kg/cm2以上が好ましく、具体的には、3000〜8000kg/cm2が更に好ましく、4000〜5000kg/cm2が特に好ましい。更に、80℃・相対湿度95%における前記高強度薄膜の引っ張り破断強度としては、100〜400kg/cm2が好ましく、200〜300kg/cm2が更に好ましい。また、80℃・相対湿度95%における破断弾性率としては300〜1500kg/cm2が好ましく、700〜1200kg/cm2が更に好ましい。 The high-strength thin film means a thin film having proton conductivity and excellent mechanical strength characteristics. The strength of the high-strength thin film can be expressed by, for example, tensile strength at break or elastic modulus at break. The breaking strength tensile at 25 ° C. · 40% relative humidity of the high strength thin, preferably 300 kg / cm 2 or more, specifically, more preferably 300~700kg / cm 2, 450~550kg / cm 2 is particularly preferable. Further, the high as the breaking modulus at 25 ° C. · 40% relative humidity strength thin, preferably 3000 kg / cm 2 or more, specifically, more preferably 3000~8000kg / cm 2, 4000~5000kg / cm 2 Is particularly preferred. Furthermore, as the tensile breaking strength of the high strength thin at 80 ° C. · 95% RH, preferably 100~400kg / cm 2, more preferably 200~300kg / cm 2. Further, preferably 300~1500kg / cm 2 as the breaking modulus at 80 ° C. · 95% RH, more preferably 700~1200kg / cm 2.
また、前記高強度薄膜の膜厚は10〜20μmである。この際、膜の耐久性及び高加湿条件下における形状安定性を向上させる観点から、前記電解質膜の膜厚は、12〜18μmが好ましく、15μm程度が更に好ましい。 The high-strength thin film has a thickness of 10 to 20 μm. At this time, from the viewpoint of improving the durability of the membrane and the shape stability under highly humidified conditions, the thickness of the electrolyte membrane is preferably 12 to 18 μm, and more preferably about 15 μm.
本発明の固体高分子電解質膜は、前記高強度薄膜が補強材を含むように構成することができる。前記補強材を含む高強度薄膜は耐久性に優れることから、本発明の固体高分子電解質膜の耐久性及び形状安定性を更に向上させることができる。また、前記補強材を含む高強度薄膜としては、多孔質構造を有するものを好ましく挙げることができる。このような、多孔質構造を有する高強度薄膜としては、例えば、PTFE多孔質材料等を挙げることができる。 The solid polymer electrolyte membrane of the present invention can be configured such that the high-strength thin film includes a reinforcing material. Since the high-strength thin film containing the reinforcing material is excellent in durability, the durability and shape stability of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention can be further improved. Moreover, as a high intensity | strength thin film containing the said reinforcing material, what has a porous structure can be mentioned preferably. Examples of such a high-strength thin film having a porous structure include a PTFE porous material.
また、本発明の固体高分子電解質膜は、前記高強度薄膜のEWと前記電解質膜のEWとが異なるものを用いるのが好ましく、前記高強度薄膜のEWが前記電解質膜のEWよりも大きいことが更に好ましい。このように、前記電解質膜のEWと異なるEWを有する高強度薄膜を用いることで、高加湿条件化における形状安定性を高めることができる。前記高強度薄膜のEWと前記電解質膜のEWとの差は、200以上であることが好ましく、300〜450程度であることが更に好ましい。前記高強度薄膜のEWとしては、900〜1300が好ましく、1000〜1100が更に好ましい。 Moreover, it is preferable to use a polymer electrolyte membrane of the present invention in which the EW of the high-strength thin film is different from the EW of the electrolyte membrane, and the EW of the high-strength thin film is larger than the EW of the electrolyte membrane. Is more preferable. Thus, by using a high-strength thin film having an EW different from the EW of the electrolyte membrane, the shape stability under high humidification conditions can be enhanced. The difference between the EW of the high-strength thin film and the EW of the electrolyte membrane is preferably 200 or more, and more preferably about 300 to 450. The EW of the high-strength thin film is preferably 900-1300, more preferably 1000-1100.
本発明の固体高分子電解質膜は、膜厚が10〜20μmのプロトン伝導性を有する一対の高強度薄膜と、前記一対の高強度薄膜に挟持され、EWが600〜800且つ膜厚が30〜100μmのプロトン伝導性を有する電解質膜と、をホットプレスによって積層化する工程を含む本発明の固体高分子電解質膜の製造方法によって好適に製造することができる。 The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is sandwiched between a pair of high-strength thin films having proton conductivity of 10 to 20 μm and a pair of high-strength thin films, and has an EW of 600 to 800 and a thickness of 30 to 30. It can be suitably produced by the method for producing a solid polymer electrolyte membrane of the present invention comprising a step of laminating an electrolyte membrane having proton conductivity of 100 μm by hot pressing.
また、本発明の固体高分子電解質膜は、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜として優れた性能を有する。本発明の固体高分子型燃料電池は、上述の本発明の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面に配置され、且つ、金属触媒を含有する一対の触媒層とで構成することができる。 Moreover, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention has excellent performance as an electrolyte membrane used in a solid polymer fuel cell. The solid polymer fuel cell of the present invention comprises the above-described solid polymer electrolyte membrane of the present invention and a pair of catalyst layers disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane and containing a metal catalyst. be able to.
本発明の固体高分子型燃料電池は、電解質膜として本発明の固体高分子電解質膜を採用するため、耐久性に優れるとともに、低〜高加湿条件化において広く安定した性能を発揮することができる。 Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention employs the polymer electrolyte membrane of the present invention as an electrolyte membrane, it is excellent in durability and can exhibit wide and stable performance under low to high humidification conditions. .
本発明の固体高分子型燃料電池は、一方の面に金属触媒を含有する触媒層が設けられ且つ膜厚が10〜20μmのプロトン伝導性を有する一対の高強度薄膜と、前記一対の高強度薄膜の前記触媒層が設けられていない側の面に挟持され、EWが600〜800且つ膜厚が30〜100μmのプロトン伝導性を有する電解質膜と、をホットプレスによって積層化する工程を含む本発明の固体高分子型燃料電池の製造方法によって好適に製造することができる。 The solid polymer fuel cell of the present invention comprises a pair of high strength thin films having a catalyst layer containing a metal catalyst on one surface and a proton conductivity of 10 to 20 μm, and the pair of high strength A book comprising a step of laminating a thin electrolyte membrane with a proton conductivity sandwiched between the surfaces of the thin film where the catalyst layer is not provided and having an EW of 600 to 800 and a thickness of 30 to 100 μm by hot pressing. It can be suitably manufactured by the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell of the invention.
本発明によれば、耐久性に優れ、低加湿条件から高加湿条件化において安定した性能を発揮することが可能な固体高分子型電解質膜及びこれを用いた固体高分子型燃料電池、並びに、これらの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a solid polymer electrolyte membrane that is excellent in durability and capable of exhibiting stable performance from low humidification conditions to high humidification conditions, a solid polymer fuel cell using the same, and These manufacturing methods can be provided.
以下、本発明の固体高分子電解質膜(以下、「本発明の電解質膜」と称する。)及び本発明の固体高分子型燃料電池(以下、「本発明の燃料電池」と称する。)の実施形態について図を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention (hereinafter referred to as “the electrolyte membrane of the present invention”) and the solid polymer fuel cell of the present invention (hereinafter referred to as “the fuel cell of the present invention”) are implemented. A form is demonstrated in detail using figures.
図1は、本発明の電解質膜を備えた固体高分子型燃料電池の構成を示す概略図である。図1に示すように本発明の燃料電池10は、本発明の電解質膜12と、燃料である水素ガスが供給される水素電極14(アノード)と、酸化剤として空気が供給される空気電極16(カソード)と、セパレータ18,20と、から構成されており、水素電極14及び空気電極16とに接続された外部回路22を通じて外部装置24に電力を供給できるように構成されている。本発明の燃料電池10は、燃料として供給された水素ガスが水素電極14において水素イオンと電子とを放出し、放出された電子(e-)が外部回路22を介して空気電極16まで移動することで発電する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a polymer electrolyte fuel cell provided with the electrolyte membrane of the present invention. As shown in FIG. 1, a
まず、本発明の電解質膜である電解質膜12について説明する。本発明の電解質膜12は、第1の高強度薄膜26Aと第2の高強度薄膜26Bとで電解質層30を挟んだ積層体として構成される。第1の高強度薄膜26A、第2の高強度薄膜26B及び電解質層30で構成される電解質膜12は、水素電極14で発生した電子と水素イオンとのうち、水素イオンのみを選択的に空気電極16に通過させる膜である。
First, the
第1の高強度薄膜26A及び第2の高強度薄膜26B(以下、これらを総じて「高強度薄膜26」と称する場合がある。)は、電解質層30を挟持して電解質膜12の強度を補強する役割を担っている。高強度薄膜26は、プロトン伝導性を有し、機械強度を保つためにカーボンにテトラフルオロエチレンをコーティングして形成されている。本実施の形態において高強度薄膜26の厚みは、それぞれ15μm程度であり、EWは1100程度である。
The first high-strength
電解質層30は、そのEWが700程度と低い低EWのフッ素系電解質膜である。このため、低加湿条件下においても電解質層30中の含水量が多く、ドライ運転等の低加湿運転時においても安定した電力を供給することができる。また、本実施の形態において電解質層30の厚みは70μmである。このため、高強度薄膜26による補強と併せて電解質膜12の強度を高くすることができるとともに、ある程度の膜厚を確保できることから電極間におけるガスの移動を遮断し、クロスリークの発生を抑制することができる。
The
また、電解質層30は、第1の高強度薄膜26Aと第2の高強度薄膜26Bとに挟持されていることから、高加湿条件下において電解質層30の電解質成分が膨張して変形するのを抑制することができる。これにより、高加湿運転時においても安定した電力を供給することができる。更に、本実施の形態において電解質成分はフッ素系の材料であることから、炭化水素系電解質膜に比して過酸化水素やそのラジカルに対する耐性が高い。
Further, since the
電解質層30は、EWが600〜800となるようにプロトン伝導性のポリマーで構成されている。プロトン伝導性のポリマーとしては、含フッ素高分子を骨格とし、少なくともスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基及びリン酸基から選ばれる少なくとも1種を有するものが好ましい。また、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とするポリマーも使用することができる。
The
前記含フッ素高分子としては、下記一般式(1)で表される第1のモノマーと、例えば、トリフルオロモノクロロエチレン、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、1,1−ジフルオロ−2,2−ジクロロエチレン、1,1−ジフルオロ−2−クロロエチレン、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロピレン、オクタフルオロイソブチレン、エチレン、塩化ビニル、及び、アルキルビニルエステル等から選ばれる第2のモノマーと、から構成される2種若しくは3種以上のモノマーの共重合体、或いは、前記第1のモノマー1種以上で構成される重合体などが挙げられる。前記フッ素高分子としては、特に、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体であることが好ましい。 Examples of the fluorine-containing polymer include a first monomer represented by the following general formula (1) and, for example, trifluoromonochloroethylene, trifluoroethylene, tetrafluoroethylene, vinylidene fluoride, hexafluoropropylene, 1,1. -From difluoro-2,2-dichloroethylene, 1,1-difluoro-2-chloroethylene, 1,1,1,3,3-pentafluoropropylene, octafluoroisobutylene, ethylene, vinyl chloride, alkyl vinyl ester, etc. Examples thereof include a copolymer of two or three or more monomers composed of the second monomer selected, or a polymer composed of one or more of the first monomers. The fluoropolymer is particularly preferably a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group.
一般式(1):Y−(CF2)a−(CFRf)b−(CFRf’)c−O−〔CF(CF2X)−CF2−O〕n−CF=CF2 Formula (1): Y- (CF 2 ) a- (CFR f) b- (CFR f ') c-O- [CF (CF 2 X) -CF 2 -O ] n -CF = CF 2
〔式中、Yは−SO2F、−SO3NH、−COOH、−CN、−COF、−COOR(Rは炭素数1〜10のアルキル基)、−PO3H2又は−PO3 Hを表わす。aは0〜6の整数、bは0〜6の整数、cは0又は1を表わす。但しa+b+cは0に等しくはならない。nは0〜6の整数を表わし、Xはn>1の時、Cl、Br、F又はそれらの混合物を表わす。Rf及びRf’はそれぞれ独立して、F、Cl、約1〜10個の炭素原子を有するパーフルオロアルキル基及び1〜10個の炭素原子を有するフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される。) Wherein, Y is -SO 2 F, -SO 3 NH, -COOH, -CN, -COF, -COOR (R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms), - PO 3 H 2 or -PO 3 H Represents. a represents an integer of 0 to 6, b represents an integer of 0 to 6, and c represents 0 or 1. However, a + b + c is not equal to 0. n represents an integer of 0 to 6, and X represents Cl, Br, F or a mixture thereof when n> 1. R f and R f ′ are each independently selected from the group consisting of F, Cl, a perfluoroalkyl group having about 1-10 carbon atoms and a fluorochloroalkyl group having 1-10 carbon atoms. The )
プロトン伝導性のポリマーは、モノマーが2分子以上結合しているものであればよいが、耐久性の観点からその体積平均分子量が5000以上であることが好ましい。また、ポリマーと低分子量化合物とを混合して用いることにより、電解質層30のEWを適宜調節することも可能である。上述のプロトン伝導性のポリマーは成膜等の際に、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類;N,N’−ジメチルアセドアミド、N,N’−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の極性溶媒;テトラヒドロフラン等の環状エーテル類;及び、前記溶媒群から選ばれた2種類以上の混合物;さらには前記溶媒群と水との混合物などに溶解させて用いることができる。前記溶媒としては、特に、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の低級アルコールの単独若しくは2種以上の溶媒と水との混合物が好ましい。さらに、前記溶媒群の少なくとも1種と、フルオロカーボンや含フッ素アルコール等の含フッ素化合物との混合溶媒も使用することができる。
The proton-conducting polymer may be one in which two or more monomers are bonded, but the volume average molecular weight is preferably 5000 or more from the viewpoint of durability. Further, the EW of the
次に、本発明の燃料電池10を構成する他の部材について説明する。図1に示すように本発明の燃料電池10は、水素電極14と空気電極16とが電解質膜12の両面と密着するように備えられている。また、水素電極14と空気電極16との外側には、水素ガス及び空気の流通路を形成するセパレータ18及び20がそれぞれ設置されている。
Next, other members constituting the
図1に示すように水素電極14は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末等を主成分とする触媒層14Aと、気孔を有する多孔質部材で形成されたガス拡散層14Bと、から構成されており、触媒層14Aが電解質膜12の一方の面に密着するように配置されている。セパレータ18によって形成される流通路を通じて供給された水素ガスは、ガス拡散層14Bを通じて触媒層14Aに到達するようになっている。
As shown in FIG. 1, the
触媒層14Aに備えられる触媒としては、公知の脱水素触媒を用いることができ、例えば、Pt、Pt−Rh、Pt−Ir、Pt−Re、Pt−W等の貴金属系の金属を用いた炭素担持Pt触媒、炭素担持Pt−Ir複合金属触媒、炭素担持Pt−Re複合金属触媒、炭素担持Pt−W複合金属触媒、又はニッケル系金属を使用した触媒等を用いることができる。触媒層14Aは、カーボン粉末等に担持した触媒と、高強度薄膜26に用いられる高分子(電解質)の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。
As the catalyst provided in the
触媒層14Aの外側(電解質膜12と密着していない側)に配置されるガス拡散層14Bは、気孔を有する多孔性部材で構成される。ガス拡散層14Bを構成する多孔性部材としては、カーボンペーパー、カーボン不織布、又は、カーボンクロス等が挙げられる。
The
同様に、空気電極16は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末等を主成分とする触媒層16Aと、気孔を有する多孔質部材で形成されたガス拡散層16Bと、から構成されており、触媒層16Aが電解質膜12の一方の面に密着するように配置されている。また、後述するセパレータ20によって形成される流通路を通じて供給された空気は、ガス拡散層16Bを通じて触媒層16Aに到達するようになっている。
Similarly, the
触媒層16Aに備えられる触媒としては、上述の触媒と同様のものを挙げることができる。また、触媒層16Aは、カーボン粉末等に担持した触媒と、高強度薄膜26に用いられる高分子(電解質)の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。
Examples of the catalyst provided in the
更に、触媒層16Aの外側(電解質膜12と密着していない側)に配置されるガス拡散層16Bは、上述と同様の気孔を有する多孔性部材で構成することができる。
Furthermore, the gas diffusion layer 16B disposed outside the
セパレータ18によって形成される流通路から水素電極14に供給された水素ガスは、ガス拡散層14Bを介して触媒層14Aに到達し、触媒層14Aに備えられた触媒の作用により、水素イオンと電子とを生成する。触媒層14Aにおいて発生した水素イオンは、電解質膜12を通過して、空気電極16にまで移動する。一方、電解質膜12を通過できない電子は、外部回路22を介して空気電極16まで移動する。本発明の燃料電池10は、この電子の移動により外部装置24に電力を供給することができる。
The hydrogen gas supplied from the flow path formed by the
この際、反応に寄与しなかった余剰水素ガス等の一部が、電解質膜12を透過する場合があるが、電解質膜12が十分な厚さを有することからその移動が遮られ、水素ガスが空気電極16にまで達するのを防止することができる。
At this time, a part of surplus hydrogen gas or the like that has not contributed to the reaction may permeate the
空気電極16にまで移動した水素イオンは、セパレータ20によって形成された流通路を介して供給される空気中の酸素と触媒層16Aにおいて反応し、外部回路22を介して移動してきた電子を受け取って水を生成する。水素イオンと酸素との反応によって生じた水は、図示を省略する排出口により装置外に排出される。
The hydrogen ions that have moved to the
また、水素電極14と同様に、空気電極16において反応に寄与しなかった余剰空気等の一部が、電解質膜12を透過する場合があるが、電解質膜12が十分な厚さを有することからその移動が遮られ、空気が水素電極14にまで達するのを防止することができる。
Similarly to the
次に、図2を用いて、本発明の電解質膜を用いた燃料電池の作製方法の一例について説明する。図2は、本発明の燃料電池の作製方法を説明するための概略図である。 Next, an example of a method for manufacturing a fuel cell using the electrolyte membrane of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic view for explaining a method for producing a fuel cell of the present invention.
本発明の燃料電池は、図2(a)に示すように、まず、セパレータ18上に水素電極14と第1の高強度薄膜26Aとをこの順で積層して積層体(積層体A)を形成し、更に、第1の高強度薄膜26A上に電解質層30を形成する低EWの電解質膜30Aを配置する。
In the fuel cell of the present invention, as shown in FIG. 2 (a), first, a
次いで、図2(b)に示すように、別途セパレータ20上に空気電極16と高強度薄膜26Bとを積層した積層体(積層体B)を用意し、積層体Aの電解質膜30Aと積層体の高強度薄膜26Bとが密着するように矢印方向に圧力をかけ、ホットプレスによって圧着することで、図2(c)に示すような本発明の電解質膜12を有する燃料電池10を作製することができる。この際、高強度薄膜26の強度の異方性(MD、TD)を利用(積層体A及びBの異方性がクロスするように積層)することで更なる耐久性の向上を図ることができる。
Next, as shown in FIG. 2B, a laminate (laminate B) in which the
本発明の電解質膜12は、低EWの電解質層30(電解質膜30A)と、水素電極14の触媒層14Aや空気電極16の触媒層16Aと、がそれぞれ高強度薄膜26を介して接着されるので、低EWの電解質膜をそのまま用いた場合のように触媒層と電解質膜との接着性が低下する問題が生じたり、フッ素系電解質膜と触媒層とが直接接することによって生じる界面によってプロトン導電性が低下する問題がない。尚、積層体Aと積層体Bとの圧着条件は、通常、圧力1〜50MPa(好ましくは、5〜20MPa)、温度80〜200℃(好ましくは、100〜140℃)、時間1〜60分(好ましくは、1〜20分)である。
In the
上述の通り、本発明の電解質膜は特定の膜厚の低EWの電解質膜を特定の膜厚の高強度薄膜で挟み込むように構成されているため、低加湿条件下においては低EWの電解質膜の作用により膜中の含水量を確保することができると共に、高加湿条件下においては低EWの電解質の膨潤による変形を高強度薄膜で抑えることができる。これにより、耐久性が高く、低〜高加湿条件にかけて広く安定した電力を供給することができる固体高分子型燃料電池を構成することができる。また、本発明の電解質膜はある程度の厚さを有しながら低加湿条件下での電力安定性を実現することができることから、電極間におけるガスの移動を抑制し、クロスリークの発生を防止することができる。 As described above, the electrolyte membrane of the present invention is configured such that a low EW electrolyte membrane having a specific thickness is sandwiched between high strength thin films having a specific thickness, so that the low EW electrolyte membrane under low humidification conditions. As a result, the water content in the film can be secured, and deformation due to swelling of the low EW electrolyte can be suppressed by the high strength thin film under high humidification conditions. Thereby, a polymer electrolyte fuel cell having high durability and capable of supplying wide and stable power over low to high humidification conditions can be configured. In addition, since the electrolyte membrane of the present invention can achieve power stability under low humidification conditions while having a certain thickness, it suppresses the movement of gas between electrodes and prevents the occurrence of cross leaks. be able to.
このため、本発明の燃料電池を車両に搭載される燃料電池として使用すると、低電流運転時やドライガス運転時のように空気電極(カソード)における水の生成が少なく電解質膜が乾燥しやすい状況下であっても、電解質膜中の水分量をある程度以上確保でき、プロトン伝導性の低下による燃料電池性能の低下を抑制し、広く安定した電力を供給することができる。 For this reason, when the fuel cell of the present invention is used as a fuel cell mounted on a vehicle, the situation where the electrolyte membrane is easy to dry is less generated at the air electrode (cathode) as in low current operation or dry gas operation. Even under such conditions, it is possible to secure a certain amount of moisture in the electrolyte membrane, to suppress a decrease in fuel cell performance due to a decrease in proton conductivity, and to supply a wide and stable power.
また、本実施形態においては単セル構造の燃料電池を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のセルを積層した燃料電池として構成することも可能である。 In the present embodiment, the fuel cell having a single cell structure has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be configured as a fuel cell in which a plurality of cells are stacked.
以下、実施例において本発明を具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described in Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
カーボンで形成されたセパレータ上に、拡散層(厚さ200μm、サイズ3.5cm×3.5cm)、触媒層(厚さ15μm、サイズ3.5cm×3.5cm)、PTFE多孔剤補強膜(厚さ15μm、サイズ6cm×6cm、EW1100)をこの順で積層して積層体A及びBを形成した。
[Example 1]
On a separator made of carbon, a diffusion layer (thickness 200 μm, size 3.5 cm × 3.5 cm), a catalyst layer (
この際、拡散層は、細孔径約30μm、厚み200μmのカーボンペーパーに、撥水ペーストを塗布し、300℃で焼成して作製した。 At this time, the diffusion layer was prepared by applying a water-repellent paste to carbon paper having a pore diameter of about 30 μm and a thickness of 200 μm and firing at 300 ° C.
また、触媒層は、白金を担持したカーボン粉末と、パーフルオロスルホン酸溶液(商品名:Nafion(R)112、5質量%、アルドリッチ社製)と、水とを混合して触媒層用塗布液を調製し、これを拡散層上に塗布し、80℃で乾燥することによって形成した。
The catalyst layer is a catalyst layer coating solution prepared by mixing platinum-supported carbon powder, a perfluorosulfonic acid solution (trade name:
さらに、積層体AのPTFE多孔剤補強膜上に電解質層として、低EWのフッ素系電解質膜(厚さ50μm、サイズ6cm×6cm、EW700)を設置した。
Further, on the PTFE porous agent reinforced membrane of the laminate A, a low EW fluorine-based electrolyte membrane (
続いて、積層体Aにおける電解質層と積層体BのPTFE多孔剤補強膜とが密着するように、圧力10MPa、温度120℃の条件で2分間圧着(ホットプレス)し、電解質膜が80μmの単一セルからなる本発明の燃料電池を作製した。 Subsequently, the electrolyte layer in the laminate A and the PTFE porous agent reinforcing membrane in the laminate B were pressed (hot pressed) for 2 minutes under conditions of a pressure of 10 MPa and a temperature of 120 ° C., and the electrolyte membrane was 80 μm in size. A fuel cell of the present invention consisting of one cell was produced.
[比較例1]
カーボンで形成されたセパレータ上に、拡散層(厚さ200μm、サイズ3.5cm×3.5cm)、触媒層(厚さ15μm、サイズ3.5cm×3.5cm)、電解質層としては、パーフルオロスルホン酸膜(商品名:Nafion(R)112、デュポン社製、厚さ50μm、サイズ6cm×6cm、EW1100)をこの順で積層した積層体を形成した。この積層体に、更に、セパレータ上に前記拡散層及び触媒層が積層された積層体を実施例1と同じ条件で圧着(ホットプレス)して、電解質膜が50μmの比較用の単一セルからなる燃料電池を作製した。
[Comparative Example 1]
On a separator formed of carbon, a diffusion layer (thickness 200 μm, size 3.5 cm × 3.5 cm), a catalyst layer (
[比較例2]
カーボンで形成されたセパレータ上に、拡散層(厚さ200μm、サイズ3.5cm×3.5cm)、触媒層(厚さ15μm、サイズ3.5cm×3.5cm)、低EWのフッ素系電解質膜(厚さ50μm、サイズ6cm×6cm、EW700)をこの順で積層し積層体を形成した。この積層体に、更に、これとセパレータ上に前記拡散層及び触媒層が積層された積層体を実施例1と同じ条件で圧着(ホットプレス)し、電解質膜が50μmの比較用の単一セルからなる燃料電池を作製した。
[Comparative Example 2]
On a separator made of carbon, a diffusion layer (thickness 200 μm, size 3.5 cm × 3.5 cm), a catalyst layer (
<評価>
上述から得られた燃料電池について、寸法変化、電流密度に対するセル電圧、水素透過量、セル温度に対するセル電圧について測定した。
<Evaluation>
The fuel cell obtained from the above was measured for dimensional change, cell voltage against current density, hydrogen permeation, and cell voltage against cell temperature.
前記寸法変化については、実施例及び比較例の燃料電池に用いられる電解質膜に対し1時間毎に25℃による乾燥と80℃の水への浸漬とを繰り返した。寸法変化については、最初の25℃による乾燥状態のものを基準としてその変換率を求めた。結果を図3に示す。図3からわかるように、低EWのみで構成された比較例2の電解質膜は80℃の水中において膨潤し寸法の変化が著しく大きいのに対し、実施例の電解質膜は寸法の変化が抑制されているのがわかる。尚、実施例1の電解質膜は従来から用いられているNafion(R)112のみで構成された比較例1の電解質膜よりも寸法安定性が良好であった。
About the said dimensional change, the drying by 25 degreeC and the immersion to 80 degreeC water were repeated every hour with respect to the electrolyte membrane used for the fuel cell of an Example and a comparative example. About the dimensional change, the conversion rate was calculated | required on the basis of the thing of the dry state by the first 25 degreeC. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 3, the electrolyte membrane of Comparative Example 2 composed only of low EW swells in water at 80 ° C. and the change in size is remarkably large, whereas the electrolyte membrane of the example suppresses the change in size. I can see that In addition, the electrolyte membrane of Example 1 had better dimensional stability than the electrolyte membrane of Comparative Example 1 composed only of the conventionally used
前記電流密度に対するセル電圧の測定は、セル温度を80℃に保ち80%の加湿条件でおこなった。結果を図4に示す。図4からわかるように、高加湿条件下で運転をおこなうと、低EWのみで構成された比較例2の燃料電池は電解質膜の寸法変化のため、電流密度の上昇に伴ってセル電圧が低下していた。これに対し、実施例1及び比較例1の燃料電池は、セル電圧の低下がゆるやかであった。尚、前記セル電圧は電圧測定器として、890C−100W/50A(スクリブナー社製)を用いた。 The measurement of the cell voltage with respect to the current density was performed under a humidified condition of 80% while keeping the cell temperature at 80 ° C. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, when operated under high humidification conditions, the fuel cell of Comparative Example 2 configured only with low EW decreases in cell voltage as the current density increases due to the dimensional change of the electrolyte membrane. Was. On the other hand, in the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1, the decrease in cell voltage was gradual. The cell voltage was 890C-100W / 50A (manufactured by Scribner) as a voltage measuring device.
前記水素透過量の測定は、燃料電池のアノードに水素ガスを、また、カソードに窒素ガスをガス流量500ml/minの条件で1時間供給し、その後カソードにおける水素ガスの量を測定することでおこなった。結果を図5に示す。図5からわかるように実施例1の燃料電池は、比較例1及び2に対して顕著に水素透過量が少ないことがわかる。このことから、実施例1の燃料電池はクロスリークの発生が効果的に抑制されているのがわかる。 The hydrogen permeation is measured by supplying hydrogen gas to the anode of the fuel cell and nitrogen gas to the cathode at a gas flow rate of 500 ml / min for 1 hour, and then measuring the amount of hydrogen gas at the cathode. It was. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 5, the fuel cell of Example 1 has significantly less hydrogen permeation than Comparative Examples 1 and 2. From this, it can be seen that the fuel cell of Example 1 effectively suppresses the occurrence of cross leak.
前記セル温度に対するセル電圧の測定は、加湿運転でアノード及びカソードの電極を50℃に設定し、電流密度0.5A/cm2、ガス利用率50%の条件でおこなった。結果を図6に示す。図6から、従来から用いられているNafion(R)112のみで構成された電解質膜を有する比較例1の燃料電池は、セル温度に対するセル電圧の降下が著しいのに比して、実施例1の燃料電池のセル電圧の低下はゆるやかであった。尚、前記セル電圧は電圧測定器として、890C−100W/50A(スクリブナー社製)を用いた。
The measurement of the cell voltage with respect to the cell temperature was performed under the conditions of a current density of 0.5 A / cm 2 and a gas utilization rate of 50%, with the anode and cathode electrodes set to 50 ° C. in a humidifying operation. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 6, the fuel cell of Comparative Example 1 having an electrolyte membrane composed only of
また、実施例1及び各比較例の燃料電池の強度を比較したところ、実施例1の燃料電池の強度は、比較例1及び2の燃料電池の強度よりも優れていた。 Moreover, when the strength of the fuel cell of Example 1 and each comparative example was compared, the strength of the fuel cell of Example 1 was superior to the strength of the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2.
10 燃料電池
12 電解質膜
14 水素電極
14A 触媒層
14B ガス拡散層
16 空気電極
16A 触媒層
16B ガス拡散層
18,20 セパレータ
22 外部回路
24 外部装置
26A 第1の高強度薄膜
26B 第2の高強度薄膜
30 電解質層
10
Claims (9)
前記電解質膜の両面に配置され且つ膜厚が10〜20μmであり、プロトン伝導性を有する一対の高強度薄膜と、
を備えた固体高分子電解質膜。 An electrolyte membrane having an EW of 600 to 800 and a film thickness of 30 to 100 μm and having proton conductivity;
A pair of high-strength thin films disposed on both surfaces of the electrolyte membrane and having a thickness of 10 to 20 μm and having proton conductivity;
A solid polymer electrolyte membrane.
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