(57)【要約】【課題】高分子電解質膜におけるプロトン伝導及びこれに伴う水の移動についての性能の低下を抑制しつつ、機械的強度を補強する。【解決手段】発明の高分子電解質膜は、多孔質膜の気孔中に第１の高分子電解質が含浸された補強層と、補強層の両側に配列され、第２の高分子電解質からなる電解質層と、を備える。第１の高分子電解質が、多孔質膜の気孔率に応じた割合で、第２の高分子電解質よりも増加させたイオン交換基量を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜であって、
多孔質膜の気孔中に第１の高分子電解質が含浸された補強層と、
前記補強層の両側に配列され、第２の高分子電解質からなる電解質層と、を備え、
前記第１の高分子電解質が、前記多孔質膜の気孔率に応じた割合で、前記第２の高分子電解質よりも増加させたイオン交換基量を有することを特徴とする高分子電解質膜。
【請求項２】
請求項１記載の高分子電解質膜であって、
前記第１の高分子電解質のイオン交換基量を示すＥＷ値Ｂは、前記多孔質膜の気孔率Ｃ（％）と、前記第２の高分子電解質のイオン交換基量を示すＥＷ値Ａとを用いて表される関係式
Ｂ≦Ａ＊Ｃ／１００
を満たすことを特徴とする高分子電解質膜。
【請求項３】
請求項２記載の高分子電解質膜であって、
さらに、前記第１の高分子電解質のＥＷ値Ｂは、前記多孔質膜の屈曲率εを用いて表される関係式
Ｂ≦Ａ＊（Ｃ／１００）／ε
を満たすことを特徴とする高分子電解質膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池で用いられる高分子電解質膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池に用いられる高分子電解質膜の機械的強度を高めて耐久性を向上させるために、補強材を用いることが考えられている(例えば、特許文献１参照)。しかしながら、電解質膜中に存在する電解質ではない補強材の部分は、燃料電池の電気化学反応により発生するプロトン（陽イオン）の伝導（イオン伝導）を阻害するとともに、プロトン伝導に伴う水の移動を阻害し、プロトン伝導の抵抗となる。従って、高分子電解質膜に含まれる電解質ではない補強材の部分は、プロトン伝導および水の移動の点でボトルネックとなって、高分子電解質膜全体としての性能の低下を招く可能性がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０４０６３１号公報
【特許文献２】特開２００７−０７３３５０号公報
【特許文献３】特開２００７−１５７６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、高分子電解質膜におけるプロトン伝導及びこれに伴う水の移動についての性能の低下を抑制しつつ、機械的強度の補強が可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
高分子電解質膜であって、
多孔質膜の気孔中に第１の高分子電解質が含浸された補強層と、
前記補強層の両側に配列され、第２の高分子電解質からなる電解質層と、を備え、
前記第１の高分子電解質が、前記多孔質膜の気孔率に応じた割合で、前記第２の高分子電解質よりも増加させたイオン交換基量を有することを特徴とする高分子電解質膜。
この電解質膜によれば、補強層中のイオン交換基量を電解質層中のイオン交換基量に近づけることができるので、高分子電解質膜におけるプロトン伝導及びこれに伴う水の移動についての性能の低下を抑制しつつ、機械的強度の補強が可能となる。
【０００７】
［適用例２］
適用例１記載の高分子電解質膜であって、
前記第１の高分子電解質のイオン交換基量を示すＥＷ値Ｂは、前記多孔質膜の気孔率Ｃ（％）と、前記第２の高分子電解質のイオン交換基量を示すＥＷ値Ａとを用いて表される関係式
Ｂ≦Ａ＊Ｃ／１００
を満たすことを特徴とする高分子電解質膜。
このようにすれば、補強層中のイオン交換基量を電解質層中のイオン交換基量を同等以上とすることができる。
【０００８】
［適用例３］
適用例２記載の高分子電解質膜であって、
さらに、前記第１の高分子電解質のＥＷ値Ｂは、前記多孔質膜の屈曲率εを用いて表される関係式
Ｂ≦Ａ＊（Ｃ／１００）／ε
を満たすことを特徴とする高分子電解質膜。
このようにすれば、より精度よく、補強層中のイオン交換基量を電解質層中のイオン交換基量を同等以上とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００１０】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）１０の構造を示す模式図である。図１に示すように、この電解質膜１０は、補強層１２と、補強層１２の両側に配列された電解質層１４，１６と、から構成されている。
【００１１】
電解質層１４，１６は、Ｆ系の高分子電解質の一つであるＮａｆｉｏｎ（登録標、Ｄｕｐｏｎｔ社）で形成されている。
【００１２】
補強層１２は、多孔質な補強膜の細孔に電解質が充填された構造を有している。多孔質な補強膜としては、多孔質なＰＴＦＥ膜を用いることができる。また、細孔に充填された電解質としては、電解質層１４，１６と同じＮａｆｉｏｎが用いられる。
【００１３】
但し、細孔に充填される電解質には、電解質層１４，１６のＥＷ値をＡとし、補強膜の気孔率をＣ％とした場合に、Ｂ≦Ａ＊Ｃ／１００の関係を満たすＥＷ値Ｂの電解質が用いられる。すなわち、補強層１２の細孔に充填されている電解質には、そのＥＷ値Ｂが、電解質層１４，１６のＥＷ値Ａよりも気孔率Ｃ％の割合分だけ小さくした値以下の値を有する電解質が用いられる。例えば、電解質層１４，１６のＥＷ値Ａを７００とすると、補強層１２の電解質としては、気孔率Ｃが９０％の場合にはＥＷ値Ｂが６３０以下、８０％の場合にはＥＷ値が５６０以下となる電解質が用いられる。なお、気孔率は、単位体積あたりの重量を気孔率０％の補強基材を基準に比較することにより簡単に測定することができる。
【００１４】
図２は、電解質膜１０の作製工程の例を示す説明図である。あらかじめ、補強層用基材１２ａとして気孔率Ｃ％のＰＴＦＥ膜、含浸用電解質溶液１２ｂとしてＥＷ値ＢのＮａｆｉｏｎ溶液を用意する。また、電解質層用電解質溶液１４ａとして、ＥＷ値ＡのＮａｆｉｏｎ溶液を用意する。
【００１５】
そして、図２（Ａ）に示すように、補強層用基材１２ａを含浸用電解質溶液１２ｂに浸して、補強層用基材１２ａに含浸用電解質溶液１２ｂを含浸させることにより、含浸用電解質溶液１２ｂが含浸された補強層用膜１２ｃを作製する。次に、図２（Ｂ）に示すように、作製した補強層用膜１２ｃの両面に、電解質層用電解質溶液１４ａを塗布する。そして、図２（Ｃ）に示すように、電解質層用電解質溶液１４ａが塗布された補強層用膜１２ｃを乾燥させることにより、電解質膜１０を作製することができる。
【００１６】
本実施例の電解質膜１０は、上記したように、補強層１２には、電解質層１４，１６のＥＷ値Ａに比べて小さな値のＥＷ値Ｂを有する電解質が細孔に充填されている。これにより、補強層１２のイオン交換基量を電解質層１４，１６のイオン交換基量に近づけることができる。従って、電解質膜におけるプロトン伝導およびこれに伴う水の移動についての性能の低下を抑制しつつ、機械的強度の補強が可能である。
【００１７】
また、補強層１２のＥＷ値Ｂを、電解質層１４，１６のＥＷ値Ａに対して、Ｂ≦Ａ＊Ｃ／１００を満たすように設定することにより、補強層１２のイオン交換基量を電解質層１４，１６のイオン交換基量に対して同等以上とすることができる。
【００１８】
なお、電解質層１４，１６のＥＷ値Ａが、固体を維持する限界値、すなわち、Ｆ系のＮａｆｉｏｎの場合には、補強層１２の電解質は固体を維持できなくなる可能性が高い。しかしながら、本例の電解質膜１０の場合には補強層１２の両面を電解質層１４，１６で挟んでいるので、ゲル化した電解質の漏洩を防止することができる。
【００１９】
Ｂ．第２実施例：
図３は、本発明の第２実施例としての高分子電解質膜１０Ａの構造を示す模式図である。図３に示すように、この電解質膜１０Ａは、第１実施例の電解質膜１０と同様に、補強層１２Ａと、補強層１２Ａの両面に配列された電解質層１４，１６と、から構成されている。第１実施例の電解質膜１０との相違点は、補強層１２Ａの細孔に充填されている電解質に、Ｂ≦Ａ＊（Ｃ／１００）＊１／εの関係を満たすＥＷ値Ｂの電解質が用いられる点にあり、それ以外は第１実施例の電解質膜１０と同じである。なお、εは、補強層中の細孔による流路の屈曲率であり、直線流路長としての補強層の厚さに対する細孔による流路の長さの比で定義されるものであり、１以上となる。この屈曲率εは、例えば、補強層用基材へのガスや水の入力流量に対する出力流量を測定することにより、求めることができる。
【００２０】
本実施例の電解質膜１０Ａも、補強層１２Ａには、電解質層１４，１６のＥＷ値Ａに比べて小さな値のＥＷ値Ｂを有する電解質が細孔に充填されている。これにより、補強層１２Ａのイオン交換基量を電解質層１４，１６のイオン交換基量に近づけることができる。従って、電解質膜におけるプロトン伝導およびこれに伴う水の移動についての性能の低下を抑制しつつ、機械的強度の補強が可能である。
【００２１】
また、補強層１２のＥＷ値Ｂを、電解質層１４，１６のＥＷ値Ａに対して、Ｂ≦Ａ＊（Ｃ／１００）＊１／εを満たすように設定している。上記したように、屈折率εは、直線流路長としての補強層の厚さに対する細孔による流路の長さの比で定義されるものであり、プロトンとともに水が移動する流路であり、プロトン伝導および水の移動に対する抵抗を示すものである。従って、補強層１２Ａの細孔に充填される電解質のＥＷ値Ｂを、上記関係式を満たすように設定することにより、第１実施例の場合よりも、さらに精度よく補強層１２Ａのイオン交換基量を電解質層１４，１６のイオン交換基量に対して同等以上とすることができる。
【００２２】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００２３】
上記実施例は、Ｆ系の高分子電解質の一つであるＮａｆｉｏｎを用いた高分子電解質膜を例に説明しているが、Ｆｌｅｍｉｏｎ(登録商標、旭硝子（株）社)やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成工業（株）社）等の他のＦ系の高分子電解質を用いて同様に構成することができる。また、ＨＣ系の高分子電解質等のＦ系以外の他の高分子電解質を用いても同様に構成することが可能である。
【００２４】
上記実施例では、補強層となる補強層用膜に電解質溶液を塗布後乾燥させる方法により、実施例の電解質膜を作製する例を示したが、電解質層となる電解質層用電解質膜と補強層用膜とをホットプレスする方法でも、実施例の電解質膜を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例としての高分子電解質膜１０の構造を示す模式図である。
【図２】電解質膜１０の作製工程の例を示す説明図である。
【図３】本発明の第２実施例としての高分子電解質膜１０Ａの構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０…高分子電解質膜（電解質膜）
１０Ａ…高分子電解質膜（電解質膜）
１２…補強層
１２Ａ…補強層
１２ａ…補強層用基材
１２ｂ…含浸用電解質溶液
１２ｃ…補強層用膜
１４…電解質層
１４ａ…電解質層用電解質溶液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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