(57)【要約】【課題】直接メタノール型の燃料電池において、メタノールクロスオーバーの発生を抑制する。【解決手段】電解質膜に、パーフルオロスルホン酸とポリふっ化ビニリデンとによって形成された薄膜を用いることとし、特に、この薄膜のポリふっ化ビニリデンの含有率を２０質量％以上、８０質量％以下に選定する。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜がパーフルオロスルホン酸とポリふっ化ビニリデンとにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜のポリふっ化ビニリデンの含有率が２０質量％以上、８０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接メタノール型燃料電池等の燃料電池に係り、特にその電解質膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直接メタノール型燃料電池は、メタノールを燃料電極上で水と反応させる方式の燃料電池で、燃料を液体として貯蔵することができるので、水素ガスを用いる方式の燃料電池に比較して効率、安全性とも優れ、かつ改質器を必要としないので構成がシンプルとなり、小型化が容易となる。近年、この直接メタノール型の長所が注目され、固体高分子電解質膜を用いた直接メタノール型の燃料電池が開発されている。
従来の固体高分子型燃料電池や直接メタノール型燃料電池においては、通常、パーフルオロスルホン酸からなる厚さ１００μｍ程度の電解質膜を燃料電極と酸化剤電極とにより挟持して膜電極接合体が構成されている。しかるに、パーフルオロスルホン酸からなる電解質膜は、メタノール水溶液と接すると膜が膨張してメタノール水溶液の通り道となるクラスターサイズが拡大するが故に、メタノール水溶液の透過性が極めて高くなる。したがって、直接メタノール型の燃料電池の場合、水とともに多量のメタノールが燃料電極から電解質膜へと混入し、ついには酸化剤電極へと到達する、いわゆるメタノールクロスオーバーと呼ばれる現象が生じる危険性がある。このようにメタノールクロスオーバーが生じると、発生する電池電圧が低下するとともに、酸化剤電極でのメタノールの酸化に伴って人体に有害なアルデヒド等が発生する恐れがある。
【０００３】
したがって、固体高分子電解質膜を用いた直接メタノール型の燃料電池においては、上記のごときメタノールクロスオーバーの発生を抑制することが必須条件であり、各所でその解決が企図されている。下記の特許文献１には、その解決策として、フラーレンの炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘電体を主成分として含むプロトン伝導体を用いる方策等が示されており、また、特許文献２には、触媒金属の少なくとも一部分に電子伝導性高分子化合物を担持した触媒層を有する電極を備える等の方策が示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−６３９１７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１０１９０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、固体高分子電解質膜を用いた直接メタノール型の燃料電池は、効率、安全性とも優れ、かつ構成がシンプルで、小型化が容易となるという利点を有しており、例えば可搬型電源として期待されている。しかしながら本方式の燃料電池を実用可能のものとするためには、上述のごときメタノールクロスオーバーの発生を回避する必要がある。
本発明はこのような技術の現状を考慮してなされたもので、本発明の目的は、固体高分子電解質膜を用いた膜電極接合体の燃料電極上でメタノールを直接水と反応させる直接メタノール型の燃料電池において、燃料電極から酸化剤電極へのメタノールクロスオーバーの発生が回避され、安全に、かつ効率よく運転できる燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
直接メタノール型の燃料電池において、電解質膜をパーフルオロスルホン酸とポリふっ化ビニリデンとにより形成することとし、そのポリふっ化ビニリデンの含有率を、例えば、２０質量％以上、８０質量％以下とすることとする。
このようにパーフルオロスルホン酸にポリふっ化ビニリデンを加えて電解質膜を形成すれば、ポリふっ化ビニリデンが骨格の役割を果すので、メタノール水溶液と接しても電解質膜の膨張が抑えられ、後述のように透過量が低減するので、メタノールクロスオーバーが起こりにくくなる。特に、ポリふっ化ビニリデンの含有率を２０質量％以上とすれば、透過量は十分低い値となる。
【０００７】
また、ポリふっ化ビニリデンを加えれば電解質膜の伝導度が低下するが、含有率を８０質量％以下に抑えれば、後述のごとく電解質膜として使用可能な伝導度を維持する。したがって、ポリふっ化ビニリデンの含有率を、２０質量％以上、８０質量％以下とすれば、透過量が抑制され、かつ使用可能な伝導度が維持されることとなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電解質膜の実施例とその特性を説明する。
ポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とパーフルオロスルホン酸を溶媒に溶かし、ガラス板上にキャストする方法によって、ポリふっ化ビニリデンの含有量が０〜９０質量％の種々の混合比の薄膜を作製した。次いで、得られた種々の混合比の薄膜について、メタノールの透過量と伝導度を測定した。
図１は、上記の測定試験により得られた薄膜のメタノール透過特性を示す特性図で、横軸は、パーフルオロスルホン酸とポリふっ化ビニリデンからなる薄膜中のポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の比率（質量％）であり、縦軸は、  ＰＶＤＦが０％の薄膜、すなわちパーフルオロスルホン酸のみによって形成された従来の電解質膜のメタノール透過量により規格化して表示したメタノール透過量（％）である。
【０００９】
図に見られるように、メタノール透過量は、薄膜中のポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の比率の上昇とともに単調に減少し、特に、ポリふっ化ビニリデンの比率が２０  ％以上になると従来の電解質膜のメタノール透過量の４０  ％以下に低下している。このメタノール透過量の減少は、ポリふっ化ビニリデンが骨格の役目を果して薄膜の膨潤化を抑制することによるものである。薄膜中のポリふっ化ビニリデンの比率を上昇すれば、このようにメタノール透過量が減少し、メタノールクロスオーバーの発生が回避可能となる。
図２は、上記の測定試験により得られた薄膜の伝導度特性を示す特性図で、横軸は、図１と同様にパーフルオロスルホン酸とポリふっ化ビニリデンからなる薄膜中のポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の比率（質量％）であり、縦軸は、  ＰＶＤＦが０％の薄膜、すなわちパーフルオロスルホン酸のみによって形成された従来の電解質膜の伝導度により規格化して表示した伝導度（％）である。
【００１０】
図に見られるように、薄膜の伝導度は、薄膜中のポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の比率の上昇とともに単調に減少しているが、その減少度は緩やかで、ポリふっ化ビニリデンの比率が２０  ％のとき従来の電解質膜の約９０  ％の伝導度が、また、ポリふっ化ビニリデンの比率が８０  ％に達しても従来の電解質膜の４０  ％以上の伝導度が得られている。したがって、パーフルオロスルホン酸とポリふっ化ビニリデンからなる薄膜を用いてもポリふっ化ビニリデンの比率が  ８０  ％以下であれば、燃料電池の電解質膜として必要な伝導度を有することがわかる。
以上の試作試験結果より、パーフルオロスルホン酸とポリふっ化ビニリデンとから作製した薄膜を燃料電池の電解質膜として使用すれば、メタノールクロスオーバーの発生が回避可能となり、特にポリふっ化ビニリデンの比率を２０  ％以上、  ８０  ％以下とすれば効果的であることがわかる。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
直接メタノール型の燃料電池において、電解質膜をパーフルオロスルホン酸とポリふっ化ビニリデンとにより形成することとし、そのポリふっ化ビニリデンの含有率を、例えば、２０質量％以上、８０質量％以下とすることとしたので、燃料電極から酸化剤電極へのメタノールクロスオーバーの発生が回避され、安全に、かつ効率よく運転できる燃料電池が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とパーフルオロスルホン酸により作製した薄膜のメタノール透過特性を示す特性図
【図２】ポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とパーフルオロスルホン酸により作製した薄膜の伝導度の測定結果を示す特性図
【図１】
2004319244.tif 000002
【図２】
2004319244.tif 000003