電解質膜およびこれを用いた燃料電池
【課題】金属化合物電解質からなる電解質膜およびこれを用いた燃料電池の破損を防止する。
【解決手段】 電解質膜を、金属化合物電解質および独立気泡を有する高分子とから形成する。
【解決手段】 電解質膜を、金属化合物電解質および独立気泡を有する高分子とから形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属化合物電解質からなる電解質膜およびこれを用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、一対の電極間に電解質を配置して単位セルを構成し、各セルのアノード電極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、カソード電極に酸素を含有する酸化ガスを供給して、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。
【０００３】
燃料電池は用いられる電解質の種類によって分類される。電解質に液体であるりん酸を用いて１９０℃程度で発電を行うりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、電解質にイオン伝導性ポリマーを用いて７０℃程度で発電を行う固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、電解質にイオン伝導性セラミックスを用いて６００℃〜１０００℃程度で運転が行われる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。
【０００４】
近年、従来よりも低い温度で発電が可能な固体電解質形燃料電池の研究が進められている。特許文献１には、電解質に酸化物プロトン伝導体を用いた固体酸化物形燃料電池であって、室温から５００℃未満で電気出力が得られるものが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、３００℃以下で高いイオン導電率を示すアニオン伝導塩基性酸化物を電解質として用いた固体電解質型燃料電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４-６３４６０
【特許文献２】ＷＯ２０１０/００７９４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電解質膜として、これらの固体電解質を用いた形燃料電池においては、起動停止時の温度変化に伴う電解質膜の体積の膨張や収縮により電解質膜に割れを生じると、ガスの遮蔽性が失われ、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤とが、電解質の割れの部分を通って直接反応することにより、発電運転が不能になる問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明においては、金属化合物電解質を用いた電解質膜において、前記電解質膜が、さらに独立気泡を有する高分子を含有するものとした。これにより、電解質膜の膨張又は収縮時に、独立気泡を有する高分子が電解質の体積変化を吸収し、電解質膜層全体の変形量を小さくすることができる。
また、前記電解質膜中に占める金属化合物電解質の割合は、２５ｗｔ％〜９８ｗｔ％とすることが好ましい。電解質膜中に占める金属化合物電解質の割合が２５ｗｔ％以下であると、電解質膜のイオン伝導性が低下して燃料電池の抵抗ロスが大きくなる。一方、９８ｗｔ％より大きいと、独立気泡を有する高分子が電解質膜の体積変化を吸収しきれなくなる。
【０００９】
前記独立気泡を有する高分子としては、特にフッ素ゴム発泡体やシリコーンゴム発泡体等の耐熱性、対薬品性に優れたゴム発泡体が好ましい。
また、本発明においては、燃料電池に上記の電解質膜を用いて構成した。これにより、起動・停止による温度変化等による電解質の破損がなく、故障の少ない燃料電池を提供することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、体積変化に伴うヒビや割れといった破損のない電解質膜を提供でき、これにより、電解質膜の破損に起因する故障の少ない燃料電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池セルの電解質膜の模式図。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る電解質膜は、金属化合物電解質と独立気泡を有する高分子から構成されている点を特徴とする。
前記金属化合物電解質としては、例えば、NaCo2O4 、Bi4Sr14Fe24O56、およびLaFe3Sr3O10等の焼結体を粉砕して得た粉末を用いることができる。
【００１３】
また、高分子としては、合成ゴム又は天然ゴムからなる発泡ゴムを用いることができる。
発泡ゴムを採用する場合には、電解質膜の原料として、金属化合電解質の粉末およびゴム材料に加え、架橋剤、発泡剤、充填剤および加硫助剤を必要に応じて添加する。
【００１４】
電解質膜を形成する金属化合物電解質と高分子材料とは、上記のものに限られないが、用いる高分子材料の耐熱温度以下の温度で、金属化合物電解質がイオン伝導性を有する組合せを選択する。
【００１５】
これらの原料を混練して所定厚さのプレフォームに成膜した後、加熱成形することにより、図１に示す独立気泡を有する高分子１ａと金属化合物電解質粒子１ｂとからなる電解質膜１を得た。
【００１６】
次に、作製した電解質膜１を用いて図２に示す本発明の実施形態に係る燃料電池を組み立てた。
電解質膜１の片面にはアノード電極２を、反対面にはカソード電極３を配置する。さらに、アノード電極２およびカソード電極３上に、シリコーンゴム製のＯリングからなるシール材４を介してセパレータ５を積層し、セパレータ５の外側から締め付ける。
【００１７】
本発明の実施形態では、アノード電極２およびカソード電極３は、触媒機能を有する貴金属でメッキした金属メッシュを用いており、ガス拡散層と触媒層の機能を兼ね供えている。ただしこれに限らず、電解質板１に電極を一体化させたり、ガス拡散層やセパレータ３の表面に触媒層を一体形成したり、セパレータ３が電極を兼ねる構成とすることもできる。触媒、ガス拡散層やセパレータ５には、従来公知のカーボンやステンレス製のものを用いることができる。
【００１８】
以下、本発明を実施例によって更に詳述するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
酢酸ナトリウムと酢酸コバルトを0.8：1の割合で混合し、蒸留水に溶解させ、水分を100℃で蒸発することで粉末を得た。次に、この粉末を750℃で5時間、790℃で３時間焼成して得られた粉末を、900℃、60MPaで成型、焼成したペレットを平均粒径1μmに粉砕することによりNaCo2O4粉末を得た。
【００２０】
得られたNaCo2O4粉末100重量部に対し、フッ素ゴム（ダイエル（登録商標）G-801、ダイキン工業株式会社製）10重量部、架橋剤（パーヘキサ（登録商標）25B、日油株式会社製）0.3重量部、発泡剤（セルマイク（登録商標）S、三協化成株式会社製）1重量部、充填剤（アエロジル（登録商標）R-972、日本アエロジル株式会社製）0.5重量部、加硫助剤(TAIC（登録商標）、日本化成株式会社製)0.4重量部を添加して、二本ロールにより混練りした後、厚さ0.5mmのプレフォームを作製した。
【００２１】
次に、このプレフォームを170℃で10分間加熱して成型し、厚さ0.8mmの電解質膜を得ることができた。
このようにして得られた本実施例の電解質膜と、発泡樹脂を含まない従来のNaCo2O4のみからなる電解質膜との夫々用いて、図２に示す燃料電池を作製し、（１）温度150℃、露点90℃雰囲気、（２）温度80℃、露点80℃雰囲気、および（３）温度25℃、露点20℃雰囲気の３条件を順に10回繰り返すサイクル試験を行った。
【００２２】
その結果、NaCo2O4電解質膜層については、サイクル試験後に割れが生じていたのに対し、本実施例の電解質膜層については、割れ、変形は見られなかった。
【符号の説明】
【００２３】
１ 電解質膜
２ アノード電極
３ カソード電極
４ シール材
５ セパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属化合物電解質からなる電解質膜およびこれを用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、一対の電極間に電解質を配置して単位セルを構成し、各セルのアノード電極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、カソード電極に酸素を含有する酸化ガスを供給して、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。
【０００３】
燃料電池は用いられる電解質の種類によって分類される。電解質に液体であるりん酸を用いて１９０℃程度で発電を行うりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、電解質にイオン伝導性ポリマーを用いて７０℃程度で発電を行う固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、電解質にイオン伝導性セラミックスを用いて６００℃〜１０００℃程度で運転が行われる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。
【０００４】
近年、従来よりも低い温度で発電が可能な固体電解質形燃料電池の研究が進められている。特許文献１には、電解質に酸化物プロトン伝導体を用いた固体酸化物形燃料電池であって、室温から５００℃未満で電気出力が得られるものが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、３００℃以下で高いイオン導電率を示すアニオン伝導塩基性酸化物を電解質として用いた固体電解質型燃料電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４-６３４６０
【特許文献２】ＷＯ２０１０/００７９４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電解質膜として、これらの固体電解質を用いた形燃料電池においては、起動停止時の温度変化に伴う電解質膜の体積の膨張や収縮により電解質膜に割れを生じると、ガスの遮蔽性が失われ、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤とが、電解質の割れの部分を通って直接反応することにより、発電運転が不能になる問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明においては、金属化合物電解質を用いた電解質膜において、前記電解質膜が、さらに独立気泡を有する高分子を含有するものとした。これにより、電解質膜の膨張又は収縮時に、独立気泡を有する高分子が電解質の体積変化を吸収し、電解質膜層全体の変形量を小さくすることができる。
また、前記電解質膜中に占める金属化合物電解質の割合は、２５ｗｔ％〜９８ｗｔ％とすることが好ましい。電解質膜中に占める金属化合物電解質の割合が２５ｗｔ％以下であると、電解質膜のイオン伝導性が低下して燃料電池の抵抗ロスが大きくなる。一方、９８ｗｔ％より大きいと、独立気泡を有する高分子が電解質膜の体積変化を吸収しきれなくなる。
【０００９】
前記独立気泡を有する高分子としては、特にフッ素ゴム発泡体やシリコーンゴム発泡体等の耐熱性、対薬品性に優れたゴム発泡体が好ましい。
また、本発明においては、燃料電池に上記の電解質膜を用いて構成した。これにより、起動・停止による温度変化等による電解質の破損がなく、故障の少ない燃料電池を提供することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、体積変化に伴うヒビや割れといった破損のない電解質膜を提供でき、これにより、電解質膜の破損に起因する故障の少ない燃料電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池セルの電解質膜の模式図。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る電解質膜は、金属化合物電解質と独立気泡を有する高分子から構成されている点を特徴とする。
前記金属化合物電解質としては、例えば、NaCo2O4 、Bi4Sr14Fe24O56、およびLaFe3Sr3O10等の焼結体を粉砕して得た粉末を用いることができる。
【００１３】
また、高分子としては、合成ゴム又は天然ゴムからなる発泡ゴムを用いることができる。
発泡ゴムを採用する場合には、電解質膜の原料として、金属化合電解質の粉末およびゴム材料に加え、架橋剤、発泡剤、充填剤および加硫助剤を必要に応じて添加する。
【００１４】
電解質膜を形成する金属化合物電解質と高分子材料とは、上記のものに限られないが、用いる高分子材料の耐熱温度以下の温度で、金属化合物電解質がイオン伝導性を有する組合せを選択する。
【００１５】
これらの原料を混練して所定厚さのプレフォームに成膜した後、加熱成形することにより、図１に示す独立気泡を有する高分子１ａと金属化合物電解質粒子１ｂとからなる電解質膜１を得た。
【００１６】
次に、作製した電解質膜１を用いて図２に示す本発明の実施形態に係る燃料電池を組み立てた。
電解質膜１の片面にはアノード電極２を、反対面にはカソード電極３を配置する。さらに、アノード電極２およびカソード電極３上に、シリコーンゴム製のＯリングからなるシール材４を介してセパレータ５を積層し、セパレータ５の外側から締め付ける。
【００１７】
本発明の実施形態では、アノード電極２およびカソード電極３は、触媒機能を有する貴金属でメッキした金属メッシュを用いており、ガス拡散層と触媒層の機能を兼ね供えている。ただしこれに限らず、電解質板１に電極を一体化させたり、ガス拡散層やセパレータ３の表面に触媒層を一体形成したり、セパレータ３が電極を兼ねる構成とすることもできる。触媒、ガス拡散層やセパレータ５には、従来公知のカーボンやステンレス製のものを用いることができる。
【００１８】
以下、本発明を実施例によって更に詳述するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
酢酸ナトリウムと酢酸コバルトを0.8：1の割合で混合し、蒸留水に溶解させ、水分を100℃で蒸発することで粉末を得た。次に、この粉末を750℃で5時間、790℃で３時間焼成して得られた粉末を、900℃、60MPaで成型、焼成したペレットを平均粒径1μmに粉砕することによりNaCo2O4粉末を得た。
【００２０】
得られたNaCo2O4粉末100重量部に対し、フッ素ゴム（ダイエル（登録商標）G-801、ダイキン工業株式会社製）10重量部、架橋剤（パーヘキサ（登録商標）25B、日油株式会社製）0.3重量部、発泡剤（セルマイク（登録商標）S、三協化成株式会社製）1重量部、充填剤（アエロジル（登録商標）R-972、日本アエロジル株式会社製）0.5重量部、加硫助剤(TAIC（登録商標）、日本化成株式会社製)0.4重量部を添加して、二本ロールにより混練りした後、厚さ0.5mmのプレフォームを作製した。
【００２１】
次に、このプレフォームを170℃で10分間加熱して成型し、厚さ0.8mmの電解質膜を得ることができた。
このようにして得られた本実施例の電解質膜と、発泡樹脂を含まない従来のNaCo2O4のみからなる電解質膜との夫々用いて、図２に示す燃料電池を作製し、（１）温度150℃、露点90℃雰囲気、（２）温度80℃、露点80℃雰囲気、および（３）温度25℃、露点20℃雰囲気の３条件を順に10回繰り返すサイクル試験を行った。
【００２２】
その結果、NaCo2O4電解質膜層については、サイクル試験後に割れが生じていたのに対し、本実施例の電解質膜層については、割れ、変形は見られなかった。
【符号の説明】
【００２３】
１ 電解質膜
２ アノード電極
３ カソード電極
４ シール材
５ セパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属化合物電解質からなる電解質膜であって、
前記電解質膜が、さらに、独立気泡を有する高分子を含有することを特徴とする電解質膜。
【請求項２】
前記電解質膜中に占める金属化合物電解質の割合が、２５ｗｔ％〜９８ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の電解質膜。
【請求項３】
前記独立気泡を有する高分子が、ゴム発泡体であることを特徴とする請求項１または２に記載の電解質膜。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の前記電解質膜の一方の面にアノード電極を他方の面にカソード電極を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
金属化合物電解質からなる電解質膜であって、
前記電解質膜が、さらに、独立気泡を有する高分子を含有することを特徴とする電解質膜。
【請求項２】
前記電解質膜中に占める金属化合物電解質の割合が、２５ｗｔ％〜９８ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の電解質膜。
【請求項３】
前記独立気泡を有する高分子が、ゴム発泡体であることを特徴とする請求項１または２に記載の電解質膜。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の前記電解質膜の一方の面にアノード電極を他方の面にカソード電極を備えたことを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−９９３０４（Ｐ２０１２−９９３０４Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４５１３６（Ｐ２０１０−２４５１３６）
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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