JP2003203641A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JP2003203641A
JP2003203641A JP2001401949A JP2001401949A JP2003203641A JP 2003203641 A JP2003203641 A JP 2003203641A JP 2001401949 A JP2001401949 A JP 2001401949A JP 2001401949 A JP2001401949 A JP 2001401949A JP 2003203641 A JP2003203641 A JP 2003203641A
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fuel cell
polymer
acid group
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proton exchange
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Japanese (ja)
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Masao Abe
正男 阿部
Kuniaki Ishibashi
邦昭 石橋
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Nitto Denko Corp
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Nitto Denko Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell having high output and high voltage in which a conductive organic polymer is used as an electrode catalyst and, further, for example, a low cost proton exchange membrane of which polymer chain is made of hydrocarbon is used as an electrolyte membrane. <P>SOLUTION: This is a fuel cell in which a cathode and an anode are provided interposing an electrolyte membrane and an oxidizer is supplied to this cathode by gas and a reducing agent is supplied to this anode by gas. A conductive organic polymer having oxidation-reduction function is provided at least at one of the electrodes and the polymer chain is made of a hydrocarbon skeleton that may contain one or more of different kind of atoms selected from N, S, O and F (provided that a polymer chain made of perfluoro-hydrocarbon is excluded), and the proton exchange membrane is made of a polymer having an acid radical. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電解質膜を挟んでカソ
ードとアノードとを配設し、このカソードに酸化剤を気
体で供給し、アノードに還元剤を気体で供給する燃料電
池において、少なくとも一方の電極に、酸化還元機能を
備えた導電性有機重合体を電極触媒として有せしめると
共に、上記電解質膜として、低廉な樹脂を基体とする重
合体からなるプロトン交換膜を用いてなり、しかも、高
い出力を有する燃料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to at least a fuel cell in which a cathode and an anode are arranged with an electrolyte membrane sandwiched therebetween, an oxidant is supplied as a gas to the cathode, and a reducing agent is supplied as a gas to the anode. One of the electrodes is provided with a conductive organic polymer having a redox function as an electrode catalyst, and as the electrolyte membrane, a proton exchange membrane made of an inexpensive resin-based polymer is used. The present invention relates to a fuel cell having high output.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、固体高分子電解質を挟んでアノー
ドとカソードとを配設して固体電解質/電極構造を構成
し、これをセパレータにより挟んで単位セルを構成し、
この単位セルを複数積層し、電気的に直列に接続してな
る燃料電池が開発されている。この燃料電池は、クリー
ンで且つ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電
気自動車用電源や家庭用分散型電源等として注目されて
いる。
2. Description of the Related Art In recent years, a solid polymer electrolyte is sandwiched between an anode and a cathode to form a solid electrolyte / electrode structure, which is sandwiched between separators to form a unit cell.
A fuel cell in which a plurality of these unit cells are stacked and electrically connected in series has been developed. This fuel cell has attracted attention as a power source for electric vehicles, a dispersed power source for household use, and the like, because of its cleanness and high efficiency.

【0003】より詳細に説明すれば、このような固体高
分子型燃料電池は、その基本構成として、プロトン交換
膜を挟んで、それぞれ電極触媒を有するアノードとカソ
ードの一対の電極を配設してなり、このアノードの表面
に水素等の還元剤(燃料)を接触させ、カソードの表面
に酸化剤(酸素)を接触させて、電気化学反応を起こさ
せ、この反応を利用して、上記一対の電極の聞から電気
エネルギーを取り出すものである。
More specifically, such a polymer electrolyte fuel cell has, as its basic structure, a pair of electrodes, an anode and a cathode, each having an electrode catalyst, with a proton exchange membrane sandwiched therebetween. Then, a reducing agent (fuel) such as hydrogen is brought into contact with the surface of the anode, and an oxidizing agent (oxygen) is brought into contact with the surface of the cathode to cause an electrochemical reaction. It extracts electrical energy from the electrodes.

【0004】ここに、従来、上記プロトン交換膜として
は、ナフィオン(登録商標)として知られるパーフルオ
ロスルホン酸ポリマーからなるイオン交換膜が基本特性
にすぐれているものとして、よく知られており、また、
アノードとカソードとしては、電極触媒として白金を担
持させたカーボンシート等が広く知られている。
Heretofore, as the proton exchange membrane, it is well known that an ion exchange membrane made of a perfluorosulfonic acid polymer known as Nafion (registered trademark) has excellent basic characteristics. ,
As the anode and the cathode, a carbon sheet supporting platinum as an electrode catalyst is widely known.

【0005】一方、例えば、ポリアセチレンやポリピロ
ール、ポリアニリン等に代表されるようなドーバントを
有し、酸化還元機能(レドックス能)を備えた導電性有
機重合体は、リチウム二次電池等における電極活物質と
して注目されていると共に(特許第1845557号公
報)、速やかな放電機能を有する導電性高分子キャパシ
タとしての用途も提案されている(第39回電池討論会
予稿集第173頁(1998年)、電気化学会第67回
大会講演要旨集第147頁(2000年))。
On the other hand, for example, a conductive organic polymer having a dovant represented by polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, etc., and having a redox function is an electrode active material in a lithium secondary battery or the like. (Patent No. 1845557) and its use as a conductive polymer capacitor having a rapid discharge function has been proposed (39th Annual Meeting of the Battery Symposium, Proceedings, p. 173 (1998), Proceedings of the 67th Annual Meeting of the Electrochemical Society, p. 147 (2000)).

【0006】しかしながら、上述したような導電性有機
重合体は、現在、実用化されている電極活物質であるコ
バルト酸リチウム(LiCoO2)やリチウムのような
無機酸化物や金属材料に比べてエネルギー密度が低い。
そこで、このような導電性有機重合体の低いエネルギー
密度を補うために、導電性有機重合体を電極触媒として
用い、この導電性有機重合体が接する電解液中に酸化剤
や還元剤を溶解させて、電池を燃料電池のように使用す
る試みが提案されている(特開昭59−60967号公
報、特開昭61−124070号公報)。
However, the conductive organic polymer as described above has a higher energy than an inorganic oxide or a metal material such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium which is an electrode active material which is currently in practical use. Low density.
Therefore, in order to supplement the low energy density of such a conductive organic polymer, a conductive organic polymer is used as an electrode catalyst, and an oxidizing agent or a reducing agent is dissolved in the electrolytic solution in contact with this conductive organic polymer. Then, an attempt to use the cell as a fuel cell has been proposed (JP-A-59-60967 and JP-A-61-214070).

【0007】しかし、これらの電池によれば、酸化剤と
還元剤が共に溶液として供給されるので、電極への活物
質の拡散が遅く、その放電特性は数mA/cm2 程度で
あっで、高い出力電圧を得ることができないほか、電池
システムも複雑であり、実用的ではない.
However, according to these batteries, since the oxidizing agent and the reducing agent are both supplied as a solution, the diffusion of the active material into the electrodes is slow, and the discharge characteristic thereof is about several mA / cm 2 . In addition to being unable to obtain a high output voltage, the battery system is also complicated, making it impractical.

【0008】他方、上述したように、従来の固体高分子
型燃料電池は、電極触媒として白金を用いるので、コス
トが高く、また、酸性の液体の溶出や、アノードでの一
酸化炭素被睾等、実用化に重要な障害となっており、し
かも、白金以外に実用的な電極触媒は、未だ見出されて
いない。
On the other hand, as described above, the conventional polymer electrolyte fuel cell uses platinum as the electrode catalyst, so that the cost is high, the elution of the acidic liquid, the carbon monoxide scratching at the anode, etc. However, it is an important obstacle to practical use, and practical electrode catalysts other than platinum have not yet been found.

【0009】また、プロトン交換膜として、上述したよ
うに、耐酸性、耐酸化性、耐熱性等の点から、パーフル
オロスルホン酸ポリマー膜が有用であるとされている
が、しかし、このポリマーは非常に高価であるので、プ
ロトン交換膜を大量に用いる燃料電池においては、製造
コストを大幅に高める要因となっており、かくして、従
来、低廉で高性能のプロトン交換膜を用いる燃料電池が
強く要望されている。
As a proton exchange membrane, as mentioned above, a perfluorosulfonic acid polymer membrane is said to be useful in terms of acid resistance, oxidation resistance, heat resistance, etc. However, this polymer is Since it is extremely expensive, in a fuel cell that uses a large amount of a proton exchange membrane, this is a factor that significantly increases the manufacturing cost. Thus, conventionally, a fuel cell that uses a low-cost and high-performance proton exchange membrane has been strongly demanded. Has been done.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の燃料
電池における上述した問題を解決するためになされたも
のであって、導電性有機重合体を電極触媒とし、更に、
例えば、重合体鎖が炭化水素からなる低廉なプロトン交
換膜を電解質膜として用いてなる高出力と高電圧を有す
る燃料電池を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in conventional fuel cells, in which a conductive organic polymer is used as an electrode catalyst, and
For example, an object of the present invention is to provide a fuel cell having a high output and a high voltage, which uses an inexpensive proton exchange membrane having a polymer chain of hydrocarbon as an electrolyte membrane.

【0011】[0011]

【問題を解決するための手段】本発明によれば、電解質
膜を挟んでカソードとアノードとを配設し、このカソー
ドに酸化剤を気体で供給し、アノードに還元剤を気体で
供給する燃料電池において、少なくとも一方の電極に、
酸化還元機能を備えた導電性有機重合体を電極触媒とし
て有せしめると共に、重合体鎖がN、S、O及びFから
選ばれる1種以上の異種原子を含んでいてもよい炭化水
素骨格からなり(但し、パーフルオロ炭化水素からなる
重合体鎖を除く。)、酸基を有する重合体からなるプロ
トン交換膜からなることを特徴とする燃料電池が提供さ
れる。
According to the present invention, a fuel is provided in which a cathode and an anode are arranged with an electrolyte membrane sandwiched therebetween, an oxidant is supplied as a gas to the cathode, and a reducing agent is supplied as a gas to the anode. In a battery, at least one electrode,
A conductive organic polymer having a redox function is used as an electrode catalyst, and the polymer chain is composed of a hydrocarbon skeleton which may contain one or more kinds of heteroatoms selected from N, S, O and F. (However, a polymer chain made of perfluorohydrocarbon is excluded.) And a proton exchange membrane made of a polymer having an acid group are provided.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明によれば、カソードとアノ
ードの少なくとも一方の電極に、酸化還元機能(レドッ
クス能)を備え、好ましくは、ドーバントを有する導電
性有機重合体を電極触媒として有せしめる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION According to the present invention, at least one of a cathode and an anode has a redox function, and preferably a conductive organic polymer having a dovant is used as an electrode catalyst. .

【0013】このような導電性有機重合体としては、例
えば、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリア
ニリン、ポリピロール、ポリチオフエン、ポリインドー
ル、ポリ−2,5−ジアミノアントラキノン、ポリ(o
−フェニレンジアミン)、ポリ(キノリニウム)塩、ポ
リ(イソキノリニウム)塩、ポリピリジン、ポリキノキ
サリン、ポリフェニルキノキサリン等を挙げることがで
きる。これらの導電性有機重合体は、種々の置換基を有
していてもよい。このような置換基の具体例として、例
えば、アルキル基、水酸基、アルコキシル基、アミノ
基、カルポキシル基、スルホン酸基、ハロゲン基、ニト
ロ基、シアノ基、アルキルスルホン酸基、ジアルキルア
ミノ基等を挙げることができる。これらの置換基は、導
電性有機重合体の酸化還元電位を調整するのに有用であ
る。
Examples of such conductive organic polymers include polyacetylene, poly-p-phenylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyindole, poly-2,5-diaminoanthraquinone, poly (o).
-Phenylenediamine), poly (quinolinium) salt, poly (isoquinolinium) salt, polypyridine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline and the like. These conductive organic polymers may have various substituents. Specific examples of such a substituent include, for example, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, an amino group, a carboxyl group, a sulfonic acid group, a halogen group, a nitro group, a cyano group, an alkylsulfonic acid group and a dialkylamino group. be able to. These substituents are useful for adjusting the redox potential of the conductive organic polymer.

【0014】また、上記ドーパントは、スルホン酸基を
有するものが好ましく、例えば、ポリピニルスルホン酸
やフェノールスルホン酸ノボラック樹脂等のようなイオ
ン性のポリマースルホン酸や、また、ドデシルベンゼン
スルホン酸等の低分子量有機スルホン酸化合物を挙げる
ことができるが、なかでも、前者のようなイオン性のポ
リマー、特に、ポリマースルホン酸であることが好まし
い。ここに、本発明によれば、ポリマースルホン酸と
は、分子中にスルホン酸基を有するポリマーをいうもの
とする。
The above-mentioned dopant preferably has a sulfonic acid group, for example, an ionic polymer sulfonic acid such as polypinyl sulfonic acid or phenol sulfonic acid novolac resin, or dodecylbenzene sulfonic acid. The low molecular weight organic sulfonic acid compound can be mentioned. Among them, the former ionic polymer, in particular, a polymer sulfonic acid is preferable. Here, according to the present invention, the polymer sulfonic acid means a polymer having a sulfonic acid group in the molecule.

【0015】しかし、本発明においては、スルホン酸基
を分子中に有するスルホン化ポリアニリンのような自己
ドープ型の導電性有機重合体も、ドーパントを有する導
電性有機重合体に含めることとする。
However, in the present invention, a self-doping type conductive organic polymer such as sulfonated polyaniline having a sulfonic acid group in the molecule is also included in the conductive organic polymer having a dopant.

【0016】本発明においては、導電性有機重合体とし
ては、上述したなかでも、特に、酸化反応においてプロ
トンを放出し、還元反応においてプロトンを消費するも
のが好ましく、このような導電性有機重合体として、ポ
リアニリン、ポリアルキルアニリン、ポリインドール、
ポリ(o−フェニレンジアミン)、ポリピリジン、ポリ
キノキサリン、ポリフェニルキノキサリン等のように、
分子内に窒素原子を有する導電性有機重合体を挙げるこ
とができる。
In the present invention, among the above-mentioned conductive organic polymers, those which release a proton in an oxidation reaction and consume a proton in a reduction reaction are preferable among the above-mentioned conductive organic polymers. As, polyaniline, polyalkylaniline, polyindole,
Like poly (o-phenylenediamine), polypyridine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline, etc.,
A conductive organic polymer having a nitrogen atom in the molecule can be mentioned.

【0017】本発明においては、カソードとアノードの
両方に同じ導電性有機重合体を電極触媒として有せしめ
てもよく、相互に相違する導電性有機重合体を電極触媒
として有せしめてもよい。しかし、本発明によれば、よ
り高い電圧を得るために、カソードにはp型の導電性有
機重合体を用い、アノードにはn型の導電性有機重合体
を用いるのが好ましい。ここに、前述した導電性有機重
合体のうち、p型のものは、ポリアニリン、ポリアルキ
ルアニリン及びポリインドールであり、n型のものは、
ポリ(o−フェニレンジアミン)、ポリピリジン、ポリ
キノキサリン及びポリフェニルキノキサリンである。
In the present invention, the same conductive organic polymer may be provided as an electrode catalyst on both the cathode and the anode, or different conductive organic polymers may be provided as electrode catalysts. However, according to the present invention, it is preferable to use a p-type conductive organic polymer for the cathode and an n-type conductive organic polymer for the anode in order to obtain a higher voltage. Among the conductive organic polymers described above, the p-type ones are polyaniline, polyalkylaniline and polyindole, and the n-type ones are
These are poly (o-phenylenediamine), polypyridine, polyquinoxaline and polyphenylquinoxaline.

【0018】一般に、ある導電性有機重合体がp型とn
型のいずれであるかを判定するには、既に、知られてい
るように、例えば、導電性有機重合体の粉末をディスク
に成形し、その2か所に電極を取付け、この電極に温度
差を与えたときの低温側の電極の電位の正負を調べれば
よい。即ち、低温側の電極に正の電位が現れたとき、そ
の導電性有機重合体はp型であり、反対に、低温側の電
極に負の電位が現れたとき、その導電性有機重合体はn
型である。また、別の方法として、その導電性有機重合
体のサイクリックボルクモグラムを測定し、SCEに対
して正の電位領域に酸化還元対を有するとき、その導電
性有機重合体はp型であり、負の電位領域に酸化還元対
を有するとき、その導電性有機重合体はn型である。
In general, some conductive organic polymers are p-type and n-type.
As already known, for example, a conductive organic polymer powder is molded into a disk, electrodes are attached to the two locations, and a temperature difference is applied to the electrodes. It suffices to check the positive / negative of the potential of the electrode on the low temperature side when the voltage is given. That is, when a positive potential appears at the low temperature side electrode, the conductive organic polymer is p-type, and conversely, when a negative potential appears at the low temperature side electrode, the conductive organic polymer becomes n
It is a type. Alternatively, as another method, the cyclic organic voltammogram of the conductive organic polymer is measured, and when the conductive organic polymer has a redox couple in a positive potential region with respect to SCE, the conductive organic polymer is a p-type. , The conductive organic polymer is n-type when it has a redox couple in the negative potential region.

【0019】更に、本発明によれば、一方の電極にの
み、導電性有機重合体を電極触媒として有せしめ、他方
の電極には、従来のような白金触媒を用いてもよい。ま
た、本発明によれば、カソードとアノードの少なくとも
一方の電極に導電性有機重合体と無機酸化還元触媒との
混合物を電極触媒として有せしめてもよい。
Further, according to the present invention, only one electrode may have a conductive organic polymer as an electrode catalyst, and the other electrode may use a conventional platinum catalyst. Further, according to the present invention, at least one of the cathode and the anode may have a mixture of a conductive organic polymer and an inorganic redox catalyst as an electrode catalyst.

【0020】このように、導電性有機重合体を電極触媒
として用いるに際して、その使用量は、特に、限定され
るものではないが、通常、電極面積当り、0.5〜10
0mg/cm2 の範囲である。
As described above, when the conductive organic polymer is used as an electrode catalyst, the amount used is not particularly limited, but usually 0.5 to 10 per electrode area.
It is in the range of 0 mg / cm 2 .

【0021】上述したような導電性有機重合体は、既に
知られている方法によって得ることができる。ポリマー
スルホン酸をドーパントとして有する導電性ポリアニリ
ンを例にとって説明する.
The conductive organic polymer as described above can be obtained by a known method. A conductive polyaniline having polymer sulfonic acid as a dopant will be described as an example.

【0022】特開平3−28229号公報に記載の方法
に従って、プロトン酸の存在下に酸化剤にてアニリンを
化学酸化重合することによって、上記プロトン酸によっ
てドープされた導電性ポリアニリン(導電性ポリアニリ
ン組成物)粉末を得ることができ、これを適宜のアルカ
リ水溶液、例えば、アンモニア水中で脱ドープし、得ら
れた粉末を濾過、乾燥すれば、脱ドープ状態で有機溶剤
に可溶性のポリアニリン、即ち、酸化脱ドープ状態のポ
リアニリンの粉末を得ることができる。
According to the method described in JP-A-3-28229, conductive polyaniline (conductive polyaniline composition) doped with the above-mentioned protonic acid is prepared by chemically oxidatively polymerizing aniline with an oxidizing agent in the presence of a protic acid. Substance) powder, which is dedoped in an appropriate alkaline aqueous solution, for example, ammonia water, and the powder obtained is filtered and dried to obtain polyaniline which is soluble in an organic solvent in the undoped state, that is, oxidized. An undoped polyaniline powder can be obtained.

【0023】より詳細には、適宜のプロトン酸、例え
ば、塩酸の存在下に適宜の溶剤中、例えば、水やメタノ
ール中にて、アニリンにベルオキソ二硫酸アンモニウム
のような酸化剤を反応させ、析出した粉末を濾取するこ
とによって、上記プロトン酸でドープされた導電性ポリ
アニリン組成物を得る。次いで、この粉末を、例えば、
アンモニアのようなアルカリ物質の水溶液に加えて、導
電性ポリアニリン組成物を中和(即ち、脱ドープ)する
ことによって、一般式(I)
More specifically, aniline is reacted with an oxidizing agent such as ammonium peroxodisulfate in the presence of a suitable protic acid such as hydrochloric acid in a suitable solvent such as water or methanol for precipitation. By filtering the powder, a conductive polyaniline composition doped with the above-mentioned protonic acid is obtained. This powder is then, for example,
The conductive polyaniline composition is neutralized (ie, dedoped) by addition to an aqueous solution of an alkaline substance such as ammonia to give a compound of general formula (I)

【0024】[0024]

【化1】 [Chemical 1]

【0025】(式中、m及びnはそれぞれ繰り返し単位
中のキノンジイミン構造単位及びフェニレンジアミン構
造単位のモル分率を示し、0<m≦1、0≦n<1、m
+n=1である。)で表される繰返し単位からなる酸化
脱ドープ状態のポリアニリン粉末を得る。
(In the formula, m and n represent the mole fractions of the quinonediimine structural unit and the phenylenediamine structural unit in the repeating unit, respectively, 0 <m ≦ 1, 0 ≦ n <1, m
+ N = 1. ) The polyaniline powder in the oxidatively dedoped state consisting of the repeating unit represented by

【0026】このようにして得られる脱ドープ状態のポ
リアニリンは、高分子量を有し、しかも、種々の有機溶
剤に溶解する。通常、N−メチルピロリドン中、30℃
で測定した極限粘度〔η〕が0.40dL/g以上を有
し、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジ
メチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、
ジメチルスルホキシド、1,3−ジメチル−2−イミダ
ゾリジノン、スルホラン等の有機溶剤に溶解する。この
ような有機溶剤への脱ドープ状態のポリアニリンの溶解
度は、その平均分子量や溶剤にもよるが、通常、ポリア
ニリンの0.5〜100%が溶解し、1〜30重量%濃
度の溶液を得ることができる。特に、この脱ドープ状態
のポリアニリンは、N−メチル−2−ピロリドンに高い
溶解性を示し、通常、ポリアニリンの20〜100%が
溶解し、3〜30重量%溶液を得ることができる。
The undoped polyaniline thus obtained has a high molecular weight and is soluble in various organic solvents. Usually in N-methylpyrrolidone at 30 ° C
Has an intrinsic viscosity [η] of 0.40 dL / g or more, and is, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide,
It is dissolved in an organic solvent such as dimethyl sulfoxide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone and sulfolane. Although the solubility of the undoped polyaniline in such an organic solvent depends on the average molecular weight and the solvent, 0.5 to 100% of polyaniline is usually dissolved to obtain a solution having a concentration of 1 to 30% by weight. be able to. In particular, this undoped polyaniline exhibits high solubility in N-methyl-2-pyrrolidone, and usually 20 to 100% of polyaniline dissolves to obtain a 3 to 30% by weight solution.

【0027】また、上記脱ドープ状態のポリアニリンに
おいて、m及びnの値は、ポリアニリンを酸化又は還元
することによって調整することができる。即ち、還元す
ることによって、mを低減させ、nを増大させることが
できる.逆に、酸化すれば、mを増大させ、nを低減さ
せることができる。ポリアニリンの還元によって、ポリ
アニリン中のキノンジイミン構造単位が減少すると、ポ
リアニリンの有機溶剤への溶解性が高められる。また、
還元前に比べて、溶液の粘度は低下する。このような溶
剤可溶性のポリアニリンの還元のためには、例えば、N
−メチル−2−ピロリドンに溶解するが、N−メチル−
2−ピロリドンを還元しない点から、フェニルヒドラジ
ンが最も好ましく用いられる。
In the undoped polyaniline, the values of m and n can be adjusted by oxidizing or reducing polyaniline. That is, by reducing, m can be reduced and n can be increased. On the contrary, if oxidized, m can be increased and n can be decreased. The reduction of the quinonediimine structural unit in the polyaniline due to the reduction of the polyaniline enhances the solubility of the polyaniline in organic solvents. Also,
The viscosity of the solution is lower than that before the reduction. For the reduction of such solvent-soluble polyaniline, for example, N 2
-Dissolves in methyl-2-pyrrolidone, but N-methyl-
Phenylhydrazine is most preferably used because it does not reduce 2-pyrrolidone.

【0028】他方、溶剤可溶性ポリアニリンの酸化のた
めに用いられる酸化剤は、フェニレンジアミン構造単位
を酸化し得るものであれば、特に、限定されるものでは
ないが、例えば、穏和な酸化銀が好ましく用いられる。
必要に応じて、過マンガン酸カリウムや重クロム酸カリ
ウム等も用いることができる。
On the other hand, the oxidizing agent used for oxidizing the solvent-soluble polyaniline is not particularly limited as long as it can oxidize the phenylenediamine structural unit, but for example, mild silver oxide is preferable. Used.
If necessary, potassium permanganate, potassium dichromate, etc. can also be used.

【0029】次いで、強酸性型カチオン交換樹脂にて酸
型としたポリマースルホン酸水溶液中に上記酸化脱ドー
プ状態のポリアニリンの粉末を投入し、数時間加熱すれ
ば、上記ポリアニリンにポリマースルホン酸をドープす
ることができ、この後、このドープ状態のポリアニリン
粉末を濾過、洗浄した後、真空乾燥することによって、
ポリマースルホン酸をドーパントとする導電性ポリアニ
リン粉末を得ることができる。
Then, the polyaniline powder in the oxidatively dedoped state is put into an aqueous polymer sulfonic acid solution which is acidified with a strongly acidic cation exchange resin, and the polyaniline is doped with the polymer sulfonic acid by heating for several hours. After that, the polyaniline powder in the doped state is filtered, washed, and then vacuum dried,
A conductive polyaniline powder having polymer sulfonic acid as a dopant can be obtained.

【0030】前述したように、導電性有機重合体と無機
酸化還元触媒との混合物を少なくとも一方の電極に電極
触媒として有せしめる場合、無機酸化還元触媒として
は、接触水素添加触媒として、又は酸素自動酸化触媒と
して知られている白金、パラジウム、ルテニウム、ロジ
ウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデン
から選ばれる少なくとも1種の遷移金属及び/又はその
酸化物等を用いることができる。このような無機酸化還
元触媒は、微粉末としてそのまま、導電性有機重合体粉
末と混合してもよく、また、上記遷移金属の水溶性塩の
水溶液に導電性有機重合体粉末を分散させ、攪拌、混合
した後、還元又は酸化処理を行なって、上記遷移金属塩
を金属又は酸化物に変換してもよい。
As described above, when at least one of the electrodes is provided with a mixture of a conductive organic polymer and an inorganic redox catalyst as an electrode catalyst, the inorganic redox catalyst may be a catalytic hydrogenation catalyst or an oxygen autocatalyst. It is possible to use at least one transition metal selected from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, silver, nickel, iron, copper, cobalt and molybdenum and / or an oxide thereof, which is known as an oxidation catalyst. Such an inorganic redox catalyst may be mixed as it is as a fine powder with the conductive organic polymer powder, or the conductive organic polymer powder may be dispersed in an aqueous solution of a water-soluble salt of the above transition metal and stirred. After mixing, reduction or oxidation treatment may be performed to convert the above transition metal salt into a metal or an oxide.

【0031】また、上記遷移金属を含むアニオンの水溶
性の酸やその塩を用いて、これを導電性有機重合体への
ドーピングによって担持させて、この遷移金属を含むア
ニオンをドーパントとして有する導電性有機重合体を得
た後、これを水素ガスや還元剤にて還元処理して、上記
遷移金属からなる無機酸化還元触媒を導電性有機重合体
中に担持させることができる。更に、必要に応じて、こ
のように、上記遷移金属からなる無機酸化還元触媒を担
持させた導電性有機重合体を酸素ガスや酸化剤にて酸化
することによって、遷移金属酸化物からなる無機酸化還
元触媒を導電性有機重合体中に担持させることができ
る。
In addition, a water-soluble acid or salt of an anion containing the above transition metal is used to support the anion containing the transition metal by doping into the conductive organic polymer, and the anion containing the transition metal is used as a dopant. After obtaining the organic polymer, this can be reduced with hydrogen gas or a reducing agent to carry the inorganic redox catalyst composed of the above transition metal in the conductive organic polymer. Further, if necessary, by oxidizing the conductive organic polymer carrying the inorganic redox catalyst composed of the above transition metal with oxygen gas or an oxidizing agent, the inorganic oxidation composed of the transition metal oxide is carried out. The reduction catalyst can be supported in the conductive organic polymer.

【0032】導電性有機重合体と無機酸化還元触媒との
混合物を電極触媒として用いる場合、無機酸化還元触媒
は、導電性有機重合体100重量部に対して、通常、
0.1〜30重量部の範囲で用いられる。また、電極面
積における無機酸化還元触媒の担持量は、通常、0.0
01〜5mg/cm2 の範囲であるが、好ましくは、
0.005〜1mg/cm2 の範囲であり、特に、好ま
しくは、0.01〜0.5mg/cm2 の範囲である。
When a mixture of a conductive organic polymer and an inorganic redox catalyst is used as an electrode catalyst, the inorganic redox catalyst is usually added to 100 parts by weight of the conductive organic polymer.
It is used in the range of 0.1 to 30 parts by weight. The amount of the inorganic redox catalyst supported on the electrode area is usually 0.0
The range is from 01 to 5 mg / cm 2 , but preferably,
In the range of 0.005~1mg / cm 2, particularly preferably in the range of 0.01 to 0.5 / cm 2.

【0033】このように、本発明に従って、導電性有機
重合体と無機酸化還元触媒との混合物を電極に電極触媒
として有せしめることによって、導電性有機重合体のみ
を電極触媒として用いた場合に比べて、はるかに高出力
の燃料電池を得ることができる。
As described above, according to the present invention, a mixture of a conductive organic polymer and an inorganic redox catalyst is provided in an electrode as an electrode catalyst, so that a conductive organic polymer alone is used as an electrode catalyst. As a result, a much higher output fuel cell can be obtained.

【0034】次に、本発明による燃料電池において、電
解質膜として用いるプロトン交換膜について説明する。
Next, the proton exchange membrane used as the electrolyte membrane in the fuel cell according to the present invention will be described.

【0035】従来、白金触媒を用いる燃料電池において
は、下記のような理由によって、プロトン交換膜とし
て、ナフィオン(登録商標)膜のような高価なパーフル
オロスルホン酸ポリマー膜が用いられている(D.S. Wat
kins, Fuel Cell Systems, Ch.11, 493-530 (1993), Pl
enum Press, New York) 。即ち、電極触媒として白金を
用いると共に、電解質膜として炭化水素重合体を基体と
するプロトン交換膜を用いる燃料電池の内部において
は、次のようなステップからなる機構でプロトン交換膜
が劣化するとされている。
Conventionally, in a fuel cell using a platinum catalyst, an expensive perfluorosulfonic acid polymer membrane such as Nafion (registered trademark) membrane has been used as a proton exchange membrane for the following reason (DS. Wat
kins, Fuel Cell Systems, Ch.11, 493-530 (1993), Pl
enum Press, New York). That is, it is said that the inside of a fuel cell using platinum as an electrode catalyst and a proton exchange membrane based on a hydrocarbon polymer as an electrolyte membrane deteriorates the proton exchange membrane by a mechanism including the following steps. There is.

【0036】ステップ1:H2 → 2H・ ステップ2:H・ + O2(プロトン交換膜中を拡散して
くる。)→ HO2・ ステップ3:HO2・+H・ → H22 (プロトン交換膜
内へ拡散し得る。) ステップ4:H22 + M2+(Fe2+やCu2+は膜内に
常に存在する。) +H+→ M3+ + H2O + HO・ ステップ5:HO・ + H22 → H2O + HO2・(プ
ロトン交換膜を攻撃する。)
Step 1: H 2 → 2H. Step 2: H. + O 2 (diffuses in the proton exchange membrane) → HO 2 Step 3: HO 2 + H. → H 2 O 2 (proton It can diffuse into the exchange membrane.) Step 4: H 2 O 2 + M 2+ (Fe 2+ and Cu 2+ are always present in the membrane) + H + → M 3+ + H 2 O + HO. step 5: HO · + H 2 O 2 → H 2 O + HO 2 · ( to attack the proton exchange membrane.)

【0037】このような機構によれば、一連の反応は、
アノードにおいて、白金触媒による水素分子の解離反応
によって開始される。水素分子の解離によって生じた水
素原子は、プロトン交換膜内をカソード側から拡散して
きた酸素分子と反応して、HO2・ラジカルを生成する。
このHO2・ラジカルは、アノード付近に存在する水素原
子と反応して、過酸化水素を生成する。この過酸化水素
は、プロトン交換膜内に多く存在する鉄イオンや銅イオ
ンの存在下で分解して水酸基ラジカルHO・ を生成す
る。過酸化水素と2価の鉄イオンの組み合わせは「フェ
ントン試薬」として、水酸基ラジカルの発生試薬として
よく知られている。この水酸基ラジカルは、更に、過酸
化水素と反応して、HO2・ラジカルを生成し、これが炭
化水素重合体を基体とするプロトン交換膜を攻撃して、
劣化させる。
According to such a mechanism, a series of reactions are
At the anode, it is initiated by the dissociation reaction of hydrogen molecules with a platinum catalyst. The hydrogen atoms generated by the dissociation of hydrogen molecules react with oxygen molecules that have diffused from the cathode side in the proton exchange membrane to generate HO 2 .radicals.
The HO 2 · radical reacts with a hydrogen atom existing in the vicinity of the anode to generate hydrogen peroxide. This hydrogen peroxide decomposes in the presence of iron ions and copper ions, which are often present in the proton exchange membrane, to generate hydroxyl radicals HO. The combination of hydrogen peroxide and divalent iron ions is well known as a "Fenton's reagent" as a reagent for generating hydroxyl radicals. This hydroxyl radical further reacts with hydrogen peroxide to generate HO 2 · radical, which attacks the proton exchange membrane based on the hydrocarbon polymer,
Deteriorate.

【0038】上記文献には、炭化水素重合体を基体とす
るプロトン交換膜として、ポリスチレンスルホン酸膜を
用いた場合について、膜断面の膜厚方向のスルホン酸基
に由来するイオウ量を定量した実験結果が示されてい
る。それによれば、プロトン交換膜のカソード側では、
イオウ量に変化はないが、アノード側では、イオウ量が
元の1/3以下にまで減少する。この事実は、上記劣化
機構に示されるように、アノード側において、白金触媒
の作用によって水素が解離して水素原子が生成し、これ
が炭化水素重合体を基体とするプロトン交換膜の劣化に
つながる上記機構を支持している。
In the above-mentioned document, an experiment in which the amount of sulfur derived from sulfonic acid groups in the thickness direction of the membrane cross section was quantified in the case where a polystyrene sulfonic acid membrane was used as a proton exchange membrane based on a hydrocarbon polymer. Results are shown. According to it, on the cathode side of the proton exchange membrane,
Although the amount of sulfur does not change, on the anode side, the amount of sulfur decreases to 1/3 or less of the original amount. This fact indicates that, on the anode side, hydrogen is dissociated by the action of the platinum catalyst to generate hydrogen atoms on the anode side, which leads to the deterioration of the proton exchange membrane based on the hydrocarbon polymer. Supports the mechanism.

【0039】このように、白金触媒を用いる燃料電池に
おいては、白金による水素の解離に始まる一連の反応に
よって、炭化水素重合体を基体とするプロトン交換膜の
劣化が避けられず、従って、従来、高価なパーフルオロ
スルホン酸ポリマー膜であるナフィオン(登録商標)が
プロトン交換膜として広く用いられているのである。
As described above, in a fuel cell using a platinum catalyst, deterioration of a proton exchange membrane based on a hydrocarbon polymer cannot be avoided due to a series of reactions starting from hydrogen dissociation by platinum. Nafion (registered trademark), which is an expensive perfluorosulfonic acid polymer membrane, is widely used as a proton exchange membrane.

【0040】しかしながら、本発明の燃料電池において
は、触媒が上記従来の燃料電池と相違して、白金ではな
く、酸化還元機能を有する導電性有機重合体であるの
で、上述したようなプロトン交換膜の劣化機構が働か
ず、かくして、本発明によれば、プロトン交換膜とし
て、低廉な、好ましい場合には、容易に入手できる重合
体を基体するプロトン交換膜を用いることが可能とな
り、大量の貴金属触媒を用いる必要がないことと相まっ
て、燃料電池の大幅なコスト低減を実現することがで
き、これによって、燃料電池の実用化の速度を加速する
ことが期待される。
However, in the fuel cell of the present invention, unlike the above-mentioned conventional fuel cell, the catalyst is not platinum but a conductive organic polymer having a redox function, so that the proton exchange membrane as described above is used. Therefore, according to the present invention, it is possible to use, as a proton exchange membrane, an inexpensive, easily available, polymer-based proton exchange membrane in a preferable case. Combined with the fact that no catalyst is required, it is possible to realize a significant cost reduction of the fuel cell, which is expected to accelerate the speed of commercialization of the fuel cell.

【0041】本発明による燃料電池においては、電解質
膜は、重合体鎖がN、S、O及びFから選ばれる1種以
上の異種原子を含んでいてもよい炭化水素骨格からなり
(但し、パーフルオロ炭化水素からなる重合体鎖を除
く。)、酸基を有する重合体からなるプロトン交換膜か
らなる。
In the fuel cell according to the present invention, the electrolyte membrane is composed of a hydrocarbon skeleton in which the polymer chain may contain one or more kinds of heteroatoms selected from N, S, O and F (provided that the polymer skeleton is a Except for polymer chains made of fluorohydrocarbon), and a proton exchange membrane made of a polymer having an acid group.

【0042】このように、本発明によれば、電解質膜
は、上記N、S、O及びFから選ばれる1種以上の異種
原子を含んでいてもよい炭化水素骨格からなる重合体鎖
を有すると共に、酸基を有する重合体であり、更に、室
温(25℃)、相対湿度50%の雰囲気下で10-6S/
cm以上のプロトン伝導度を有し、水不溶性であるとい
う条件が満たされれば、特に、限定されるものではな
い。
As described above, according to the present invention, the electrolyte membrane has a polymer chain having a hydrocarbon skeleton which may contain one or more kinds of heteroatoms selected from the above N, S, O and F. And an acid group-containing polymer, and further 10 −6 S / in an atmosphere of room temperature (25 ° C.) and relative humidity of 50%.
It is not particularly limited as long as it has a proton conductivity of cm or more and is insoluble in water.

【0043】そこで、このような重合体の例として、以
下のものを挙げることができる。
Then, the following can be mentioned as an example of such a polymer.

【0044】(1)炭化水素からなる重合体鎖を有する
と共に、酸基としてスルホン酸基を有する重合体
(1) A polymer having a polymer chain composed of hydrocarbon and having a sulfonic acid group as an acid group

【0045】このような重合体の具体例として、例え
ば、スルホン酸基を有するビニル単量体を(共)重合し
て得られる重合体を挙げることができ、より詳細には、
例えば、ポリスチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸
/ジビニルベンゼン共重合体、アリルスルホン酸(共)
重合体、ビニルスルホン酸(共)重合体、2−アクリル
アミド/2−メチルスルホン酸共重合体等を挙げること
ができる。
Specific examples of such a polymer include a polymer obtained by (co) polymerizing a vinyl monomer having a sulfonic acid group, and more specifically,
For example, polystyrene sulfonic acid, styrene sulfonic acid / divinylbenzene copolymer, allyl sulfonic acid (co)
Examples thereof include polymers, vinyl sulfonic acid (co) polymers, 2-acrylamide / 2-methylsulfonic acid copolymers, and the like.

【0046】また、炭化水素からなる重合体鎖を有する
重合体をスルホン化することによっても、上記炭化水素
からなる重合体鎖を有すると共に、酸基としてスルホン
酸基を有する重合体を得ることができる。このような重
合体として、例えば、スチレン/ジビニルベンゼン共重
合体のスルホン化物を挙げることができる。
Further, by sulfonation of a polymer having a hydrocarbon polymer chain, a polymer having a hydrocarbon polymer chain and a sulfonic acid group as an acid group can be obtained. it can. Examples of such a polymer include a sulfonated product of a styrene / divinylbenzene copolymer.

【0047】(2)炭化水素からなる重合体鎖を有する
と共に、酸基としてリン酸基、ホスホン酸基又はホスフ
ィン酸基を有する重合体
(2) A polymer having a hydrocarbon polymer chain and having a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group as an acid group.

【0048】このような重合体は、好ましくは、リン酸
基、ホスホン酸基又はホスフィン酸基を有するビニル単
量体を(共)重合させることによって得ることができ
る。リン酸基を有するビニル単量体として、例えば、2
−メタクリロイルオキシエチルホスフェート、メタクリ
ロイルテトラ(オキシエチレン)ホスフェート、メタク
リロイルペンタ(オキシプロピレン)ホスフェート、4
−スチリルメトキシブチルホスフェート等を挙げること
ができる。
Such a polymer can be preferably obtained by (co) polymerizing a vinyl monomer having a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group. As the vinyl monomer having a phosphate group, for example, 2
-Methacryloyloxyethyl phosphate, methacryloyl tetra (oxyethylene) phosphate, methacryloyl penta (oxypropylene) phosphate, 4
-Styryl methoxy butyl phosphate etc. can be mentioned.

【0049】ホスホン酸基を有するビニル単量体とし
て、例えば、4−(2−スチリルメトキシエチル)フェ
ニルホスホン酸、4−(スチリルメトキシ)ブチルホス
ホン酸、スチリルメチルホスホン酸等を挙げることがで
きる。
Examples of the vinyl monomer having a phosphonic acid group include 4- (2-styrylmethoxyethyl) phenylphosphonic acid, 4- (styrylmethoxy) butylphosphonic acid and styrylmethylphosphonic acid.

【0050】また、ホスフィン酸基を有するビニル単量
体として、例えば、4−(2−スチリルメトキシエチ
ル)フェニルホスフィン酸、4−(スチリルメトキシ)
ブチルホスフィン酸、スチリルメチルホスフィン酸等を
挙げることができる。
Examples of vinyl monomers having a phosphinic acid group include 4- (2-styrylmethoxyethyl) phenylphosphinic acid and 4- (styrylmethoxy).
Examples thereof include butylphosphinic acid and styrylmethylphosphinic acid.

【0051】上記リン酸基、ホスホン酸基又はホスフィ
ン酸基を有するビニル単量体と共に、それら酸基を有す
る多官能ビニル単量体も用いることができる。そのよう
な多官能ビニル単量体として、例えば、ビス(メタクリ
ロイルオキシエチル)ホスフェート、ビス{5−(メタ
クリロイルオキシエチルオキシカルボニル)ペンチル}
ホスフェート等のリン酸ジエステルを挙げることができ
る。また、多官能ビニル単量体として、リン酸基、ホス
ホン酸基又はホスフィン酸基のいずれをももたないビニ
ル単量体も用いることができる。
Along with the vinyl monomer having a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group, a polyfunctional vinyl monomer having an acid group can be used. As such a polyfunctional vinyl monomer, for example, bis (methacryloyloxyethyl) phosphate, bis {5- (methacryloyloxyethyloxycarbonyl) pentyl}
Mention may be made of phosphoric acid diesters such as phosphates. As the polyfunctional vinyl monomer, a vinyl monomer having no phosphoric acid group, phosphonic acid group or phosphinic acid group can also be used.

【0052】上述したリン酸基、ホスホン酸基又はホス
フィン酸基を有するビニル単量体や多官能ビニル単量体
は、通常、リン酸基、ホスホン酸基又はホスフィン酸基
のいずれをももたないビニル単量体と共に共重合して、
炭化水素からなる重合体鎖を有すると共に、酸基として
リン酸基、ホスホン酸基又はホスフィン酸基を有する重
合体とされる。そのようなリン酸基、ホスホン酸基又は
ホスフィン酸基のいずれをももたないビニル単量体とし
て、例えば、スチレン、ビニルスルホン酸、スチレンス
ルホン酸ナトリウム等のビニルモノマー類、エチルビニ
ルエーテル等のビニルエーテル類、アクリル酸ブチル、
メトキシエチルアクリレート、2−エチルヘキシルメタ
クリレート、アクリル酸等のアクリルモノマー類、N,
N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、2−アク
リルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸等のアクリ
ルアミド類を挙げることができる。
The above-mentioned vinyl monomer or polyfunctional vinyl monomer having a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group usually has a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group. Copolymerized with a non-vinyl monomer,
The polymer has a polymer chain composed of a hydrocarbon and also has a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group as an acid group. Examples of vinyl monomers having no such phosphoric acid group, phosphonic acid group or phosphinic acid group include vinyl monomers such as styrene, vinyl sulfonic acid, sodium styrene sulfonate, vinyl ethers such as ethyl vinyl ether. , Butyl acrylate,
Acrylic monomers such as methoxyethyl acrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, acrylic acid, N,
Examples thereof include acrylamides such as N-dimethylaminopropyl acrylamide and 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid.

【0053】上述した種々のビニル単量体の(共)重合
は、通常、熱重合や光重合によって行われる。
The (co) polymerization of the various vinyl monomers described above is usually carried out by thermal polymerization or photopolymerization.

【0054】(3)スルホン酸基を有するフェノール樹
脂として、例えば、フェノールスルホン酸ノボラック樹
脂、フェノール樹脂のスルホン化物等を挙げることがで
きる。
(3) Examples of the phenol resin having a sulfonic acid group include a phenol sulfonic acid novolak resin and a sulfonated product of a phenol resin.

【0055】(4)共役ジエン重合体のスルホン化物と
して、例えば、例えば、ポリブタジエンやポリイソプレ
ンの部分スルホン化物を挙げることができる。
(4) As the sulfonated product of the conjugated diene polymer, for example, a partially sulfonated product of polybutadiene or polyisoprene can be cited.

【0056】以上のほかにも、例えば、 (5)フッ素含有単量体(例えば、テトラフルオロエチ
レン)とスルホン酸基を有する単量体との共重合体、 (6)ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルスル
ホンのスルホン化物、 (7)ポリベンズイミダゾールのスルホン化物やスルホ
アルキル化物、ポリベンズイミダゾールに酸をドープし
た複合体、 (8)ポリフェニルキノキサリンのスルホン化物、 (9)ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェ
ニレン)のスルホン化物等を挙げることができる。
In addition to the above, for example, (5) a copolymer of a fluorine-containing monomer (for example, tetrafluoroethylene) and a monomer having a sulfonic acid group, (6) polyether ether ketone or poly Sulfonated product of ether sulfone, (7) Sulfonated product or sulfoalkylated product of polybenzimidazole, acid-doped complex of polybenzimidazole, (8) Sulfonated product of polyphenylquinoxaline, (9) Poly (4-phenoxybenzoyl) Examples thereof include sulfonated compounds of -1,4-phenylene).

【0057】ここに、(共)重合とは、単独重合又は共
重合を意味し、(共)重合体とは、単独重合体又は共重
合体を意味するものとする。
Here, (co) polymer means homopolymerization or copolymerization, and (co) polymer means homopolymer or copolymer.

【0058】更に、本発明によれば、電解質膜は、上記
重合体がポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、
ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂
等からなる多孔質膜の空孔内に担持されてなる実質的に
無孔性のフィルムからなるものであってもよい。
Further, according to the present invention, in the electrolyte membrane, the polymer is a fluororesin such as polytetrafluoroethylene,
It may be a substantially non-porous film supported in the pores of a porous film made of a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene.

【0059】次に、本発明による燃料電池において用い
る電極の製造について説明する。導電性有機重合体を電
極触媒とするカソードは、例えば、次のようにして製造
する。即ち、ポリマースルホン酸をドーパントとする導
電性ポリアニリン粉末を必要に応じて導電剤(例えば、
導電性カーボンブラック粉末)と混合した後、これを結
着剤(例えば、ポリフッ化ピニリデン樹脂やポリテトラ
フルオロエチレン樹脂)の溶液を用いてペーストとし、
このペーストを導電性多孔質基材(例えば、東レ(株)
製カーボンペーパー)上に塗布し、乾燥し、この後、こ
のように処理した導電性多孔質基材をプロトン交換性樹
脂溶液(例えば、ナフィオン(登録商標)のようなパー
フルオロスルホン酸ポリマー溶液)を塗布、乾燥して、
カソードを得る。
Next, the production of electrodes used in the fuel cell according to the present invention will be described. The cathode using a conductive organic polymer as an electrode catalyst is manufactured, for example, as follows. That is, a conductive polyaniline powder having a polymer sulfonic acid as a dopant is added with a conductive agent (eg,
Conductive carbon black powder), and then made into a paste by using a solution of a binder (for example, polypyridinyl fluoride resin or polytetrafluoroethylene resin),
This paste is used as a conductive porous substrate (for example, Toray Co., Ltd.)
Carbon paper), dried, and then treated with a conductive porous substrate treated in this manner as a proton-exchangeable resin solution (for example, a perfluorosulfonic acid polymer solution such as Nafion (registered trademark)). Apply, dry,
Get the cathode.

【0060】導電性有機重合体と無機酸化還元触媒との
混合物を電極触媒とするカソードは、例えば、次のよう
にして製造する。即ち、ポリマースルホン酸をドーパン
トとする導電性ポリアニリン粉末と無機酸化還元触媒粉
末とを混合し、これに必要に応じて導電剤(例えば、導
電性カーボンブラック粉末)を混合した後、これを結着
剤(例えば、ポリフッ化ビニリデン樹脂やポリテトラフ
ルオロエチレン樹脂)の溶液を用いてペーストとし、こ
のペーストを導電性多孔質基材(例えば、東レ(株)製
カーボンペーパー)上に塗布し、乾燥し、この後、この
ように処理した導電性多孔質基材にプロトン交換性樹脂
溶液(例えば、ナフイオン(登録商標)のようなパーフ
ルオロスルホン酸ポリマー溶液)を塗布し乾燥して、カ
ソードを得る。
A cathode using a mixture of a conductive organic polymer and an inorganic redox catalyst as an electrode catalyst is produced, for example, as follows. That is, a conductive polyaniline powder having a polymer sulfonic acid as a dopant and an inorganic redox catalyst powder are mixed, and if necessary, a conductive agent (for example, conductive carbon black powder) is mixed and then bound. A paste of a solution of an agent (for example, polyvinylidene fluoride resin or polytetrafluoroethylene resin) is used, and the paste is applied on a conductive porous substrate (for example, carbon paper manufactured by Toray Industries, Inc.) and dried. After that, a proton-exchangeable resin solution (for example, a perfluorosulfonic acid polymer solution such as Nafion (registered trademark)) is applied to the conductive porous substrate thus treated and dried to obtain a cathode.

【0061】アノードは、上記カソードを還元すること
によって得ることができる。還元方法は特に限定されな
い。例えば、上記カソードを化学的に還元してもよい
が、好ましい一例を挙げれば、上記ポリマースルホン酸
水溶液中、適宜の参照電極を用いてサイクリック・ボル
タモグラムを測定し、還元ピークの現れた電位にて電気
化学的に上記カソードを還元するのが簡便である.
The anode can be obtained by reducing the cathode. The reduction method is not particularly limited. For example, although the cathode may be chemically reduced, as a preferred example, a cyclic voltammogram is measured in the polymer sulfonic acid aqueous solution using an appropriate reference electrode, and the potential at which the reduction peak appears is obtained. It is convenient to electrochemically reduce the cathode.

【0062】このようにして得られたカソードとアノー
ドとで前述した電解質膜(即ち、プロトン交換膜)を挟
み、必要に応じて、ホットプレス等により一体成形し
て、燃料電池用の電極−プロトン交換膜接合体を得る。
The above-obtained cathode and anode sandwich the electrolyte membrane (that is, the proton exchange membrane), and if necessary, they are integrally molded by hot pressing or the like to form an electrode-proton for a fuel cell-proton. Obtain an exchange membrane conjugate.

【0063】本発明による燃料電池においては、カソー
ドに酸化剤が気体で供給され、アノードに還元剤が気体
で供給される。ここに、本発明によれば、好ましくは、
酸化剤として酸素ガスや空気が用いられると共に、還元
剤として水素ガスが用いられる。また、還元剤として、
メタノールやジメチルエーテル等を用いることもでき
る。
In the fuel cell according to the present invention, the oxidizing agent is supplied as a gas to the cathode and the reducing agent is supplied as a gas to the anode. Here, according to the present invention, preferably,
Oxygen gas or air is used as the oxidizing agent, and hydrogen gas is used as the reducing agent. Also, as a reducing agent,
It is also possible to use methanol, dimethyl ether, or the like.

【0064】本発明による燃料電池は、40℃以上の温
度で作動される。用いる導電性有機重合体や電解質膜に
よって適宜に選ばれるが、50〜120℃の範囲が好ま
しく、特に、60〜100℃の銘囲が好ましい。作動温
度が低すぎるときは、導電性有機重合体の反応速度が遅
いために、高い出力を得ることができず、他方、作動温
度度が高すぎるときは、用いる材料の劣化や剥離等が起
こるおそれがある。
The fuel cell according to the present invention is operated at a temperature of 40 ° C. or higher. It is appropriately selected depending on the conductive organic polymer and the electrolyte membrane used, but the range of 50 to 120 ° C is preferable, and the range of 60 to 100 ° C is particularly preferable. When the operating temperature is too low, a high output cannot be obtained because the reaction speed of the conductive organic polymer is slow.On the other hand, when the operating temperature is too high, deterioration or peeling of the material used occurs. There is a risk.

【0065】[0065]

【実施例】以下に参考例と共に実施例を挙げて本発明を
説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定され
るものではない.
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples and reference examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0066】参考例1 (アニリンの酸化重合による導電性ポリアニリン組成物
の調製)攪拌装置、温度計及び直管アダプターを備えた
10L容量セパラブルフラスコに蒸留水6000g、3
6%塩酸360mL及びアニリン400g(4.295
モル)をこの順序にて仕込み、アニリンを溶解させた。
別に、氷水にて冷却しながら、ビーカー中の蒸留水14
93gに97%濃硫酸434g(4.295モル)を加
え、混合して、硫酸水溶液を調製した。この硫酸水溶液
を上記セパラブルフラスコに加え、フラスコ全体を低温
恒温槽にて−4℃まで冷却した.次に、ビーカー中にて
蒸留水2293gにペルオキソ二硫酸アンモニウム98
0g(4.295モル)を加え、溶解させて、酸化剤水
溶液を調製した。
Reference Example 1 (Preparation of Conductive Polyaniline Composition by Oxidative Polymerization of Aniline) Distilled water 6000 g, 3 g in a 10 L separable flask equipped with a stirrer, a thermometer and a straight pipe adapter.
360 mL of 6% hydrochloric acid and 400 g of aniline (4.295)
Mol) was charged in this order to dissolve the aniline.
Separately, while cooling with ice water, distilled water in a beaker 14
To 93 g, 434 g (4.295 mol) of 97% concentrated sulfuric acid was added and mixed to prepare a sulfuric acid aqueous solution. This aqueous sulfuric acid solution was added to the separable flask, and the entire flask was cooled to -4 ° C in a low temperature constant temperature bath. Next, in a beaker, 2293 g of distilled water was added with 98% ammonium peroxodisulfate.
0 g (4.295 mol) was added and dissolved to prepare an oxidizing agent aqueous solution.

【0067】フラスコ全体を低温恒温槽で冷却して、反
応混合物の温度を−3℃以下に保持しつつ、攪拌下にア
ニリン塩の酸性水溶液に、チユーピングポンプを用い
て、直管アダブターから上記ペルオキソ二硫酸アンモニ
ウム水溶液を1mL/分以下の割合にて徐々に滴下し
た。最初、無色透明の溶液は、重合の進行に伴って緑青
色から黒緑色となり、次いで、黒緑色の粉末が析出し
た。
The entire flask was cooled in a low temperature constant temperature bath, while maintaining the temperature of the reaction mixture at -3 ° C or lower, while stirring, to an acidic aqueous solution of aniline salt, using a tyuping pump, a straight pipe adapter was used to remove the above. Aqueous ammonium peroxodisulfate solution was gradually added dropwise at a rate of 1 mL / min or less. First, the colorless and transparent solution changed from green-blue to black-green as the polymerization proceeded, and then a black-green powder precipitated.

【0068】この粉末析出時に反応混合物において温度
の上昇がみられるが、この場合にも、高分子量のポリア
ニリンを得るためには、反応系内の温度を0℃以下、好
ましくは、−3℃以下に抑えることが肝要である。粉末
析出後は、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液の滴下
速度を例えば8mL/分程度とやや速くしてもよい。し
かし、この場合にも、反応混合物の温度をモニターしつ
つ、温度を−3℃以下に保持するように、滴下速度を調
整することが必要である。かくして、7時間を要して、
ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液の滴下を終了した
後、更に1時間、−3℃以下の温度にて攪拌を続けた。
A temperature rise is observed in the reaction mixture during the precipitation of the powder, and in this case also, in order to obtain a high molecular weight polyaniline, the temperature in the reaction system is 0 ° C. or lower, preferably −3 ° C. or lower. It is essential to keep After the powder is deposited, the dropping rate of the aqueous ammonium peroxodisulfate solution may be slightly increased, for example, about 8 mL / min. However, also in this case, it is necessary to monitor the temperature of the reaction mixture and adjust the dropping rate so as to maintain the temperature at −3 ° C. or lower. It took 7 hours,
After the dropwise addition of the aqueous ammonium peroxodisulfate solution was completed, stirring was continued for an additional hour at a temperature of -3 ° C or lower.

【0069】得られた粉末を濾別し、水洗、アセトン洗
浄し、室温で真空乾燥して、黒緑色の導電性ポリアニリ
ン組成物の粉末430gを得た。これを直径13mm、
厚さ700μmのディスクに加圧成形し、ファン・デル
・ポー法によって、その電導度を測定したところ、14
S/cmであった。
The obtained powder was filtered, washed with water, washed with acetone, and vacuum dried at room temperature to obtain 430 g of a black-green conductive polyaniline composition powder. This has a diameter of 13 mm,
It was pressed into a disk having a thickness of 700 μm, and its conductivity was measured by the van der Pauw method.
It was S / cm.

【0070】(導電性ポリアニリン組成物の脱ドーピン
グによる有機溶剤に可溶性のポリアニリン(酸化脱ドー
プ状態のポリアニリン)の製造)上記ドープされている
導電性ポリアニリン組成物の粉末350gを2Nアンモ
ニア水4L中に加え、オートホモミキサーにて回転数5
000rpmにて5時間攪拌した。混合物は、黒緑色か
ら青紫色に変化した。
(Production of Polyaniline Soluble in Organic Solvent by Dedoping of Conductive Polyaniline Composition (Polyaniline in Oxidized and Undoped State)) 350 g of the above doped conductive polyaniline composition powder was added to 4 L of 2N ammonia water. In addition, the rotation speed is 5 with an auto homomixer
The mixture was stirred at 000 rpm for 5 hours. The mixture changed from black green to blue purple.

【0071】ブフナー漏斗にて粉末を濾別し、ビーカー
中にて攪拌しながら、蒸留水にて濾液が中性になるまで
繰り返して洗浄し、続いて、濾液が無色になるまでアセ
トンにて洗浄した。この後、粉末を室温にて10時間真
空乾燥して、黒褐色の脱ドーピングしたポリアニリン
(酸化脱ドープ状態のポリアニリン)の粉末280gを
得た。
The powder was filtered off with a Buchner funnel, washed repeatedly with distilled water while stirring in a beaker until the filtrate became neutral, and then washed with acetone until the filtrate became colorless. did. Then, the powder was vacuum dried at room temperature for 10 hours to obtain 280 g of black-brown dedoped polyaniline (oxidized and undoped polyaniline) powder.

【0072】このポリアニリンはN−メチル−2−ピロ
リドンに可溶性であって、溶解度は同溶剤100gに対
して8g(7.4%)であった。また、これを溶剤とし
て30℃で測定した極限粘度〔η〕は1.23dL/g
であった。
This polyaniline was soluble in N-methyl-2-pyrrolidone and had a solubility of 8 g (7.4%) in 100 g of the same solvent. Also, the intrinsic viscosity [η] measured at 30 ° C. using this as a solvent is 1.23 dL / g
Met.

【0073】このポリアニリンは、ジメチルスルホキシ
ド及びジメチルホルムアミドには、1%以下の溶解度で
あった。テトラヒドロフラン、ピリジン、80%酢酸水
溶液、60%ギ酸水溶液及びアセトニトリルには実質的
に溶解しなかった。
The polyaniline had a solubility of 1% or less in dimethyl sulfoxide and dimethylformamide. It was substantially insoluble in tetrahydrofuran, pyridine, 80% acetic acid aqueous solution, 60% formic acid aqueous solution and acetonitrile.

【0074】更に、上記脱ドープ状態の有機溶剤に可溶
性のポリアニリンについて、N−メチル−2−ピロリド
ン用のGPCカラムを用いて、GPC測定を行った結
果、数平均分子量H23000、重量平均分子量は16
0000(いずれも、ポリスチレン換算)であった。
Further, the polyaniline soluble in the organic solvent in the undoped state was subjected to GPC measurement using a GPC column for N-methyl-2-pyrrolidone. As a result, the number average molecular weight was H23000 and the weight average molecular weight was 16
It was 0000 (both in terms of polystyrene).

【0075】実施例1 ポリビニルスルホン酸ナトリウム(アルドリッチ社製)
を強酸性型カチオン交換樹脂(ダウケミカル社製ダウエ
ックス50WX12)で処理して、酸型のポリビニルス
ルホン酸の水溶液を得た。次に、これをロータリーエバ
ポレータを用いて濃縮した後、真空乾燥して、水飴状の
ポリビニルスルホン酸を得た。このポリビニルスルホン
酸12.5gをイオン交換水70.8gに溶解させて、
ポリビニルスルホン酸の15重量%濃度の水溶液を調製
した.
Example 1 Sodium polyvinyl sulfonate (manufactured by Aldrich)
Was treated with a strongly acidic cation exchange resin (Dowex 50WX12 manufactured by Dow Chemical Co., Ltd.) to obtain an aqueous solution of acid type polyvinyl sulfonic acid. Next, this was concentrated using a rotary evaporator and then vacuum dried to obtain starch syrup-shaped polyvinyl sulfonic acid. Dissolving 12.5 g of this polyvinyl sulfonic acid in 70.8 g of ion-exchanged water,
An aqueous solution of polyvinyl sulfonic acid having a concentration of 15% by weight was prepared.

【0076】このポリビニルスルホン酸水溶液中に参考
例1で得た酸化脱ドープ型ポリアニリン粉末10gを加
え、油浴上で70℃に加熱し、130分間保って、ポリ
アニリンにポリビニルスルホン酸をドープした。このド
ープされたポリアニリンを吸引濾過し、メタノールで洗
浄した後、50℃で4時間真空乾焼して、ポリビニルス
ルホン酸をドーパントとして有する電導度11.5S/
cmの導電性ポリアニリン粉末15.2gを得た。
10 g of the oxidatively dedoped polyaniline powder obtained in Reference Example 1 was added to this polyvinylsulfonic acid aqueous solution, and the mixture was heated to 70 ° C. in an oil bath and kept for 130 minutes to dope the polyaniline with polyvinylsulfonic acid. The doped polyaniline is suction filtered, washed with methanol, and then vacuum-dried at 50 ° C. for 4 hours to obtain polyvinyl sulfonic acid as a dopant having an electric conductivity of 11.5 S /
15.2 g of conductive polyaniline powder having a size of cm was obtained.

【0077】この導電性ポリアニリン粉末2gに導電性
カーボンブラック粉末(アクゾ社製ケッチェンブラック
EC)0.4gを加え、磁製乳鉢中ですりつぶしなが
ら、均一になるまで10分間混合した.
To 2 g of this conductive polyaniline powder, 0.4 g of conductive carbon black powder (Ketjen Black EC manufactured by Akzo Co., Ltd.) was added and mixed in a porcelain mortar for 10 minutes until uniform.

【0078】別に、ポリフッ化ビニリデン樹脂(呉羽化
学工業(株)製カイナー)0.27gをN,N−ジメチ
ルホルムアミド10.53gに溶解して、2.5重量%
溶液を調製し、これに上記導電性ポリアニリン粉末とカ
ーボンブラック粉末との混合物を加え、更に、乳鉢を用
いて混合して、ペーストとした。このペーストを5.8
cm角のカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−
90、膜厚260μm)上に塗布し、熱風循環乾燥機
中、80℃で60分間加熱、乾燥させた。次に、このよ
うに処理したカーボンペーパー上に5重量%ナフィオン
(登録商標)溶液(アルドリッチ社製)を塗布し、80
℃で15分間、加熱、乾燥させて、このようにして得ら
れた電極をカソードに用いた。
Separately, 0.27 g of polyvinylidene fluoride resin (Kina, manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.) was dissolved in 10.53 g of N, N-dimethylformamide to obtain 2.5% by weight.
A solution was prepared, a mixture of the above-mentioned conductive polyaniline powder and carbon black powder was added thereto, and further mixed using a mortar to obtain a paste. 5.8 this paste
cm square carbon paper (TGP-H- manufactured by Toray Industries, Inc.)
90, a film thickness of 260 μm) and heated and dried at 80 ° C. for 60 minutes in a hot air circulation dryer. Next, a 5% by weight Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich Co.) was applied onto the carbon paper thus treated,
The thus obtained electrode was used as a cathode after heating and drying at 15 ° C. for 15 minutes.

【0079】上記電極を15重量%ポリビニルスルホン
酸水溶液中に漫漬し、飽和カロメル電極(SCE)を参
照電極として用い、直径0.5mmの白金線を対極とし
て、北斗電工(株)製ポテンショスタット/ガルバノス
タット(HA−501)及びファンクション・ジェネレ
ータ(HB−105)を用いて、電位範囲−0.2〜
0.5V vs.SCE、掃引速度20mV/秒の条件
下にサイクリックボルクモグラムを得た。ポリアニリン
の酸化ピークが0.5V vs.SCEに、また、ポリ
アニリンの還元ピークが−0.1V vs.SCEに現
れた。そこで、ポテンショスタットの電位を−0.1V
に固定して、30分間電気化学的に還元した。このよう
にして得られた電極をアノードに用いた。
The above electrode was soaked in a 15 wt% polyvinyl sulfonic acid aqueous solution, a saturated calomel electrode (SCE) was used as a reference electrode, and a platinum wire having a diameter of 0.5 mm was used as a counter electrode, and a potentiostat manufactured by Hokuto Denko KK was used. / Using galvanostat (HA-501) and function generator (HB-105), potential range -0.2 to
0.5V vs. A cyclic volchmogram was obtained under the conditions of SCE and a sweep rate of 20 mV / sec. The oxidation peak of polyaniline is 0.5 V vs. In SCE, the reduction peak of polyaniline was -0.1 V vs. Appeared in SCE. Therefore, the potential of the potentiostat is -0.1V.
And then electrochemically reduced for 30 minutes. The electrode thus obtained was used as an anode.

【0080】電解質膜(プロトン交換膜)は次のように
して調製した。2−メタクリロイルオキシエチルホスフ
ェート/ビス(メタクリロイルオキシエチル)ジホスフ
ェート(65/35)混合物(共栄社化学(株)製ライ
トエステルP−1M)50重量%とブチルアクリレート
50重量%とからなる単量体混合物100重量部にベン
ジルジメチルケタール(チバガイギー社製イルガキュア
651)0.5重量部を溶解させた。
The electrolyte membrane (proton exchange membrane) was prepared as follows. 2-Methacryloyloxyethyl phosphate / bis (methacryloyloxyethyl) diphosphate (65/35) mixture (light ester P-1M manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) 50% by weight and butyl acrylate 50% by weight monomer mixture 0.5 parts by weight of benzyl dimethyl ketal (Irgacure 651 manufactured by Ciba-Geigy) was dissolved in 100 parts by weight.

【0081】これを希釈することなく、そのまま、膜厚
25μm、空孔率40%、平均孔径0.10μmの超高
分子量ポリエチレン樹脂多孔質膜T1(日東電工(株)
製)の両面に塗布し、含浸させた。
An ultrahigh molecular weight polyethylene resin porous membrane T1 (Nitto Denko Corp.) having a thickness of 25 μm, a porosity of 40% and an average pore diameter of 0.10 μm was used as it was without dilution.
(Manufactured) and then impregnated.

【0082】この多孔質膜を両面からポリエステル剥離
フィルムで挟んで酸素を遮断し、高圧水銀ランプ(アイ
グラフィック(株)製UB021−1B−13)を用い
て、1.5J/cm2 のエネルギーで光照射を行った。
このようにして、多孔質膜の空孔が2−メタクリロイル
オキシエチルホスフェート/ビス(メタクリロイルオキ
シエチル)ジホスフェート共重合体で充填された厚み3
5μm無孔性のフィルムからなるプロトン伝導性複合膜
を得た。
This porous film was sandwiched from both sides with a polyester release film to block oxygen, and a high pressure mercury lamp (UB021-1B-13 manufactured by Eye Graphic Co., Ltd.) was used at an energy of 1.5 J / cm 2 . Light irradiation was performed.
In this way, the pores of the porous film were filled with the 2-methacryloyloxyethyl phosphate / bis (methacryloyloxyethyl) diphosphate copolymer, and the thickness was 3
A proton conductive composite membrane composed of a non-porous film having a thickness of 5 μm was obtained.

【0083】こののプロトン伝導性複合膜を温度25
℃、相対湿度50%に調節した雰囲気中に24時間暴露
した後、プロトン伝導度を測定したところ、2.1×1
-3S/cmであった。また、このプロトン伝導性複合
膜の引張強度は87MPaであった。
This proton-conductive composite membrane was placed at a temperature of 25.
After exposure to an atmosphere adjusted to 50 ° C. and a relative humidity of 50% for 24 hours, the proton conductivity was measured and found to be 2.1 × 1.
It was 0 -3 S / cm. The tensile strength of this proton conductive composite membrane was 87 MPa.

【0084】前記カソードとアノードとの間に上記プロ
トン伝導性複合膜をプロトン交換膜として置き、金型を
用いて、温度130℃、圧力3MPaの条件下、ホット
プレスにて電極−プロトン交換膜接合体を調製し、有効
電極面積25cm2 の試験用単層の燃料電池セルを組み
立てた。
The above proton-conductive composite membrane is placed as a proton exchange membrane between the cathode and the anode, and an electrode-proton exchange membrane bonding is carried out by hot pressing under conditions of a temperature of 130 ° C. and a pressure of 3 MPa using a mold. The body was prepared and a single-layer fuel cell unit for test having an effective electrode area of 25 cm 2 was assembled.

【0085】この燃料電池セルを、燃料電池評価装置
(東陽テクニカ(株)製)に組み込み、セル温度70℃
とし、加湿器温度70℃で酸素ガスを500mL/分の
割合でカソードに供給すると共に、加湿器温度80℃で
水素ガスを500mL/分の割合でアノードに供給し
た。ガス圧力は酸素、水素共に同じく0.1MPaとし
た。そこで、先ず、電流を流さずに、起電力(開路電
圧)のみを測定したところ、0.52Vであった。次
に、燃料電池に負荷を加えたところ、電圧0.4Vのと
き、0.23A(9.2mA/cm2 )の電流を得た。
This fuel cell was incorporated into a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.) and the cell temperature was 70 ° C.
Then, oxygen gas was supplied to the cathode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 70 ° C., and hydrogen gas was supplied to the anode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 80 ° C. The gas pressure was 0.1 MPa for both oxygen and hydrogen. Therefore, first, when only the electromotive force (open circuit voltage) was measured without passing a current, it was 0.52V. Next, when a load was applied to the fuel cell, a current of 0.23 A (9.2 mA / cm 2 ) was obtained when the voltage was 0.4 V.

【0086】実施例2 参考例1で得た酸化脱ドープ状態のポリアニリン粉末
1.8gに導電性カーボンブラック粉末(アクゾ社製ケ
ッチェンブラックEC)0.4gと共に、白金を20重
量%担持させたカーボン(米国エレクトロケム社製EC
−20−PTC)0.2gを加え、磁製乳鉢を用いて、
すりすぶしながら、均一になるまで10分間混合した。
Example 2 1.8 g of the polyaniline powder in the oxidatively dedoped state obtained in Reference Example 1 was loaded with 20% by weight of platinum together with 0.4 g of conductive carbon black powder (Ketjen Black EC manufactured by Akzo). Carbon (EC made by US Electrochem
-20-PTC) 0.2 g, and using a porcelain mortar,
With rubbing, mix for 10 minutes until uniform.

【0087】別に、ポリフッ化ビニリデン樹脂(呉羽化
学工業(株)製カイナー)0.27gをN,N−ジメチ
ルホルムアミド10.53gに溶解させて、2.5重量
%溶液を調製し、これに上記酸化脱ドープ状態のポリア
ニリン粉末と導電性カーボンブラック粉末との混合物を
加えて、更に、乳鉢を用いて混合してペーストとした。
Separately, 0.27 g of polyvinylidene fluoride resin (Kainer manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.) was dissolved in 10.53 g of N, N-dimethylformamide to prepare a 2.5 wt% solution, and the above solution was prepared. A mixture of polyaniline powder in the oxidatively dedoped state and conductive carbon black powder was added and further mixed using a mortar to obtain a paste.

【0088】このペーストを5.8cm角のカーボンペ
ーパー(東レ(株)製TGP−H−90、膜厚260μ
m)上に塗布し、熱風循環乾燥機中、80℃で60分間
加熱、乾燥させた.次に、このように処理したカーボン
ペーパー上に5重量%ナフィオン(登録商標)溶液(ア
ルドリッチ社製)を塗布し、80℃で15分間、加熱、
乾燥させて、このようにして得られた電極をカソードに
用いた。
This paste was applied to carbon paper of 5.8 cm square (TGP-H-90 manufactured by Toray Industries, Inc., film thickness 260 μm).
m) was coated on the above, and heated and dried at 80 ° C. for 60 minutes in a hot air circulation dryer. Next, a 5% by weight Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich) was applied onto the carbon paper treated in this way, and heated at 80 ° C. for 15 minutes,
The electrode thus obtained was dried and used as a cathode.

【0089】次に、参考例1で得た酸化脱ドープ状態の
ポリアニリン粉末をヒドラジン一水和物のメタノール溶
液に加え、8時間攪拌して還元した。得られた反応生成
物をヌッチェと吸引瓶にて濾別し、メタノールで洗浄し
た後、真空乾燥機中、70℃で5時間乾燥させた.この
ようにして、還元型脱ドープ状態のポリアニリン粉末を
得た。
Next, the oxidatively undoped polyaniline powder obtained in Reference Example 1 was added to a methanol solution of hydrazine monohydrate and stirred for 8 hours for reduction. The obtained reaction product was filtered with a Nutsche and a suction bottle, washed with methanol, and then dried in a vacuum dryer at 70 ° C. for 5 hours. In this way, polyaniline powder in a reduced dedoped state was obtained.

【0090】この還元型脱ドープ状態のポリアニリン粉
末1.8gに導電性カーボンブラック粉末(アクゾ社製
ケッチェンブラックEC)0.4gと共に、白金を20
重量%担持させたカーボン(米国エレクトロケム社製E
C−20−PTC)0.2gを加え、磁製乳鉢を用い
て、すりすぶしながら、均一になるまで10分間混合し
た。
To 1.8 g of this reduced dedoped polyaniline powder, 0.4 g of conductive carbon black powder (Ketjen Black EC manufactured by Akzo Co.) and 20 g of platinum were added.
Carbon supported by weight% (E produced by Electrochem, USA
C-20-PTC) (0.2 g) was added, and the mixture was mixed with a porcelain mortar for 10 minutes while rubbing until uniform.

【0091】別に、ポリフッ化ビニリデン樹脂(呉羽化
学工業(株)製カイナー)0.27gをN,N−ジメチ
ルホルムアミド10.53gに溶解して、2.5重量%
溶液を調製し、これに上記還元型脱ドープ状態のポリア
ニリン粉末とカーボンブラック粉末との混合物を加え、
更に、乳鉢を用いて混合して、ペーストとした。このペ
ーストを5.8cm角のカーボンペーパー(東レ(株)
製TGP−H−90、膜厚260μm)上に塗布し、熱
風循環乾燥機中、80℃で60分間加熱、乾燥させた。
Separately, 0.27 g of polyvinylidene fluoride resin (Kina, manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.) was dissolved in 10.53 g of N, N-dimethylformamide to obtain 2.5% by weight.
A solution is prepared, and a mixture of the reduced type undoped polyaniline powder and carbon black powder is added thereto,
Furthermore, it mixed using a mortar and it was set as the paste. 5.8 cm square carbon paper (Toray Industries, Inc.)
Manufactured by TGP-H-90, film thickness: 260 μm), and heated and dried at 80 ° C. for 60 minutes in a hot air circulation dryer.

【0092】次に、このように処理したカーボンペーパ
ー上に5重量%ナフィオン(登録商標)溶液(アルドリ
ッチ社製)を塗布し、80℃で15分間、加熱、乾燥さ
せて、このようにして得られた電極をアノードに用い
た。
Next, a 5% by weight Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich Co.) was applied onto the carbon paper treated in this way, and heated and dried at 80 ° C. for 15 minutes to obtain the thus obtained product. The obtained electrode was used as an anode.

【0093】このようにして作製したカソードとアノー
ドとの間に、実施例1で得たプロトン伝導性複合膜をプ
ロトン交換膜として置き、金型を用いて、温度130
℃、圧力3MPaの条件下、ホットプレスにて電極−プ
ロトン交換膜接合体を調製して、試験用の単層の燃料電
池セルを組み立てた。
The proton-conducting composite membrane obtained in Example 1 was placed as a proton exchange membrane between the cathode and the anode thus produced, and a mold was used at a temperature of 130.
An electrode-proton exchange membrane assembly was prepared by hot pressing under conditions of ° C and a pressure of 3 MPa to assemble a single-layer fuel battery cell for testing.

【0094】この燃料電池セルを燃料電池評価装置(東
陽テクニカ(株)製)に組み込み、セル温度70℃と
し、加湿器温度70℃で酸素ガスを500mL/分の割
合でカソードに供給すると共に、加湿器温度80℃で水
素ガスを500mL/分の割合でアノードに供給した。
そこで、先ず、電流を流さずに、起電力(開路電圧)の
みを測定したところ、0.59Vであった。次に、燃料
電池に負荷を加えたところ、電圧0.4Vのとき、0.
81A(32mA/cm2)の電流を得た。
This fuel cell was incorporated into a fuel cell evaluation apparatus (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), the cell temperature was 70 ° C., and the oxygen gas was supplied to the cathode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 70 ° C. Hydrogen gas was supplied to the anode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 80 ° C.
Therefore, first, when only the electromotive force (open circuit voltage) was measured without passing a current, it was 0.59V. Next, when a load was applied to the fuel cell, when the voltage was 0.4 V,
A current of 81 A (32 mA / cm 2 ) was obtained.

【0095】実施例3 フェノールスルホン酸ノボラック樹脂水溶液(小西化学
工業(株)製、遊離酸型、固形分45.9%、重量平均
分子量22000(GPC法、ポリスチレンスルホン酸
ナトリウム標準)43.6gにイオン交換水56.4g
を加えて希釈した。られたフェノールスルホン酸ノボラ
ック樹脂水溶液に前記酸化脱ドープ状態のポリアニリン
粉末12.0gを加え、80℃の湯浴上で2時間加熱し
た後、室温で一晩、放置した。黒褐色の酸化脱ドープ状
態のポリアニリン粉末は、フェノールスルホン酸ノボラ
ック樹脂水溶液に加えた直後に黒緑色に変色して、ポリ
アニリンがフェノールスルホン酸ノボラック樹脂にてド
ープされたことが示された。
Example 3 Phenolsulfonic acid novolak resin aqueous solution (manufactured by Konishi Chemical Industry Co., Ltd., free acid type, solid content 45.9%, weight average molecular weight 22000 (GPC method, sodium polystyrene sulfonate standard) 43.6 g Ion-exchanged water 56.4g
Was added to dilute. 12.0 g of the polyaniline powder in the oxidatively dedoped state was added to the obtained phenolsulfonic acid novolak resin aqueous solution, and the mixture was heated in a hot water bath at 80 ° C. for 2 hours and then left overnight at room temperature. The black-brown oxidatively undoped polyaniline powder turned black green immediately after being added to the phenolsulfonic acid novolak resin aqueous solution, indicating that the polyaniline was doped with the phenolsulfonic acid novolac resin.

【0096】このドープ状態のポリアニリン粉末をヌツ
チェを用いて吸引濾過にて濾取し、メタノールに分散さ
せ、攪拌、洗浄する操作を3回繰返した後、濾取し、6
0℃で5時間、真空乾燥した。このようにして得られた
ドープ状態のポリアニリン粉未を錠剤成形器にてディス
ク状に成形し、ファン・デル・ボー法にて電導度を測定
したところ、4.1S/cmであった。
The dope-state polyaniline powder was collected by suction filtration using a Nutsche filter, dispersed in methanol, stirred and washed three times, and then collected by filtration.
It was vacuum dried at 0 ° C. for 5 hours. The dope-state polyaniline powder thus obtained was molded into a disk shape with a tablet molding machine, and the electric conductivity was measured by the Van der Bau method to be 4.1 S / cm.

【0097】白金20重量%を担持させたカーボン(米
国エレクトロケム社製EC−20−PTC)80mgと
導電性カーボンブラック粉末(アクゾ社製ケッチェンブ
ラックEC)160mgとを上記ドープ状態のポリアニ
リン粉末720mgに加え、磁製乳鉢を用いてすりつぶ
しながら、均一になるまで10分間混合した。得られた
混合物に2.5重量%濃度のポリフッ化ビニリデンのジ
メチルホルムアミド溶液6gを加え、更に、乳鉢を用い
て混合して、ペーストとした。
80 mg of carbon supporting 20% by weight of platinum (EC-20-PTC manufactured by Electrochem Co., USA) and 160 mg of conductive carbon black powder (Ketjenblack EC manufactured by Akzo Co.) were added to the above-mentioned doped polyaniline powder 720 mg. In addition, while mashing with a porcelain mortar, mixed for 10 minutes until uniform. To the obtained mixture, 6 g of a 2.5% by weight concentration polyvinylidene fluoride dimethylformamide solution was added, and further mixed using a mortar to obtain a paste.

【0098】このペーストを5.8cm角のカーボンペ
ーパー(東レ(株)製TGP−H−90、膜厚260μ
m)上に塗布し、80℃で60分間加熱、乾燥させて、
電極を調製した。重量増加は約234mgであった。こ
れより、白金の担持量は、電極面積当り、0.10mg
/cm2 と算出された。このように処理したカーボンペ
ーパー上に5重量%ナフィオン(登録商標)溶液(アル
ドリッチ社製)を塗布し、80℃で15分間、加熱、乾
燥させた。このようにして得られた電極をカソードとし
た。
This paste was applied to carbon paper of 5.8 cm square (TGP-H-90 manufactured by Toray Industries, Inc., film thickness 260 μm).
m), and heat at 80 ° C. for 60 minutes and dry,
An electrode was prepared. The weight gain was about 234 mg. From this, the amount of platinum supported is 0.10 mg per electrode area.
It was calculated to be / cm 2 . A 5% by weight Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich) was applied onto the carbon paper treated in this way, and heated and dried at 80 ° C. for 15 minutes. The electrode thus obtained was used as the cathode.

【0099】上記と同様にして調製した電極を20重量
%のフェノールスルホン酸ノボラック樹脂水溶液中に浸
漬し、飴和カロメル電極(SCE)を参照電極として用
い、直径0.5mmの白金線を対極として、北斗電工
(株)製ポテンショスタット/ルバノスタット(HA−
501)及びファンクション・ジェネレータ(HB−1
05)を用いて、電位範囲−0.2〜0.6V vs.
SCE、掃引速度20mV/秒の条件下にサイクリック
ボルクモグラムを得た。ポリアニリンの酸化ピークが
0.5V vs.SCEに、また、ポリアニリンの還元
ピークが−0.1Vvs.SCEに現れた。そこで、ポ
テンショスタットの電位を−0.1Vに固定して、電気
化学的に還元した。このようにして得られた電極をアノ
ードに用いた。
The electrode prepared in the same manner as above was dipped in a 20% by weight aqueous solution of phenol sulfonic acid novolac resin, the Amewa calomel electrode (SCE) was used as a reference electrode, and a platinum wire having a diameter of 0.5 mm was used as a counter electrode. , Hokuto Denko's Potentiostat / Lubanostat (HA-
501) and a function generator (HB-1)
05), and a potential range of −0.2 to 0.6 V vs.
A cyclic volchmogram was obtained under the conditions of SCE and a sweep rate of 20 mV / sec. The oxidation peak of polyaniline is 0.5 V vs. In SCE, the reduction peak of polyaniline was -0.1 V vs. Appeared in SCE. Therefore, the potential of the potentiostat was fixed at -0.1 V and electrochemical reduction was performed. The electrode thus obtained was used as an anode.

【0100】このようにして作製したカソードとアノー
ドとの間に、酸型のスチレン/ジビニルベンゼン共重合
体のスルホン化膜をプロトン交換膜として置き、金型を
用いて、温度130℃、圧力3MPaの条件下、ホット
プレスにて電極/プロトン交換膜接合体を調製し、試験
用の単層の燃料電池セルを組み立てた。
An acid type styrene / divinylbenzene copolymer sulfonated membrane was placed as a proton exchange membrane between the cathode and the anode thus prepared, and a mold was used to heat the membrane at a temperature of 130 ° C. and a pressure of 3 MPa. Under the conditions described above, an electrode / proton exchange membrane assembly was prepared by hot pressing, and a single-layer fuel battery cell for testing was assembled.

【0101】この燃料電池セルを燃料電池評価装置(東
陽テクニカ(株)製)に組み込み、セル温度70℃と
し、加湿器温度70℃で酸素ガスを500mL/分の割
合でカソードに供給すると共に、加湿器温度80℃で水
素ガスを500mL/分の割合でアノードに供給した。
そこで、先ず、電流を流さずに、起電力(開路電圧)の
みを測定したところ、0.64Vであった。次に、燃料
電池に負荷を加えたところ、電圧0.4Vのとき、4.
56A(182mA/cm2)の電流を得た。
This fuel cell was incorporated into a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), the cell temperature was 70 ° C., and oxygen gas was supplied to the cathode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 70 ° C. Hydrogen gas was supplied to the anode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 80 ° C.
Therefore, first, when only the electromotive force (open circuit voltage) was measured without passing a current, it was 0.64V. Next, when a load was applied to the fuel cell and the voltage was 0.4 V, 4.
A current of 56 A (182 mA / cm 2 ) was obtained.

【0102】この条件のまま、100時間の連続運転を
行ったところ、燃料電池特性として、電圧0.4Vのと
き、4.33A(173mA/cm2)の電流値を得
た。このように、100時間後においても、燃料電池の
特性は殆ど変化がなかった。
Under this condition, continuous operation was carried out for 100 hours. As a fuel cell characteristic, a current value of 4.33 A (173 mA / cm 2 ) was obtained at a voltage of 0.4 V. As described above, the characteristics of the fuel cell hardly changed even after 100 hours.

【0103】比較例1 エレクトロケム社製白金20重量%担持カーボン360
mgとカーボンブラック(キャボット社製バルカンXC
72R)72mgを秤量し、1.9重量%のポリフッ化
ビニリデン樹脂/N,N−ジメチルホルムアミド溶液
2.5g中に加え、乳鉢を用いて混合して、触媒ペース
トを調製した。このペーストを5.8cm角のカーボン
ペーパー(東レ(株)製TGP−H−90、膜厚260
μm)2枚の上に塗布し、熱風循環乾燥機中、80℃で
60分間加熱、乾燥させた。得られた2枚の電極上の白
金担持量は、それぞれ0.69mg/cm2 及び0.6
2mg/cm2 であった。
Comparative Example 1 Platinum 20 wt% supported carbon 360 manufactured by Electrochem
mg and carbon black (Cabot Vulcan XC
72R) 72 mg was weighed and added to 2.5 g of a 1.9 wt% polyvinylidene fluoride resin / N, N-dimethylformamide solution and mixed using a mortar to prepare a catalyst paste. This paste was used to make 5.8 cm square carbon paper (TGP-H-90 manufactured by Toray Industries, Inc., film thickness 260).
(2 μm) was applied onto two sheets, and heated and dried at 80 ° C. for 60 minutes in a hot air circulation dryer. The amounts of platinum carried on the two obtained electrodes were 0.69 mg / cm 2 and 0.6, respectively.
It was 2 mg / cm 2 .

【0104】実施例3で用いたのと同じ酸型のスチレン
/ジビニルベンゼン共重合体のスルホン化膜をプロトン
交換膜として用い、上記2枚の白金触媒担持カーボン電
極で挟み、金型を用いて、温度130℃、圧力MPaの
条件下、ホットプレスにて電極−プロトン交換膜接合体
を調製し、有効電極面積25cm2 の試験用単層の燃料
電池セルを組み立てた。
The same acid type styrene / divinylbenzene copolymer sulfonated membrane as used in Example 3 was used as a proton exchange membrane, sandwiched between the above two platinum catalyst-supporting carbon electrodes, and a die was used. The electrode-proton exchange membrane assembly was prepared by hot pressing under the conditions of a temperature of 130 ° C. and a pressure of MPa, and a test single-layer fuel battery cell having an effective electrode area of 25 cm 2 was assembled.

【0105】この燃料電池セルを燃料電池評価装置(東
陽テクニカ(株)製)に組み込み、セル温度70℃と
し、加湿器温度70℃で酸素ガスを500mL/分の割
合でカソードに供給すると共に、加湿器温度80℃で水
素ガスを500mL/分の割合でアノードに供給した。
ガス圧力は酸素、水素共に0.1MPaとした。そこ
で、先ず、電流を流さずに、起電力(開路電圧)のみを
測定したところ、0.92Vであった。次に、燃料電池
に負荷を加えたところ、電圧0.4Vのとき、18.8
A(752mA/cm2)という大きい電流を得た。こ
の条件のまま、連続運転を行ったところ、100時間の
燃料電池の特性は、電圧0.4Vのとき、電流値1.3
2A(53mA/cm2)であって、非常に大きい減少
を示した。
This fuel cell was incorporated into a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), the cell temperature was 70 ° C., and oxygen gas was supplied to the cathode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 70 ° C. Hydrogen gas was supplied to the anode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 80 ° C.
The gas pressure was 0.1 MPa for both oxygen and hydrogen. Therefore, first, when only the electromotive force (open circuit voltage) was measured without passing a current, it was 0.92V. Next, when a load was applied to the fuel cell, when the voltage was 0.4 V, 18.8
A large current of A (752 mA / cm 2 ) was obtained. When continuous operation was performed under these conditions, the characteristics of the fuel cell for 100 hours were that the current value was 1.3 when the voltage was 0.4V.
It was 2 A (53 mA / cm 2 ) and showed a very large reduction.

【0106】実施例4 実施例3と全く同様にして、フェノールスルホン酸ノボ
ラック樹脂でドープされたポリアニリン粉末、白金20
重量%を担持させたカーボン(米国エレクトロケム社製
EC−20−PTC)、導電性カーボンブラック粉末
(アクゾ社製ケッチェンブラックEC)及びポリフッ化
ビニリデンからなる混合物を5.8cm角のカーボンペ
ーパー上に担持させて、電極を調製した。白金の担持量
は、電極面積当たり、0.10mg/cm2 と算出され
た。このように処理したカーボンペーパー上に5重量%
ナフィオン(登録商標)溶液(アルドリッチ社製)を塗
布し、80℃で15分間、加熱、乾燥させた。このよう
にして得られた電極をカソードとした。
Example 4 In exactly the same manner as in Example 3, polyaniline powder doped with phenol sulfonate novolak resin, platinum 20.
A mixture of carbon (EC-20-PTC manufactured by Electrochem, USA), conductive carbon black powder (Ketjenblack EC manufactured by Akzo), and polyvinylidene fluoride was loaded on a 5.8 cm square carbon paper. To prepare an electrode. The amount of platinum supported was calculated to be 0.10 mg / cm 2 per electrode area. 5% by weight on carbon paper treated in this way
A Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich) was applied, and heated and dried at 80 ° C for 15 minutes. The electrode thus obtained was used as the cathode.

【0107】一方、アノードは、導電性高分子として、
Chemistry Letters, pp. 153−154(1988) の記載に従
って、n型導電性高分子であるポリピリジンを調製し、
これを用いて次のようにして調製した。
On the other hand, the anode is made of a conductive polymer.
As described in Chemistry Letters, pp. 153-154 (1988), an n-type conductive polymer polypyridine is prepared,
Using this, it prepared as follows.

【0108】即ち、白金20重量%を担持させたカーボ
ン(米国エレクトロケム社EC−20−PTC)44m
gと導電性カーボンブラック粉末(アクゾ社製ケッチェ
ンブラックEC)80mgをポリピリジン400mgに
加え、磁製乳鉢中ですりつぶしながら、均一になるまで
10分間混合した。このようにして得られた混合物に
2.5重量%濃度のポリフッ化ビニリデン樹脂のジメチ
ルホルムアミド溶液2.1gを加え、更に、乳鉢を用い
て混合して、ペーストとした。
That is, 44 m of carbon supporting 20% by weight of platinum (EC-20-PTC manufactured by Electrochem, USA)
g and 80 mg of conductive carbon black powder (Ketjenblack EC manufactured by Akzo Co., Ltd.) were added to 400 mg of polypyridine, and the mixture was ground in a porcelain mortar and mixed for 10 minutes until uniform. To the mixture thus obtained, 2.1 g of a 2.5% by weight concentration polyvinylidene fluoride resin in dimethylformamide solution was added, and further mixed using a mortar to form a paste.

【0109】このペーストを5.8cm角のカーボンペ
ーパー(東レ(株)製TGP−H−90、膜厚260μ
m)上に塗布し、80℃で60分間加熱、乾燥させて、
電極を調製した。このように処理したカーボンペーパー
上に5重量%ナフィオン(登録商標)溶液(アルドリッ
チ社製)を塗布し、80℃で15分間、加熱、乾燥させ
た。
This paste was applied to carbon paper of 5.8 cm square (TGP-H-90 manufactured by Toray Industries, Inc., film thickness 260 μm).
m), and heat at 80 ° C. for 60 minutes and dry,
An electrode was prepared. A 5% by weight Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich) was applied onto the carbon paper treated in this way, and heated and dried at 80 ° C. for 15 minutes.

【0110】このようにして得られた電極を20重量%
のフェノールスルホン酸ノボラック樹脂水溶液中に浸漬
し、飽和カロメル電極(SCE)を参照電極として用
い、直径0.5mmの白金線を対極として、北斗電工
(株)製ポテンショスタット/ガルバノスタット(HA
−501)及びファンクション・ジェネレータ(HB−
105)を用いて、電位範囲−0.2〜0.5V v
s.SCE、掃引速度20mV/秒の条件下にサイクリ
ックボルタモグラムを得た。ポリピリジンの還元ピーク
が−02V vs.SCEに現れたが、正の電位領域で
の酸化ピークは認められなかった。これはポリピリジン
がn型導電性高分子であることを示す。.そこで、ポテ
ンショスタットの電位を−0.2V vs.SCEに固
定して、このポリピリジンを電気化学的に還元した。こ
れによって、ポリピリジンは、これに酸性下に電子とプ
ロトンが注入されて、式(II)
20% by weight of the electrode thus obtained
Of Phenolsulfonic acid novolac resin aqueous solution, and using a saturated calomel electrode (SCE) as a reference electrode and a platinum wire having a diameter of 0.5 mm as a counter electrode, a potentiostat / galvanostat (HA) manufactured by Hokuto Denko KK
-501) and function generator (HB-
105), and a potential range of −0.2 to 0.5 V v
s. A cyclic voltammogram was obtained under the conditions of SCE and sweep speed of 20 mV / sec. The reduction peak of polypyridine is -02V vs. Although it appeared in SCE, no oxidation peak was observed in the positive potential region. This indicates that polypyridine is an n-type conductive polymer. . Therefore, the potential of the potentiostat is set to -0.2 V vs. The polypyridine was immobilized electrochemically on SCE. As a result, polypyridine has the formula (II)

【0111】[0111]

【化2】 [Chemical 2]

【0112】に示すような構造を有するに至ったものと
推定される。このようにして得られた電極をアノードに
用いた。
It is presumed that the structure shown in FIG. The electrode thus obtained was used as an anode.

【0113】ポリイソプレンの部分スルホン化物のトル
エン溶液からキャストして、酸型のプロトン交換膜を調
製した。
An acid type proton exchange membrane was prepared by casting from a toluene solution of a partially sulfonated polyisoprene.

【0114】上述したようにして作製したカソードとア
ノードとの間に上記プロトン交換膜を電解質膜として置
き、金型を用いて、温度130℃のホットプレスにて電
極/プロトン交換膜接合体を調製し、試験用の単層の燃
料電池セルを組み立てた。
The above-mentioned proton exchange membrane is placed as an electrolyte membrane between the cathode and the anode produced as described above, and an electrode / proton exchange membrane assembly is prepared by hot pressing at a temperature of 130 ° C. using a mold. Then, a single-layer fuel battery cell for test was assembled.

【0115】この燃料電池セルを燃料電池評価装置(東
陽テクニカ(株)製)に組み込み、セル温度70℃と
し、加湿器温度70℃で酸素ガスを500mL/分の割
合でカソードに供給すると共に、加湿器温度80℃で水
素カスを1000mL/分の割合でアノードに供給し
た。最初は、電流を流さず、起電力(開路電圧)のみを
測定したところ、0.72Vであった。次に、燃料電池
に負荷を加えたところ、電圧0.4Vのとき、5.54
A(222mA/cm2)の電流を得た。
This fuel cell was incorporated into a fuel cell evaluation apparatus (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), the cell temperature was 70 ° C., and oxygen gas was supplied to the cathode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 70 ° C. Hydrogen debris was supplied to the anode at a rate of 1000 mL / min at a humidifier temperature of 80 ° C. At first, the electromotive force (open circuit voltage) was measured without flowing a current, and it was 0.72V. Next, when a load was applied to the fuel cell, when the voltage was 0.4 V, it was 5.54.
A current of A (222 mA / cm 2 ) was obtained.

【0116】実施例14 フェノールスルホン酸ノボラック樹脂水溶液中、ペルオ
キソ二硫酸アンモニウムを酸化剤として用いて、インド
ールを化学酸化重合して、フェノールスルホン酸ノボラ
ック樹脂と一部硫酸がトープされたポリインドールから
なる導電性高分子粉末を得た。これをヌッチェにて吸引
濾過し、メタノール中で攪拌、洗浄した後、50℃で5
時間、真空乾燥した。得られた粉末を錠剤成形器にて加
圧成形して、直径13mm、厚み720μmのディスク
を得た。このディスクの電導度をファン・デル・ポー法
にて測定したところ、1.2×10-1S/cmであった。
Example 14 In a phenol sulfonic acid novolac resin aqueous solution, ammonium peroxodisulfate was used as an oxidizing agent to chemically oxidize indole to form a phenol sulfonic acid novolac resin and polyindole in which part of sulfuric acid was topped. A high-polymer powder was obtained. This is suction filtered with a nutsche, stirred and washed in methanol, and then at 5O 0 C for 5
Vacuum dried for hours. The obtained powder was pressure-molded with a tablet molding machine to obtain a disk having a diameter of 13 mm and a thickness of 720 μm. When the electric conductivity of this disk was measured by the Van der Pauw method, it was 1.2 × 10 -1 S / cm.

【0117】次に、白金20重量%を担持させたカーボ
ン(米国エレクトロケム社製EC−20−PTC)44
mgと導電性カーボンブラック粉末(アクゾ社製ケッチ
ェンブラックEC)80mgを上記ポリインドール42
0mgに加え、磁製乳鉢中ですりつぶしながら、均一に
なるまで10分間混合した。このようにして得られた混
合物に2.5重量%濃度のポリフッ化ピニリデンのジメ
チルホルムアミド溶液2.1gを加え、更に、乳鉢を用
いて混合して、ペーストとした。
Next, carbon supporting 20% by weight of platinum (EC-20-PTC manufactured by US Electrochem) 44
and 80 mg of conductive carbon black powder (Ketjen Black EC manufactured by Akzo) are added to the above polyindole 42.
In addition to 0 mg, while mashing in a porcelain mortar, mix for 10 minutes until uniform. To the mixture thus obtained, 2.1 g of a dimethylformamide solution of poly (vinylidene fluoride) having a concentration of 2.5% by weight was added, and further mixed using a mortar to obtain a paste.

【0118】このペーストを5.8cm角のカーボンペ
ーパー(東レ(株)製TGP−H−90、膜厚260μ
m)上に塗布し、80℃で60分間加熱、乾燥させて、
電極を調製した.このように処理したカーボンペーパー
上に5重%ナフィオン(登録商標)溶液(アルドリッチ
社製)を塗布し、80℃で15分間、加熱、乾燥させ
た。して得られた電極をカソードとした。
This paste was applied to carbon paper of 5.8 cm square (TGP-H-90 manufactured by Toray Industries, Inc., film thickness 260 μm).
m), and heat at 80 ° C. for 60 minutes and dry,
The electrode was prepared. A 5% by weight Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich Co.) was applied onto the carbon paper thus treated, and heated and dried at 80 ° C. for 15 minutes. The electrode thus obtained was used as a cathode.

【0119】一方、アノードは、導電性高分子として、
n型導電性高分子であるポリフェニルキノキサリンを用
いて、次のようにして調製した。即ち、P.M. Hergenrot
her,H.H. Levine,J. Polymer Sci., Part A-1, 5, 145
3-1466 (1967) の記載に従って、m−クレゾール中、
3,4,3’,4’−テトラアミノビフェニルと1,4
−ビスベンジルを反応させることによって、ポリフェニ
ルキノキサリンの高粘度溶液を得、これをm−クレゾー
ルにて帝釈して、1重量%溶液とした。この溶液にカー
ボンブラック(キャボット社製バルカンXC72R)を
加え、ホモジナイザーにて攪拌した後、このまま乾燥機
中で溶剤m−クレゾールを留去して、カーボン表面に薄
くポリフェニルキノキサリン膜を形成させた。
On the other hand, the anode is made of a conductive polymer.
It was prepared as follows using polyphenylquinoxaline, which is an n-type conductive polymer. That is, PM Hergenrot
her, HH Levine, J. Polymer Sci., Part A-1, 5, 145
3-1466 (1967), in m-cresol,
3,4,3 ', 4'-tetraaminobiphenyl and 1,4
-By reacting with bisbenzyl, a highly viscous solution of polyphenylquinoxaline was obtained, which was diluted with m-cresol to give a 1% by weight solution. Carbon black (Valcan XC72R manufactured by Cabot Corp.) was added to this solution, and the mixture was stirred with a homogenizer, and then the solvent m-cresol was distilled off in a dryer as it was to form a thin polyphenylquinoxaline film on the carbon surface.

【0120】次いで、白金20重量%を担持させたカー
ボン(米国エレクトロケム社製EC−20−PTC)4
0mgと上記表面にポリフェニルキノキサリン膜を有す
るカーボン500mgを磁製乳鉢中ですりつぶしなが
ら、均一になるまで10分間混合した。このようにして
得られた混合物に2.5重量%濃度のポリフッ化ビニリ
デンのジメチルホルムアミド溶液2.1gを加え、更
に、乳鉢を用いて混合して、ペーストとした。
Next, carbon supporting 20% by weight of platinum (EC-20-PTC manufactured by US Electrochem) 4
0 mg and 500 mg of carbon having a polyphenylquinoxaline film on the surface were ground in a porcelain mortar and mixed for 10 minutes until uniform. To the mixture thus obtained, 2.1 g of a polyvinylidene fluoride dimethylformamide solution having a concentration of 2.5% by weight was added, and further mixed using a mortar to obtain a paste.

【0121】このペーストを5.8cm角のカーボンペ
ーパー(東レ(株)製TGP−H−90、膜厚260μ
m)上に塗布し、80℃で60分間加熱、乾燥させて、
電極を調製した。このように処理したカーボンペーパー
上に5重量%ナフィオン(登録商標)溶液(アルドリッ
チ社製)を塗布し、80℃で15分間、加熱、乾燥させ
た。
This paste was applied to carbon paper of 5.8 cm square (TGP-H-90 manufactured by Toray Industries, Inc., film thickness 260 μm).
m), and heat at 80 ° C. for 60 minutes and dry,
An electrode was prepared. A 5% by weight Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich) was applied onto the carbon paper treated in this way, and heated and dried at 80 ° C. for 15 minutes.

【0122】このようにして得られた電極を20重量%
のフェノールスルホン酸ノボラック樹脂水溶液中に漠潰
し、飽和カロメル電極(SCE)を参照電極として用
い、直径0.5mmの白金線を対極として、北斗電工
(株)製ポテンショスタット/カルバノスタット(HA
−501)及びファンクション・ジェネレータ(HB−
105)を用いて、電位範囲−0.2〜0.5V v
s.SCE、挿引速度20mV/秒の条件下にサイクリ
ックボルタモグラムを得た。ポリフエニルキノキサリン
の還元ピークが−0.10V vs.SCEに現れた
が、正の電位領域には酸化ピークは認められなかった。
これはポリフェニルキノキサリンがn型導電性高分子で
あることを示す。
20% by weight of the electrode thus obtained
Phenol sulfonate / carbanostat (HA) manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd. using a saturated calomel electrode (SCE) as a reference electrode and a platinum wire having a diameter of 0.5 mm as a counter electrode.
-501) and function generator (HB-
105), and a potential range of −0.2 to 0.5 V v
s. A cyclic voltammogram was obtained under the conditions of SCE and a drawing speed of 20 mV / sec. The reduction peak of polyphenylquinoxaline is -0.10 V vs. Although it appeared in SCE, no oxidation peak was observed in the positive potential region.
This indicates that polyphenylquinoxaline is an n-type conductive polymer.

【0123】そこで、ポテンショスタットの電位を−
0.10V vs.SCEに固定して、このポリフェニ
ルキノキサリンを電気化学的に還元した.これによっ
て、ポリフェニルキノキサリンは、これに酸性下に電子
とプロトンが注入されて、式(III)
Therefore, the potential of the potentiostat is set to −
0.10 V vs. The polyphenylquinoxaline was immobilized electrochemically on SCE. As a result, the polyphenylquinoxaline is injected with electrons and protons under acidic conditions, resulting in formula (III)

【0124】[0124]

【化3】 [Chemical 3]

【0125】のような構造を有するに至ったものと推定
される。このようにして得られた電極をアノードに用い
た。
It is presumed that such a structure was reached. The electrode thus obtained was used as an anode.

【0126】ポリベンズイミダゾールのスルホン化物を
N,N−ジメチルアセトアミドに溶解し、キャスティン
グし、乾燥して得られた酸型のプロトン交換膜を電解質
膜として用い、上記のようにして作製したカソードとア
ノードとの間に置き、金型を用いて、温度130℃のホ
ットプレスにて、電極/プロトン交換膜接合体を調製
し、試験用の単層の燃料電池セルを組み立てた.
The sulfonated product of polybenzimidazole was dissolved in N, N-dimethylacetamide, cast and dried, and the acid-type proton exchange membrane obtained was used as an electrolyte membrane. The electrode / proton exchange membrane assembly was prepared by hot pressing at a temperature of 130 ° C. by placing it between the anode and a mold, and assembling a single-layer fuel cell for testing.

【0127】この燃料電池セルを燃料電池評価装置(東
陽テクニカ(株)製)に組み込み、セル温度70℃と
し、加湿器温度70℃で酸素ガスを500mL/分の割
合でカソードに供給すると共に、加湿器温度80℃で水
素ガスを1000mL/分の割合でアノードに供給し
た。最初は、電流を流さず、起電力(開路電圧)のみを
測定したところ、1.20Vであった。次に、燃料電池
に負荷を加えたところ、電圧0.4Vのとき、22.5
A(900mA/cm2)の電流を得た。
This fuel cell was incorporated into a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), the cell temperature was set to 70 ° C., and oxygen gas was supplied to the cathode at a rate of 500 mL / min at a humidifier temperature of 70 ° C. Hydrogen gas was supplied to the anode at a rate of 1000 mL / min at a humidifier temperature of 80 ° C. At first, the electromotive force (open circuit voltage) was measured without applying a current, and it was 1.20V. Next, when a load was applied to the fuel cell, when the voltage was 0.4 V, 22.5
A current of A (900 mA / cm 2 ) was obtained.

【0128】[0128]

【発明の効果】以上のように、本発明による燃料電池
は、酸化還元機能を備えた導電性有機重合体を電極触媒
として有し、高い起電力を示し、高い電流密度で放電す
ることができ、かくして、高出力の燃料電池特性を示
す。更に、電極触媒として、導電性有機重合体と共に無
機酸化還元触媒を併用することによって、一層、高出力
の燃料電池を得ることができる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the fuel cell according to the present invention has a conductive organic polymer having a redox function as an electrode catalyst, exhibits a high electromotive force, and can be discharged at a high current density. Thus, it exhibits high output fuel cell characteristics. Furthermore, by using an inorganic redox catalyst together with a conductive organic polymer as an electrode catalyst, a fuel cell with even higher output can be obtained.

【0129】更に、本発明によれば、燃料電池において
は、触媒が酸化還元機能を備えた導電性有機重合体であ
るので、酸素ラジカルの攻撃を受けることがなく、かく
して、電解質膜として、高価なパーフルオロスルホン酸
ポリマー膜に代えて、低廉で入手しやすいプロトン交換
膜、例えば、重合体鎖が炭化水素からなるプロトン交換
膜を用いることができるので、燃料電池の大幅なコスト
低減を図ることができる。
Furthermore, according to the present invention, in the fuel cell, since the catalyst is a conductive organic polymer having a redox function, the catalyst is not attacked by oxygen radicals, and thus the electrolyte membrane is expensive. It is possible to use a cheap and easily available proton exchange membrane, for example, a proton exchange membrane in which the polymer chain is a hydrocarbon, instead of such a perfluorosulfonic acid polymer membrane, so that the cost of the fuel cell can be significantly reduced. You can

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Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電解質膜を挟んでカソードとアノードとを
配設し、このカソードに酸化剤を気体で供給し、アノー
ドに還元剤を気体で供給する燃料電池において、少なく
とも一方の電極に、酸化還元機能を備えた導電性有機重
合体を電極触媒として有せしめると共に、重合体鎖が
N、S、O及びFから選ばれる1種以上の異種原子を含
んでいてもよい炭化水素骨格からなり(但し、パーフル
オロ炭化水素からなる重合体鎖を除く。)、酸基を有す
る重合体からなるプロトン交換膜からなることを特徴と
する燃料電池。
1. A fuel cell in which a cathode and an anode are disposed with an electrolyte membrane sandwiched therebetween, an oxidant is supplied as a gas to the cathode, and a reducing agent is supplied as a gas to the anode, and at least one electrode is oxidized. A conductive organic polymer having a reducing function is used as an electrode catalyst, and the polymer chain is composed of a hydrocarbon skeleton which may contain one or more kinds of heteroatoms selected from N, S, O and F ( However, a fuel cell comprising a proton exchange membrane made of a polymer having an acid group, excluding a polymer chain made of perfluorohydrocarbon.).
【請求項2】電極触媒が導電性有機重合体と無機酸化還
元触媒との混合物からなる請求項1に記載の燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the electrode catalyst comprises a mixture of a conductive organic polymer and an inorganic redox catalyst.
【請求項3】導電性有機重合体がポリアニリン又はポリ
アルキルアニリンである請求項1又は2に記載の燃料電
池.
3. The fuel cell according to claim 1, wherein the conductive organic polymer is polyaniline or polyalkylaniline.
【請求項4】導電性有機重合体がポリピリジン、ポリイ
ンドール又はポリフェニルキノキサリンである請求項1
又は2に記載の燃料電池。
4. The conductive organic polymer is polypyridine, polyindole or polyphenylquinoxaline.
Or the fuel cell according to item 2.
【請求項5】導電性有機重合体がドーバントを含むもの
である請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池。
5. The fuel cell according to claim 1, wherein the conductive organic polymer contains a dovant.
【請求項6】ドーバントがポリマースルホン酸である請
求項5に記載の燃料電池。
6. The fuel cell according to claim 5, wherein the dovant is a polymer sulfonic acid.
【請求項7】ポリマースルホン酸がポリビニルスルホン
酸又はフェノールスルホン酸ノボラック樹脂である請求
項6に記載の燃料電池。
7. The fuel cell according to claim 6, wherein the polymer sulfonic acid is polyvinyl sulfonic acid or phenol sulfonic acid novolac resin.
【請求項8】無機酸化還元触媒が白金、バラジウム、ル
テニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト
及びモリブデンから選ばれる少なくとも1種の遷移金属
か、又はその酸化物である請求項2に記載の燃料電池.
8. The inorganic redox catalyst is at least one transition metal selected from platinum, barium, ruthenium, rhodium, silver, nickel, iron, copper, cobalt and molybdenum, or an oxide thereof. The fuel cell described.
【請求項9】プロトン交換膜が炭化水素からなる重合体
鎖を有すると共に、酸基としてスルホン酸基を有する重
合体からなる請求項1に記載の燃料電池。
9. The fuel cell according to claim 1, wherein the proton exchange membrane has a polymer chain made of a hydrocarbon and a polymer having a sulfonic acid group as an acid group.
【請求項10】プロトン交換膜が炭化水素からなる重合
体鎖を有すると共に、酸基としてリン酸基、ホスホン酸
基又はホスフィン酸基を有する重合体からなる請求項1
に記載の燃料電池。
10. The polymer according to claim 1, wherein the proton exchange membrane has a polymer chain made of a hydrocarbon and also has a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group as an acid group.
The fuel cell described in 1.
【請求項11】プロトン交換膜がスルホン酸基を有する
ビニル単量体を重合して得られる重合体からなる請求項
9に記載の燃料電池。
11. The fuel cell according to claim 9, wherein the proton exchange membrane is made of a polymer obtained by polymerizing a vinyl monomer having a sulfonic acid group.
【請求項12】プロトン交換膜が側鎖にリン酸基、ホス
ホン酸基又はホスフィン酸基を有するビニル単量体を重
合して得られる重合体からなる請求項10に記載の燃料
電池。
12. The fuel cell according to claim 10, wherein the proton exchange membrane is made of a polymer obtained by polymerizing a vinyl monomer having a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group in its side chain.
【請求項13】プロトン交換膜がスチレン/ジビニルベ
ンゼン共重合体のスルホン化物からなる請求項1に記載
の燃料電池。
13. The fuel cell according to claim 1, wherein the proton exchange membrane is made of a sulfonated product of a styrene / divinylbenzene copolymer.
【請求項14】プロトン交換膜がポリイソプレンのスル
ホン化物からなる請求項1に記載の燃料電池。
14. The fuel cell according to claim 1, wherein the proton exchange membrane is made of a sulfonated product of polyisoprene.
【請求項15】プロトン交換膜がポリベンズイミダゾー
ルのスルホン化物からなる請求項1に記載の燃料電池。
15. The fuel cell according to claim 1, wherein the proton exchange membrane is made of a sulfonated product of polybenzimidazole.
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