JP2005339991A - Polyelectrolyte film, and solid polymer fuel cell and direct methanol type fuel cell using the same - Google Patents

Polyelectrolyte film, and solid polymer fuel cell and direct methanol type fuel cell using the same Download PDF

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秀寿 黒松
Tomokazu Yamane
友和 山根
Kiyoyuki Minamimura
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide polyelectrolyte film with superior proton conductivity and gas breaking property, and to provide a solid polymer fuel cell and a direct methanol type fuel cell that develop superior generation characteristics. <P>SOLUTION: The polyelectrolyte film comprises a sulfonic acid group and a hydrocarbon system high molecular compound, wherein a hydrogen permeation factor and/or an oxygen permeation factor at 23°C are 5.0×10<SP>-10</SP>(cm<SP>3</SP>cm)/(cm<SP>2</SP>s cmHg) or less and 5.0×10<SP>-11</SP>(cm<SP>3</SP>cm)/(cm<SP>2</SP>s cmHg) or less, respectively. In the polyelectrolyte film, a hydrogen permeation factor and/or an oxygen permeation factor at 80°C are 7 times the hydrogen permeation factor or less and 10 times the oxygen permeation factor at 23°C or less, respectively. The solid polymer fuel cell and the direct methanol type fuel cell employ the polyelectrolyte film. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高分子電解質膜並びに、それを使用した固体高分子形燃料電池および直接メタノール形燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, and a solid polymer fuel cell and a direct methanol fuel cell using the same.

スルホン酸基などのプロトン伝導性置換基を有する高分子化合物からなる高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の材料として使用される。これら電気化学素子の中でも、固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を使用する固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。その中でも、メタノールを直接燃料に使用する直接メタノール形燃料電池は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには高エネルギー密度などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民生用小型携帯機器への応用が期待されている。   Polymer electrolyte membranes made of polymer compounds having proton-conductive substituents such as sulfonic acid groups are used as materials for electrochemical devices such as solid polymer fuel cells, humidity sensors, gas sensors, and electrochromic display devices. The Among these electrochemical devices, solid polymer fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. Solid polymer fuel cells that use proton-conducting polymer electrolyte membranes can be operated at low temperatures and can be reduced in size and weight, so they can be used in mobiles such as automobiles, household cogeneration systems, and consumer-use compacts. Application to portable devices is under consideration. Among them, direct methanol fuel cells that use methanol directly as fuel have a simple structure, ease of fuel supply and maintenance, and high energy density. Applications to small portable devices such as telephones and laptop computers are expected.

燃料に水素、酸化剤に酸素を使用する固体高分子形燃料電池の場合、使用する高分子電解質膜のガス遮断性が低いと、水素や酸素の透過で、いわゆる化学ショート反応が起こるため、発電特性が低下する恐れがあったり、さらに、水素と酸素が直接燃焼反応を生じることや、ラジカルが生成することにより高分子電解質膜や膜−電極接合体の劣化を促進する恐れがある。従って、使用する高分子電解質膜の特性として、プロトン伝導性に加え、水素および酸素に対する遮断性が強く求められる。また、燃料にメタノールを使用する直接メタノール形燃料電池の場合、高分子電解質膜のメタノール透過(クロスオーバーともいう)が大きいことが問題視されているが、固体高分子形燃料電池と同様に、高分子電解質膜中を酸素が透過することによって、高分子電解質膜や膜−電極接合体の劣化が促進されること、さらに、透過した酸素とメタノールが反応してホルムアルデヒドなどの有害な副生成物を生じる恐れもある。従って、使用する高分子電解質膜の特性として、プロトン伝導性やメタノール遮断性に加えて、酸素遮断性が強く求められる。   In the case of a polymer electrolyte fuel cell that uses hydrogen as the fuel and oxygen as the oxidant, if the gas barrier property of the polymer electrolyte membrane used is low, a so-called chemical short reaction occurs due to the permeation of hydrogen and oxygen. There is a possibility that the characteristics may be deteriorated, and further, hydrogen and oxygen may cause a direct combustion reaction, or radicals may be generated to promote deterioration of the polymer electrolyte membrane or the membrane-electrode assembly. Therefore, as a characteristic of the polymer electrolyte membrane to be used, in addition to proton conductivity, a barrier property against hydrogen and oxygen is strongly demanded. In addition, in the case of a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel, it is regarded as a problem that methanol permeation (also referred to as crossover) of the polymer electrolyte membrane is large, but like a solid polymer fuel cell, The permeation of oxygen through the polymer electrolyte membrane promotes the deterioration of the polymer electrolyte membrane and membrane-electrode assembly, and the permeated oxygen and methanol react to form harmful by-products such as formaldehyde. May also occur. Therefore, as a characteristic of the polymer electrolyte membrane to be used, in addition to proton conductivity and methanol blocking property, oxygen blocking property is strongly required.

固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池に使用される高分子電解質膜として、ナフィオン(Nafion,デュポン社の登録商標。以下同様)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が、高いプロトン伝導度を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れていることなどから、広く検討されている。水素ガス遮断性についても、例えば、特許文献1や2で検討されているものの、高分子電解質膜の薄膜化が強く求められている中、充分なものではない。   Perfluorocarbon sulfonic acid membranes typified by Nafion (a registered trademark of Nafion, DuPont, the same applies below) are used as polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells and direct methanol fuel cells. It is widely studied because of its excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. The hydrogen gas barrier property is also not sufficient, although it has been studied in Patent Documents 1 and 2, for example, but there is a strong demand for a thin polymer electrolyte membrane.

上記より、安価で優れた特性を有する高分子電解質膜が望まれているが、従来の技術では、それらを満たすものは未だ開発されていない。
特開平6−342665号公報 特開2002−313365号公報
From the above, polymer electrolyte membranes that are inexpensive and have excellent characteristics are desired, but those that satisfy them have not yet been developed in the prior art.
JP-A-6-342665 JP 2002-313365 A

本発明の目的は、上記問題を鑑みてなされたものであり、プロトン伝導性、さらに水素遮断性および酸素遮断性に優れる高分子電解質膜を提供することである。さらに、優れた発電特性を発現しうる固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池を提供することである。   The object of the present invention has been made in view of the above problems, and is to provide a polymer electrolyte membrane that is excellent in proton conductivity, hydrogen barrier properties, and oxygen barrier properties. Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell that can exhibit excellent power generation characteristics.

上記課題は、下記の高分子電解質膜で、解決できる。   The above problems can be solved by the following polymer electrolyte membrane.

本発明の第1は、スルホン酸基と炭化水素系高分子化合物を含む高分子電解質膜であって、水素透過係数が、23℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である高分子電解質膜である。 A first aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing a sulfonic acid group and a hydrocarbon polymer compound, and has a hydrogen permeability coefficient of 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 at 23 ° C. (S · cmHg) or less.

本発明の第2は、前記水素透過係数は、80℃において3.0×10-9cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である高分子電解質膜である。 A second aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane having a hydrogen permeability coefficient of 3.0 × 10 −9 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 80 ° C.

本発明の第3は、前記高分子電解質膜の80℃における水素透過係数が、23℃における水素透過係数の7倍以下である請求項1または2のいずれかに記載の高分子電解質膜である。   3rd of this invention is a polymer electrolyte membrane in any one of Claim 1 or 2 whose hydrogen permeation coefficient in 80 degreeC of the said polymer electrolyte membrane is 7 times or less of the hydrogen permeation coefficient in 23 degreeC. .

本発明の第4は、スルホン酸基と炭化水素系高分子化合物を含む高分子電解質膜であって、酸素透過係数が、23℃において5.0×10-11cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である高分子電解質膜である。 A fourth aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing a sulfonic acid group and a hydrocarbon polymer compound, and has an oxygen permeability coefficient of 5.0 × 10 −11 cm 3 · cm / (cm 2 at 23 ° C. (S · cmHg) or less.

本発明の第5は、前記酸素透過係数が、80℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である請求項4記載の高分子電解質膜である。 The fifth aspect of the present invention is the polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein the oxygen permeability coefficient is 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 80 ° C. .

本発明の第6は、前記高分子電解質膜の80℃における酸素透過係数が、23℃における酸素透過係数の10倍以下である請求項5記載の高分子電解質膜である。   The sixth aspect of the present invention is the polymer electrolyte membrane according to claim 5, wherein the oxygen permeability coefficient at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane is not more than 10 times the oxygen permeability coefficient at 23 ° C.

本発明の第7は、スルホン酸基と炭化水素系高分子化合物を含む高分子電解質膜であって、水素透過係数が、23℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下、および、酸素透過係数が、23℃において5.0×10-11cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である高分子電解質膜である。 A seventh aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing a sulfonic acid group and a hydrocarbon polymer compound, and has a hydrogen permeability coefficient of 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 at 23 ° C. S · cmHg) or less, and the oxygen permeability coefficient is 5.0 × 10 −11 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 23 ° C.

本発明の第8は、前記水素透過係数は、80℃において3.0×10-9cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下、および、前記酸素透過係数が、80℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である請求項7記載の高分子電解質膜である。 According to an eighth aspect of the present invention, the hydrogen permeability coefficient is 3.0 × 10 −9 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 80 ° C., and the oxygen permeability coefficient is 5 at 80 ° C. The polymer electrolyte membrane according to claim 7, which is 0.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less.

本発明の第9は、前記高分子電解質膜の80℃における水素透過係数が、23℃における水素透過係数の7倍以下、および、80℃における酸素透過係数が、23℃における酸素透過係数の10倍以下である請求項7または8のいずれかに記載の高分子電解質膜である。   According to a ninth aspect of the present invention, the hydrogen permeability coefficient at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane is not more than 7 times the hydrogen permeability coefficient at 23 ° C., and the oxygen permeability coefficient at 80 ° C. is 10 times the oxygen permeability coefficient at 23 ° C. 9. The polymer electrolyte membrane according to claim 7, wherein the polymer electrolyte membrane is not more than double.

本発明の第10は、前記炭化水素系高分子化合物が、ポリフェニレンサルファイドである請求項1または4または7のいずれかに記載の高分子電解質膜である。   The tenth aspect of the present invention is the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrocarbon polymer compound is polyphenylene sulfide.

本発明の第11は、前記高分子電解質膜のイオン交換容量が、1〜3ミリ当量/gである請求項1〜10のいずれかに記載の高分子電解質膜である。   The eleventh aspect of the present invention is the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10, wherein the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane is 1 to 3 meq / g.

本発明の第12は、前記請求項1〜11のいずれかに記載の高分子電解質膜であって、乾燥終了時に0.001MPa〜30MPaの張力がかかっている乾燥工程を含む製造方法で作製された高分子電解質膜である。   A twelfth aspect of the present invention is the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 11, which is produced by a manufacturing method including a drying step in which a tension of 0.001 MPa to 30 MPa is applied at the end of drying. A polymer electrolyte membrane.

本発明の第13は、前記請求項1〜12記載のいずれかの高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池である。   A thirteenth aspect of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 12.

本発明の第14は、前記請求項1〜12記載のいずれかの高分子電解質膜を使用した直接メタノール形燃料電池である。   A fourteenth aspect of the present invention is a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 12.

本発明によれば、プロトン伝導性、さらに水素遮断性および酸素遮断性に優れる高分子電解質膜を得ることができる。さらに、これらの高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池は、優れた発電特性を発現しうる。   According to the present invention, a polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity, hydrogen barrier property, and oxygen barrier property can be obtained. Furthermore, a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell using these polymer electrolyte membranes can exhibit excellent power generation characteristics.

すなわち本発明の高分子電解質膜は、スルホン酸基と炭化水素系高分子化合物を含む高分子電解質膜であって、固体高分子形燃料電池の燃料として使用される水素、および、酸化剤として使用される酸素、の透過係数が所定値以下のものである。本発明において、水素透過係数および酸素透過係数は、JIS K7126に準拠した方法で測定できる。具体的には、高分子電解質膜で隔離したセルの片側に、測定ガスである水素または酸素を供給し、もう一方に供給した不活性ガス中に透過してきた測定ガス量を定量する等圧法や、もう一方を減圧して透過してきた測定ガス量を定量する差圧法などが適用できる。膜中を透過したガス量はガスクロマトグラフなどで定量すればよい。   That is, the polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing a sulfonic acid group and a hydrocarbon polymer compound, and is used as hydrogen used as a fuel for a solid polymer fuel cell and as an oxidizing agent. The permeation coefficient of oxygen is not more than a predetermined value. In the present invention, the hydrogen permeability coefficient and the oxygen permeability coefficient can be measured by a method based on JIS K7126. Specifically, an isobaric method for supplying hydrogen or oxygen as a measurement gas to one side of a cell separated by a polymer electrolyte membrane and quantifying the amount of measurement gas permeated into the inert gas supplied to the other cell, A differential pressure method for quantifying the amount of measurement gas that has permeated while reducing the pressure of the other can be applied. The amount of gas that has permeated through the membrane may be quantified with a gas chromatograph or the like.

本発明において、高分子電解質膜の23℃における水素透過係数は、好ましくは5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である。さらに好ましくは3.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である。最も好ましくは、2.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である。水素透過係数がこの範囲よりも大きいと、高分子電解質膜中を燃料である水素がアノード側からカソード側へと透過し易くなり、燃料のむだによる水素利用率およびエネルギー効率の低下、水素クロスオーバーによるセル電圧の低下、カソード側の酸素と直接燃焼反応による膜−電極接合体の劣化、が生じる恐れがある。本発明において、23℃における水素透過係数が、より好ましい範囲、あるいは、最も好ましい範囲となるに従って、これらの高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池の実使用状態での耐久性が飛躍的に向上する傾向を生じる。 In the present invention, the hydrogen permeability coefficient at 23 ° C. of the polymer electrolyte membrane is preferably 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. More preferably, it is 3.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. Most preferably, it is 2.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. If the hydrogen permeation coefficient is larger than this range, hydrogen as a fuel will easily pass through the polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side, resulting in a decrease in hydrogen utilization and energy efficiency due to fuel waste, hydrogen crossover. There is a risk that the cell voltage may be reduced by the deterioration of the membrane-electrode assembly due to direct combustion reaction with oxygen on the cathode side. In the present invention, as the hydrogen permeation coefficient at 23 ° C. becomes a more preferable range or the most preferable range, a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell using these polymer electrolyte membranes is actually used. There is a tendency that the durability at the time is greatly improved.

一般的に、ガス透過係数は測定温度に伴って、増加する傾向を生じる。高分子電解質膜の主用途である固体高分子形燃料電池は、停止時、立ち上げ時、定常運転時、負荷変動時、などでそれぞれ温度が異なる。その際、水素透過係数が実作動温度域に近辺の80℃で急激に増加するような傾向を示したり、温度に対する依存性が強いと、燃料電池自体の性能変動要因となったり、制御が困難となる恐れがある。従って、本発明において、80℃における水素透過係数は、好ましくは3.0×10-9cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である。さらに、前記高分子電解質膜の80℃における水素透過係数が、23℃における水素透過係数の7倍以下であることが好ましい。 In general, the gas permeability coefficient tends to increase with the measurement temperature. The polymer electrolyte fuel cell, which is the main use of the polymer electrolyte membrane, has different temperatures when it is stopped, at startup, during steady operation, when the load fluctuates, and so on. At that time, if the hydrogen permeability coefficient shows a tendency to increase rapidly at 80 ° C in the vicinity of the actual operating temperature range, or if the dependence on temperature is strong, it may cause performance fluctuations of the fuel cell itself, and control is difficult. There is a risk of becoming. Accordingly, in the present invention, the hydrogen permeability coefficient at 80 ° C. is preferably 3.0 × 10 −9 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. Further, the hydrogen permeability coefficient at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane is preferably 7 times or less than the hydrogen permeability coefficient at 23 ° C.

また、本発明において、高分子電解質膜の23℃における酸素透過係数は、好ましくは5.0×10-11cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である。さらに好ましくは1.0×10-11cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である。最も好ましくは、5.0×10-12cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である。酸素透過係数がこの範囲よりも大きいと、高分子電解質膜中を酸化剤である酸素がカソード側からアノード側へと透過し易くなり、酸化剤のむだによる酸化剤利用率およびエネルギー効率の低下、酸素クロスオーバーによるセル電圧の低下、アノード側の酸素と直接燃焼反応による膜−電極接合体の劣化、が生じる恐れがある。また、燃料にメタノール等のアルコール類を使用する場合には、無作動時にもホルムアルデヒド等の有害な副生成物を生じる恐れがある。本発明において、23℃における酸素透過係数が、より好ましい範囲、あるいは、最も好ましい範囲となるに従って、これらの高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池の実使用状態での耐久性が飛躍的に向上する傾向を生じる。また、これらの高分子電解質膜を直接メタノール形燃料電池に使用した場合の無作動時におけるホルムアルデヒド等の有害な副生成物の生成を飛躍的に低減させる傾向を生じる。 In the present invention, the oxygen permeability coefficient of the polymer electrolyte membrane at 23 ° C. is preferably 5.0 × 10 −11 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. More preferably, it is 1.0 × 10 −11 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. Most preferably, it is 5.0 × 10 −12 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. When the oxygen permeability coefficient is larger than this range, oxygen as an oxidant easily passes through the polymer electrolyte membrane from the cathode side to the anode side, and the oxidant utilization rate and energy efficiency decrease due to oxidant waste, There is a possibility that the cell voltage is lowered due to oxygen crossover, and the membrane-electrode assembly is deteriorated due to direct combustion reaction with oxygen on the anode side. In addition, when alcohols such as methanol are used as fuel, harmful by-products such as formaldehyde may be generated even when not operating. In the present invention, as the oxygen permeation coefficient at 23 ° C. becomes a more preferable range or the most preferable range, a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell using these polymer electrolyte membranes is actually used. There is a tendency that the durability at the time is greatly improved. In addition, when these polymer electrolyte membranes are used directly in a methanol fuel cell, there is a tendency to drastically reduce the generation of harmful by-products such as formaldehyde during no operation.

さらに、水素の場合と同様に、酸素透過係数が実作動温度域に近辺の80℃で急激に増加するような傾向を示したり、温度に対する依存性が強いと、燃料電池自体の性能変動要因となったり、制御が困難となる恐れがある。従って、本発明において、酸素透過係数は、80℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下であることが好ましい。さらに、前記高分子電解質膜の80℃における酸素透過係数が、23℃における酸素透過係数の10倍以下であることが好ましい。 Furthermore, as in the case of hydrogen, the oxygen permeability coefficient tends to increase rapidly at 80 ° C. in the vicinity of the actual operating temperature range, or if the dependence on temperature is strong, Or it may be difficult to control. Accordingly, in the present invention, the oxygen permeability coefficient is preferably 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 80 ° C. Furthermore, the oxygen permeability coefficient at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane is preferably 10 times or less than the oxygen permeability coefficient at 23 ° C.

本発明の高分子電解質膜を固体高分子形燃料電池の電解質膜として使用することを想定した場合、本発明の高分子電解質膜は、スルホン酸基と炭化水素系高分子化合物を含む高分子電解質膜であって、水素透過係数が、23℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下、および、酸素透過係数が、23℃において5.0×10-11cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下であることが好ましい。また、前記水素透過係数は、80℃において3.0×10-9cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下、および、前記酸素透過係数は、80℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下であることが好ましい。さらに、前記高分子電解質膜の80℃における水素透過係数が、23℃における水素透過係数の7倍以下、および、80℃における酸素透過係数が、23℃における酸素透過係数の10倍以下であることが好ましい。高分子電解質膜の水素透過係数および酸素透過係数を上記範囲とすることによって、燃料および酸化剤の利用率およびシステムのエネルギー効率が高く、ガスのクロスオーバーによるセル電圧の低下が少なく、水素と酸素の直接燃焼反応による膜−電極接合体の劣化しにくく、作動条件によるガス透過量変化による性能変動が少なく、システム制御が容易な固体高分子形燃料電池が得られる。 Assuming that the polymer electrolyte membrane of the present invention is used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte containing a sulfonic acid group and a hydrocarbon polymer compound. A membrane having a hydrogen permeability coefficient of 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 23 ° C. and an oxygen permeability coefficient of 5.0 × 10 5 at 23 ° C. -11 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less is preferable. The hydrogen permeability coefficient is 3.0 × 10 −9 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 80 ° C., and the oxygen permeability coefficient is 5.0 × 10 − at 80 ° C. It is preferably 10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. Further, the hydrogen permeability coefficient at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane is not more than 7 times the hydrogen permeability coefficient at 23 ° C., and the oxygen permeability coefficient at 80 ° C. is not more than 10 times the oxygen permeability coefficient at 23 ° C. Is preferred. By setting the hydrogen permeation coefficient and oxygen permeation coefficient of the polymer electrolyte membrane within the above ranges, the utilization rate of fuel and oxidant and the energy efficiency of the system are high, the cell voltage is not decreased by gas crossover, and hydrogen and oxygen are reduced. Thus, it is possible to obtain a polymer electrolyte fuel cell in which the membrane-electrode assembly is hardly deteriorated due to the direct combustion reaction, the performance fluctuation due to the change in the gas permeation amount due to the operating conditions is small, and the system control is easy.

高分子電解質膜にプロトン伝導性を付与させる方法としては、プロトン伝導性置換基を導入する方法、プロトン伝導性物質を複合化する方法などがあるが、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性や、高分子電解質膜の得易さを考慮すると、プロトン伝導性置換を導入する方法が好ましい。プロトン伝導性置換基としては、スルホン酸基やリン酸基、カルボン酸基やフェノール性水酸基などが列挙できるが、高分子電解質膜のプロトン伝導性やプロトン伝導性置換基の導入のし易さを考慮すると、スルホン酸基であることが好ましい。本発明に使用可能な炭化水素系高分子化合物としては、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ポリアリールエーテルスルホン、ポリ(アリルフェニルエーテル)、ポリエチレンオキシド、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリ塩化ビニル、ポリ(ジフェニルシロキサン)、ポリ(ジフェニルフォスファゼン)、ポリスルホン、ポリパラフェニレン、ポリビニルアルコール、ポリ(フェニルグリシジルエーテル)、ポリ(フェニルメチルシロキサン)、ポリ(フェニルメチルフォスファゼン)、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリスチレン、スチレン−(エチレン−ブチレン)スチレン共重合体、スチレン−(ポリイソブチレン)−スチレン共重合体、ポリ1,4−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、シアン酸エステル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルニトリルなどが列挙できる。中でも、高分子電解質膜のプロトン伝導性、水素遮断性および酸素遮断性、化学的・熱的安定性、ハンドリング性、工業的入手の容易さなどを考慮すると、ポリフェニレンサルファイドであることが好ましい。   Examples of a method for imparting proton conductivity to the polymer electrolyte membrane include a method of introducing a proton conductive substituent and a method of combining a proton conductive material. Considering the ease of obtaining a polymer electrolyte membrane, a method of introducing proton conductive substitution is preferable. Examples of proton conductive substituents include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, carboxylic acid groups, and phenolic hydroxyl groups, but the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane and the ease of introduction of the proton conductive substituents can be listed. In consideration, a sulfonic acid group is preferable. Examples of hydrocarbon polymer compounds that can be used in the present invention include polyacrylamide, polyacrylonitrile, polyaryl ether sulfone, poly (allyl phenyl ether), polyethylene oxide, polyether ether sulfone, polyether ketone, polyether ketone ketone, Polyvinyl chloride, poly (diphenylsiloxane), poly (diphenylphosphazene), polysulfone, polyparaphenylene, polyvinyl alcohol, poly (phenylglycidyl ether), poly (phenylmethylsiloxane), poly (phenylmethylphosphazene), Polyphenylene oxide, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothi Sol, poly (α-methylstyrene), polystyrene, styrene- (ethylene-butylene) styrene copolymer, styrene- (polyisobutylene) -styrene copolymer, poly1,4-biphenylene ether ether sulfone, polyarylene ether sulfone , Polyetherimide, cyanate ester resin, polyethylene, polypropylene, polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyether nitrile and the like. Among them, polyphenylene sulfide is preferable in consideration of proton conductivity, hydrogen barrier property and oxygen barrier property, chemical / thermal stability, handling property, industrial availability and the like of the polymer electrolyte membrane.

前記ポリフェニレンサルファイドは、具体的には、下記の化学式(1)で表される繰り返し構造単位からなる。   Specifically, the polyphenylene sulfide is composed of a repeating structural unit represented by the following chemical formula (1).

−[Ar−S]n− 化学式(1)
[式中、Arは下記の化学式(2)〜(4)で表される2価の芳香族単位、nは1以上の整数]
-[Ar-S] n- Chemical formula (1)
[Wherein Ar is a divalent aromatic unit represented by the following chemical formulas (2) to (4), and n is an integer of 1 or more]

Figure 2005339991
また前記ポリフェニレンサルファイドのArの一部に、必要に応じて以下の構造単位を含有してもよい。
(1)芳香族単位の水素原子の一部がアルキル基、フェニル基、アルコキシル基、ニトロ基およびハロゲン基からなる群から選択される少なくとも1つの置換基で置換されたもの。
(2)3官能フェニルスルフィド単位。
(3)架橋または分岐単位。
Figure 2005339991
Moreover, you may contain the following structural units in part of Ar of the said polyphenylene sulfide as needed.
(1) A part of hydrogen atoms of an aromatic unit is substituted with at least one substituent selected from the group consisting of an alkyl group, a phenyl group, an alkoxyl group, a nitro group and a halogen group.
(2) Trifunctional phenyl sulfide unit.
(3) Cross-linked or branched units.

これにより、高分子電解質膜の必要特性である、前述のプロトン伝導性、水素遮断性、メタノール遮断性などに加え、化学的・熱的安定性、ハンドリング性、生産性などが優れる高分子電解質膜が得られる。   As a result, the polymer electrolyte membrane has excellent chemical and thermal stability, handling properties, productivity, etc. in addition to the aforementioned proton conductivity, hydrogen barrier properties, methanol barrier properties, etc., which are the required properties of polymer electrolyte membranes. Is obtained.

また、本発明に使用可能な炭化水素系高分子化合物膜の化学組成としては、上記炭化水素系高分子化合物の単独組成でもよいし、または、上記の炭化水素系高分子化合物の中から選ばれる2つ以上のブレンド組成であっても、良い。2つ以上のブレンドされた炭化水素系高分子化合物からなる場合、単独の炭化水素系高分子化合物からなる高分子電解質膜とは異なる、膜内の物理的モルフォロジー(形態)や化学的微視的性質を持つことも期待されるため、単独の組成からなる炭化水素系高分子化合物からなる高分子電解質膜よりも好ましい低い酸素透過係数、より低い水素透過係数を持つことも期待されるため、好ましい。   Further, the chemical composition of the hydrocarbon polymer compound film usable in the present invention may be a single composition of the above hydrocarbon polymer compound or selected from the above hydrocarbon polymer compounds. Two or more blend compositions may be used. When composed of two or more blended hydrocarbon polymer compounds, the physical morphology (morphology) and chemical microscopic properties in the membrane differ from the polymer electrolyte membranes composed of a single hydrocarbon polymer compound. Since it is also expected to have properties, it is preferable because it is expected to have a lower oxygen permeability coefficient and a lower hydrogen permeability coefficient than a polymer electrolyte membrane made of a hydrocarbon polymer compound having a single composition. .

本発明において、前記高分子電解質膜のイオン交換容量は、1〜3ミリ当量/gであることことが好ましい。イオン交換容量がこの範囲よりも低いと、高分子電解質膜のプロトン伝導性が不充分となる傾向を生じ、また、この範囲よりも水素遮断性および酸素遮断性が低下する傾向を生じる。特に、イオン交換容量が3ミリ当量/gよりも大きいと、加湿雰囲気下における水素遮断性および酸素遮断性が低下しやすい傾向を生じるため、好ましくない。   In the present invention, the polymer electrolyte membrane preferably has an ion exchange capacity of 1 to 3 meq / g. If the ion exchange capacity is lower than this range, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane tends to be insufficient, and the hydrogen barrier property and oxygen barrier property tend to be lower than this range. In particular, when the ion exchange capacity is larger than 3 meq / g, the hydrogen barrier property and the oxygen barrier property in a humidified atmosphere tend to be lowered, which is not preferable.

次に本発明の高分子電解質膜の製造方法について説明する。本発明の高分子電解質膜は、主に次に示す4種の方法等で製造することができる。
(1)スルホン酸基を含有するモノマーを出発原料として、重合反応を行い、スルホン酸を含有する高分子化合物を得た後、その有機溶媒溶液からキャスト法により製膜する方法。
(2)スルホン酸基前駆体を含有する高分子化合物を得た後、溶融押出法あるいはその有機溶媒溶液からキャスト法により製膜し、スルホン酸基前駆体をスルホン酸基に変換する方法。
(3)炭化水素系高分子化合物に公知のスルホン化方法でスルホン酸基を導入した後、その有機溶媒溶液からキャスト法により製膜する方法。
(4)炭化水素系高分子化合物からなるフィルムを製造した後、スルホン化剤を含有する有機溶媒溶液に前記フィルムを浸漬し、スルホン酸基を含有した炭化水素系高分子膜を得る方法。
Next, the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of this invention is demonstrated. The polymer electrolyte membrane of the present invention can be produced mainly by the following four methods.
(1) A method of carrying out a polymerization reaction using a monomer containing a sulfonic acid group as a starting material to obtain a polymer compound containing sulfonic acid, and then forming a film from the organic solvent solution by a casting method.
(2) A method of converting a sulfonic acid group precursor into a sulfonic acid group by obtaining a polymer compound containing a sulfonic acid group precursor and then forming a film from the melt extrusion method or an organic solvent solution thereof by a casting method.
(3) A method in which a sulfonic acid group is introduced into a hydrocarbon polymer compound by a known sulfonation method, and then a film is formed from the organic solvent solution by a casting method.
(4) A method of obtaining a hydrocarbon polymer film containing a sulfonic acid group by producing a film comprising a hydrocarbon polymer compound and then immersing the film in an organic solvent solution containing a sulfonating agent.

本発明の高分子電解質膜においては、上記4種の方法から、使用する炭化水素系高分子化合物に適した方法を適宜選択して、使用すればよい。例えば、本発明の高分子電解質膜に使用する炭化水素系高分子化合物として好ましいポリフェニレンサルファイドの場合には、スルホン酸基含有モノマーからの重合が困難であること、ポリフェニレンサルファイドが溶媒不溶性であることから、予め溶融押出法でポリフェニレンサルファイドをフィルムを作製した後、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、濃硫酸などの公知のスルホン化剤と塩化メチレン、1,2−ジクロロエタン、1−クロロブタンなどに代表されるハロゲン化炭化水素系化合物などの有機溶媒、からなる混合溶液に、前記ポリフェニレサンサルファイドフィルムを浸漬することによって、スルホン酸基の導入が可能である。実際に使用するには、スルホン酸基前駆体の加水分解や不要なスルホン化剤および溶媒を除去するため、水に浸漬、洗浄を得て乾燥して使用することができる。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, a method suitable for the hydrocarbon polymer compound to be used may be appropriately selected from the above four methods and used. For example, in the case of polyphenylene sulfide which is preferable as a hydrocarbon polymer compound used in the polymer electrolyte membrane of the present invention, polymerization from a sulfonic acid group-containing monomer is difficult, and polyphenylene sulfide is insoluble in a solvent. In addition, after preparing a film of polyphenylene sulfide by a melt extrusion method in advance, a known sulfonating agent such as chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, concentrated sulfuric acid and methylene chloride, 1,2-dichloroethane, 1-chlorobutane, etc. It is possible to introduce sulfonic acid groups by immersing the polyphenylene sulfide film in a mixed solution composed of an organic solvent such as a halogenated hydrocarbon compound as a representative. In actual use, in order to hydrolyze the sulfonic acid group precursor and to remove unnecessary sulfonating agent and solvent, it can be used after being dipped in water, washed and dried.

このようにして得られる高分子電解質膜は、親水性のスルホン酸基を含有するため、多量の水を含んでおり、乾燥時に脱水に伴って、収縮しやすい傾向を生じる。従って、皺や縮れなどの外観上の欠陥が少なく、厚みムラなどによる性能にばらつきが少ない高分子電解質膜を得るためには、例えば、乾燥終了時に、0.001MPa〜30MPaの張力がかかっていることが好ましい。バッチ式で乾燥する場合には、ピンに固定する等何らかの枠体に固定して乾燥する方法も、好ましい。   The polymer electrolyte membrane thus obtained contains a large amount of water because it contains a hydrophilic sulfonic acid group, and tends to shrink with dehydration during drying. Therefore, in order to obtain a polymer electrolyte membrane with few appearance defects such as wrinkles and crimps and little variation in performance due to thickness unevenness, for example, a tension of 0.001 MPa to 30 MPa is applied at the end of drying. It is preferable. In the case of drying in a batch system, a method of fixing to a certain frame body such as fixing to a pin and drying is also preferable.

本件発明の実施例で後述して説明するように、張力無しの乾燥工程を含む製造方法で作製された高分子電解質膜よりも、乾燥終了時に0.001MPa〜30MPaの張力がかかっている乾燥工程を含む製造方法で作製された高分子電解質膜を使用することで、水素遮断性が上がること(水素透過係数が下がること)および、酸素遮断性が上がること(酸素透過係数が下がること)を見い出している。従って、請求項に記載の水素透過係数および/または酸素透過係数を実現するための1つの形態は、乾燥終了時に、0.001MPa〜30MPaの張力がかかっている高分子電解質膜を使用することである。   As will be described later in the examples of the present invention, a drying process in which a tension of 0.001 MPa to 30 MPa is applied at the end of drying rather than a polymer electrolyte membrane produced by a production method including a drying process without tension. By using a polymer electrolyte membrane produced by a production method including hydrogen, the hydrogen barrier property is increased (hydrogen permeability coefficient is decreased) and the oxygen barrier property is increased (oxygen permeability coefficient is decreased). ing. Therefore, one mode for realizing the hydrogen permeability coefficient and / or oxygen permeability coefficient described in the claims is to use a polymer electrolyte membrane having a tension of 0.001 MPa to 30 MPa at the end of drying. is there.

本発明において、乾燥終了時に膜に張力がかかっている乾燥工程とは、乾燥終了時に膜の面方向、即ち膜面と概ね水平となる方向に張力がかかっていることを意味する。これによって、膜の寸法方向の収縮と逆方向に応力がかかるため、皺、膨れ、凹凸などの歪みが発生しにくくなり、好ましい。   In the present invention, the drying process in which tension is applied to the membrane at the end of drying means that tension is applied in the direction of the surface of the membrane at the end of drying, that is, in a direction substantially horizontal to the membrane surface. As a result, stress is applied in the direction opposite to the shrinkage in the dimensional direction of the film, so that distortion such as wrinkles, blisters, and irregularities is less likely to occur, which is preferable.

なお、本発明では、高分子電解質膜が完成する乾燥終了時の張力を規定するものであり、乾燥初期について、何ら規定するものではない。しかしながら、乾燥終了時に張力がかかっている状況で乾燥を始める必要が有ることは言うまでも無い。乾燥初期における張力の有無は、使用する膜の種類に依存する収縮率や乾燥段階での機械的特性に応じて、適宜設定する必要がある。例えば乾燥初期において張力無い場合、フィルム端部を保持したまま、フィルム中心部分を、重力がかかる方向へ、フィルムをたるませることも有り得る。ただし、フィルムをたるませる場合であっても、フィルムの保持やフィルムの搬送が可能な範囲においてであることは、言うまでもない。   In the present invention, the tension at the end of drying when the polymer electrolyte membrane is completed is defined, and the initial stage of drying is not defined at all. However, it goes without saying that it is necessary to start drying in a situation where tension is applied at the end of drying. The presence or absence of tension in the initial stage of drying needs to be appropriately set according to the shrinkage rate depending on the type of film to be used and the mechanical characteristics at the drying stage. For example, when there is no tension in the initial stage of drying, it is possible that the film is slackened in the direction in which gravity is applied to the center portion of the film while holding the end portion of the film. However, it goes without saying that even when the film is slack, it is within a range in which the film can be held and transported.

乾燥終了時に膜に張力がかかっている状態を実現する方法は種々の方法が選択可能であり、特に限定されるものではない。一例を挙げると、はさみ治具(クリップ状のものなど)や突き刺し治具(ピンのようなもの)で膜の周縁部あるいは膜の対向する辺の一部分またはすべての部分を固定して、これらの治具をゴムやバネなどの張力で引っ張ったり、機械的に所定の張力をかけて引張ることで、膜に張力をかけることができる。これによって乾燥に伴う膜収縮に伴う、皺、膨れ、凹凸などの歪みの発生を抑えることができる。任意の大きさの膜をバッチ式で乾燥させる場合には、膜の周縁部のすべての方向から、乾燥終了時に張力をかけることが好ましい。また、膜を連続して乾燥させる場合には、引き取り方向に張力をかけながら、別途幅方向に張力をかけても構わない。   Various methods can be selected as a method for realizing a state in which the film is tensioned at the end of drying, and is not particularly limited. For example, fix the peripheral edge of the film or a part or all of the opposite sides of the film with a scissor jig (such as a clip) or a stab jig (such as a pin). Tension can be applied to the membrane by pulling the jig with tension such as rubber or spring, or mechanically applying a predetermined tension. As a result, the occurrence of distortion such as wrinkles, blisters, and irregularities due to film shrinkage due to drying can be suppressed. When a film of an arbitrary size is dried in a batch system, it is preferable to apply tension at the end of drying from all directions of the peripheral edge of the film. Moreover, when drying a film | membrane continuously, you may apply a tension | tensile_strength separately in the width direction, applying a tension | tensile_strength in a take-off direction.

本発明においては、膜を枠体に固定することも可能である。その場合、膜を枠体に固定するということは、膜の周縁部あるいは膜の対向する辺の一部分またはすべての部分を枠で固定することを意味する。これによって、乾燥段階での膜の寸法方向の収縮に伴って、実質的に膜の面方向、即ち膜面と概ね水平となる方向に張力がかかり、皺、膨れ、凹凸などの歪みが発生しにくくなり、好ましい。使用する膜の種類に依存する収縮率や乾燥段階での機械的特性によっては、収縮が著しく、その応力に膜の機械的特性が耐えられない恐れもある。そのような場合には、張力に応じて枠体が可変するような構造の枠体を使用することも好ましい形態の一例である。   In the present invention, the membrane can be fixed to the frame. In that case, fixing the film to the frame means fixing the peripheral part of the film or a part or all of the opposite sides of the film with the frame. As a result, as the film shrinks in the dimensional direction during the drying stage, tension is applied substantially in the direction of the film surface, that is, in a direction substantially horizontal to the film surface, and distortion such as wrinkles, blisters, and unevenness occurs. It becomes difficult and preferable. Depending on the shrinkage rate depending on the type of film used and the mechanical characteristics in the drying stage, the film shrinks significantly, and the mechanical characteristics of the film may not be able to withstand the stress. In such a case, it is an example of a preferable embodiment to use a frame having a structure in which the frame can be changed according to the tension.

前述のように、本発明の一つの形態においては、本発明において膜にかける張力は、乾燥終了時に0.001MPa〜30MPaの張力がかかっている限り、任意である。乾燥終了時には、膜に張りが加えられる張力以上、膜の機械的強度未満であれば良く、概ね、乾燥終了時の張力の値は、0.001MPa〜30MPaの範囲、より好ましくは、0.005MPa〜20MPaの範囲、さらに好ましくは、0.01MPa〜10MPaの範囲である。乾燥終了時の張力が30MPaを越えると、フィルムが破断する恐れが有る。乾燥終了時の張力が0.001MPaを下回ると、皺、膨れ、凹凸などの歪みが発生する恐れが有る。   As described above, in one embodiment of the present invention, the tension applied to the film in the present invention is arbitrary as long as a tension of 0.001 MPa to 30 MPa is applied at the end of drying. At the end of drying, it should be above the tension at which tension is applied to the membrane and less than the mechanical strength of the membrane. In general, the value of tension at the end of drying is in the range of 0.001 MPa to 30 MPa, more preferably 0.005 MPa. It is in the range of ˜20 MPa, more preferably in the range of 0.01 MPa to 10 MPa. If the tension at the end of drying exceeds 30 MPa, the film may be broken. When the tension at the end of drying is less than 0.001 MPa, distortion such as wrinkles, blisters, and unevenness may occur.

膜を枠体に固定する場合には、その方法は種々の方法が選択可能であり、特に限定されるものではない。一例を挙げると、突き刺し治具(ピンのようなもの)で膜周縁部あるいは膜の対向する辺の一部分またはすべての部分を固定する方法や、膜周縁部のみを固定可能な枠体で膜を挟み込む方法、などで膜を枠体に固定することができる。膜の露出している部分と露出していない部分が共存する場合には、それらの界面に応力が集中し、膜が破壊しやすくなるため、膜の全面が露出するような突き刺し治具(ピンのようなもの)を備えた枠体で固定するのがより好ましい。   When the membrane is fixed to the frame, various methods can be selected as the method, and the method is not particularly limited. For example, a method of fixing the peripheral edge of the film or a part or all of the opposite sides of the film with a piercing jig (such as a pin), or a frame that can fix only the peripheral edge of the film. The membrane can be fixed to the frame by a sandwiching method or the like. When the exposed part of the film and the unexposed part coexist, stress concentrates on the interface between them, and the film is likely to break down. It is more preferable to fix with the frame provided with such a thing.

また本発明においては、膜の厚み方向に荷重をかけて乾燥させることによって、膜収縮時に厚み方向に膜が変形するのを抑制して、皺、膨れ、凹凸などの歪みの発生を抑えるような方法も例示できる。   Further, in the present invention, by applying a load in the thickness direction of the film and drying it, the film is prevented from being deformed in the thickness direction when the film is contracted, thereby suppressing the occurrence of distortion such as wrinkles, blisters, and irregularities. A method can also be illustrated.

つぎに、本発明の固体高分子形燃料電池および直接メタノール形燃料電池について、一例として、図面を引用して説明する。図1は、本発明に係る固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池の単位セルの要部断面図である。これは、本発明の高分子電解質膜1と、その両側にそれぞれ触媒層4と拡散層6を含む燃料極8、触媒層5と拡散層7を含む酸化剤極9が配置される。高分子電解質膜1と燃料極8と酸化剤極9は、必要に応じて結着剤層2,3を介して接合され、膜−電極接合体10が構成される。さらにその外側に液体燃料の流路13を有するセパレーター11、酸化剤流路14を有するセパレーター12が配置され、本発明の固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池に使用可能な単位セル15が得られる。   Next, the polymer electrolyte fuel cell and the direct methanol fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell according to the present invention. The polymer electrolyte membrane 1 of the present invention, the fuel electrode 8 including the catalyst layer 4 and the diffusion layer 6, and the oxidant electrode 9 including the catalyst layer 5 and the diffusion layer 7 are disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1, respectively. The polymer electrolyte membrane 1, the fuel electrode 8, and the oxidizer electrode 9 are joined via the binder layers 2 and 3 as necessary to form a membrane-electrode assembly 10. Further, a separator 11 having a liquid fuel flow path 13 and a separator 12 having an oxidant flow path 14 are arranged outside thereof, and a unit cell 15 usable in the solid polymer fuel cell or direct methanol fuel cell of the present invention. Is obtained.

高分子電解質膜1としては、前述した内容の高分子電解質膜が使用される。結着剤層2,3は、同一または異なっていてもよく、必要に応じて形成されてもよく、また、形成されなくてもよい。一般的には、ナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子化合物や、スルホン酸基を含有するポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリイミドなど溶媒溶解性の公知の高分子電解質が使用される。これらは、高分子電解質膜1と触媒層4,5を接合(接着)するために使用される。これらの材料に対しては、その異種材料に対する接合性に加え、高分子電解質膜1と同様に、プロトン伝導性や化学的安定性などが要求される。   As the polymer electrolyte membrane 1, the polymer electrolyte membrane described above is used. The binder layers 2 and 3 may be the same or different, and may be formed as necessary, or may not be formed. In general, perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer compounds represented by Nafion, polyether ether ketones, polyether sulfones and polyimides containing sulfonic acid groups, known solvent-soluble polymer electrolytes are used. . These are used to bond (adhere) the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layers 4 and 5. These materials are required to have proton conductivity, chemical stability, and the like in the same manner as the polymer electrolyte membrane 1 in addition to the bonding properties to the different materials.

触媒層4,5は、同一または異なっていてもよく、片側には使用する燃料(水素やメタノールなど)の酸化能を有する触媒が使用される。もう一方には、使用する酸化剤(酸素や空気など)の還元能を有する触媒が使用される。具体的には、カーボンブラック,活性炭,カーボンナノホーン,カーボンナノチューブなどの高表面積の導電性材料に、白金などの貴金属触媒が担持されたものが使用される。特に燃料極側には、メタノール酸化時の副生成物である一酸化炭素、アルデヒド類、カルボン酸類などによる触媒被毒を抑制するため、白金の代わりに、白金とルテニウムなどからなる複合あるいは合金触媒などが使用される。   The catalyst layers 4 and 5 may be the same or different, and a catalyst having the ability to oxidize the fuel (hydrogen, methanol, etc.) to be used is used on one side. On the other hand, a catalyst having the reducing ability of the oxidizing agent (oxygen, air, etc.) to be used is used. Specifically, a material in which a noble metal catalyst such as platinum is supported on a conductive material having a high surface area such as carbon black, activated carbon, carbon nanohorn, or carbon nanotube is used. In particular, on the fuel electrode side, in order to suppress catalyst poisoning by carbon monoxide, aldehydes, carboxylic acids, etc., which are by-products during methanol oxidation, a composite or alloy catalyst comprising platinum and ruthenium instead of platinum. Etc. are used.

拡散層6,7は、同一または異なっていてもよく、カーボンペーパーやカーボンクロスなどの多孔質の導電性材料が使用される。これらは供給される水分や電気化学反応によって生成した水で、気孔が塞がれるのを抑制するため、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系化合物で撥水処理を施してもよい。一般的には、これらの拡散層6,7上に、前記触媒層4,5がナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子化合物や、スルホン酸基を含有するポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリイミドなど溶媒溶解性の公知の高分子電解質をバインダーとして形成され、燃料極8,酸化剤極9が調製され使用される。前記燃料極8,酸化剤極9としては、市販の触媒担持ガス拡散電極(米国E−TEK社製、など)を用いてもよい。   The diffusion layers 6 and 7 may be the same or different, and a porous conductive material such as carbon paper or carbon cloth is used. These are supplied water or water generated by an electrochemical reaction and may be subjected to water repellent treatment with a fluorine-based compound such as polytetrafluoroethylene as necessary in order to prevent pores from being blocked. . Generally, on these diffusion layers 6 and 7, the catalyst layers 4 and 5 are perfluorocarbon sulfonic acid polymer compounds represented by Nafion, polyether ether ketones and polyethers containing sulfonic acid groups. A fuel-soluble polymer electrode such as sulfone or polyimide is used as a binder, and a fuel electrode 8 and an oxidizer electrode 9 are prepared and used. As the fuel electrode 8 and the oxidant electrode 9, a commercially available catalyst-carrying gas diffusion electrode (manufactured by E-TEK, Inc., USA) may be used.

本発明における膜−電極接合体10の製造方法は、公知あるいは任意の方法が選択可能である。一例をあげると、触媒担持ガス拡散電極8,9の触媒層4,5上に、必要に応じて結着剤2,3の構成材料の有機溶媒溶液を塗布した後、必要に応じて溶媒を除去し、高分子電解質膜1の両面に配置する。その後、ホットプレス機やロールプレス機などのプレス機を使用して、一般的には120〜250℃程度のプレス温度でホットプレスし、膜−電極接合体10を調製することができる。また必要に応じて、結着剤2,3を使用せずに、膜−電極接合体10を調製しても構わない。   The manufacturing method of the membrane-electrode assembly 10 in the present invention can be selected from known or arbitrary methods. For example, after applying an organic solvent solution of the constituent materials of the binders 2 and 3 on the catalyst layers 4 and 5 of the catalyst-carrying gas diffusion electrodes 8 and 9 as necessary, a solvent is added as necessary. It removes and arrange | positions on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1. FIG. Thereafter, using a press machine such as a hot press machine or a roll press machine, the membrane-electrode assembly 10 can be prepared by hot pressing generally at a press temperature of about 120 to 250 ° C. If necessary, the membrane-electrode assembly 10 may be prepared without using the binders 2 and 3.

本発明の固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成し、使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。   The polymer electrolyte fuel cell or direct methanol fuel cell of the present invention may be used alone or in a stack to form a stack, and a fuel cell system incorporating them may be used.

さらに、本発明の高分子電解質膜を使用した直接メタノール形燃料電池について、一例として、図面を引用して説明する。   Further, a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described with reference to the drawings as an example.

図2は、本発明の高分子電解質膜1を含む直接メタノール形燃料電池の要部断面図である。膜−電極接合体10は、燃料(メタノールあるいはメタノール水溶液)を充填および供給する機能を有する燃料(メタノールあるいはメタノール水溶液)タンク16の両側に必要数が平面状に配置される。さらにその外側には、酸化剤流路14が形成された支持体17が配置され、これらに狭持されることによって、直接メタノール形燃料電池のセル、スタックが構成される。   FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a direct methanol fuel cell including the polymer electrolyte membrane 1 of the present invention. The required number of membrane-electrode assemblies 10 are arranged in a plane on both sides of a fuel (methanol or methanol aqueous solution) tank 16 having a function of filling and supplying fuel (methanol or methanol aqueous solution). Further, a support body 17 in which an oxidant flow path 14 is formed is disposed on the outside thereof, and a cell and a stack of a direct methanol fuel cell are configured by being sandwiched between them.

前記の例以外にも、本発明の高分子電解質膜は、特開2001−313046号公報、特開2001−313047号公報、特開2001−93551号公報、特開2001−93558号公報、特開2001−93561号公報、特開2001−102069号公報、特開2001−102070号公報、特開2001−283888号公報、特開2000−268835号公報、特開2000−268836号公報、特開2001−283892号公報などで公知になっている直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として、使用可能である。   Besides the above examples, the polymer electrolyte membrane of the present invention is disclosed in JP 2001-313046, JP 2001-313047, JP 2001-93551, JP 2001-93558, JP 2001-93561, JP-A-2001-102069, JP-A-2001-102070, JP-A-2001-283888, JP-A-2000-268835, JP-A-2000-268836, JP-A-2001-2001. It can be used as a polymer electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell, which is known in Japanese Patent No. 283892.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.

(実施例1)
<高分子電解質膜の調製>
ガラス容器に、1−クロロブタン578g、クロロスルホン酸8.67gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調製した。ポリフェニレンサルファイドフィルム(東レ株式会社製、商品名:トレリナ、厚み:25μm)を1.34g秤量し、クロロスルホン酸溶液に浸漬し、室温で20時間、放置した(クロロスルホン酸添加量は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して6当量)。室温で20時間放置後に、ポリフェニレンサルファイドフィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
(Example 1)
<Preparation of polymer electrolyte membrane>
In a glass container, 578 g of 1-chlorobutane and 8.67 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a chlorosulfonic acid solution. 1.34 g of a polyphenylene sulfide film (manufactured by Toray Industries, Inc., trade name: Torelina, thickness: 25 μm) was weighed, immersed in a chlorosulfonic acid solution, and allowed to stand at room temperature for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was polyphenylene sulfide) Of 6 equivalents of aromatic units). After standing at room temperature for 20 hours, the polyphenylene sulfide film was recovered and washed with ion exchange water until neutral.

洗浄後のポリフェニレンサルファイドフィルムを枠体などで固定せずに、23℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度98%、80%、60%および50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置してフィルムを乾燥し、スルホン酸基が導入されたポリフェニレンサルファイド膜(以下、スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜)からなる高分子電解質膜(80mm×80mm、厚み:45μm)を得た。   The cleaned polyphenylene sulfide film is not fixed with a frame or the like, and is adjusted to a relative humidity of 98%, 80%, 60% and 50% in a thermo-hygrostat adjusted to 23 ° C., respectively. The film was left standing for a minute and dried to obtain a polymer electrolyte membrane (80 mm × 80 mm, thickness: 45 μm) composed of a polyphenylene sulfide membrane into which sulfonic acid groups had been introduced (hereinafter, sulfonated polyphenylene sulfide membrane).

<イオン交換容量の測定方法>
高分子電解質膜(約10mm×40mm)を25℃での塩化ナトリウム飽和水溶液20mLに浸漬し、ウォーターバス中で60℃、3時間反応させた。25℃まで冷却し、次いで膜をイオン交換水で充分に洗浄し、塩化ナトリウム飽和水溶液および洗浄水をすべて回収した。この回収した溶液に、指示薬としてフェノールフタレイン溶液加え、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定し、イオン交換容量を算出した。
<Measurement method of ion exchange capacity>
A polymer electrolyte membrane (about 10 mm × 40 mm) was immersed in 20 mL of a saturated aqueous sodium chloride solution at 25 ° C., and reacted in a water bath at 60 ° C. for 3 hours. After cooling to 25 ° C., the membrane was thoroughly washed with ion exchanged water, and all of the saturated aqueous sodium chloride solution and the washing water were collected. To this recovered solution, a phenolphthalein solution was added as an indicator, and neutralization titration was performed with a 0.01N sodium hydroxide aqueous solution to calculate the ion exchange capacity.

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

Figure 2005339991
<プロトン伝導度の測定方法>
イオン交換水中に保管した高分子電解質膜(約10mm×40mm)を取り出し、膜表面の水をろ紙で拭き取った。2極非密閉系のテフロン(登録商標)製のセルに膜を設置し、さらに白金電極を電極間距離30mmとなるように、膜表面(同一側)に設置した。23℃での膜抵抗を、交流インピーダンス法(周波数:42Hz〜5MHz、印可電圧:0.2V)により測定し、プロトン伝導度を算出した。
Figure 2005339991
<Measurement method of proton conductivity>
A polymer electrolyte membrane (about 10 mm × 40 mm) stored in ion-exchanged water was taken out, and water on the membrane surface was wiped off with a filter paper. The membrane was installed in a cell made of Teflon (registered trademark) in a bipolar non-sealing system, and a platinum electrode was further installed on the membrane surface (on the same side) so that the distance between the electrodes was 30 mm. The membrane resistance at 23 ° C. was measured by an AC impedance method (frequency: 42 Hz to 5 MHz, applied voltage: 0.2 V), and proton conductivity was calculated.

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

<メタノール透過係数の測定方法>
25℃の環境下で、ビードレックス社製膜透過実験装置を使用して、高分子電解質膜でイオン交換水と所定濃度のメタノール水溶液を隔離した。所定時間経過後にイオン交換水側に透過したメタノールを含む溶液を採取し、ガスクロマトグラフで透過したメタノール量を定量した。この定量結果から、メタノール透過速度を求め、メタノール透過係数を算出した。メタノール透過係数は、以下の数式1にしたがって算出した。
<Method for measuring methanol permeability coefficient>
In a 25 ° C. environment, ion exchange water and a methanol aqueous solution having a predetermined concentration were isolated with a polymer electrolyte membrane using a membrane permeation experiment apparatus manufactured by Beadrex. A solution containing methanol permeated to the ion-exchanged water after a predetermined time was collected, and the amount of methanol permeated with a gas chromatograph was quantified. From this quantitative result, the methanol permeation rate was determined, and the methanol permeation coefficient was calculated. The methanol permeability coefficient was calculated according to the following formula 1.

Figure 2005339991
結果を表1に示す。
Figure 2005339991
The results are shown in Table 1.

<ガス透過係数の測定方法>
JIS K7126に準拠した方法で、差圧法にて水素および酸素の所定温度でのガス透過係数を測定した。透過面積は、1.52×10-32とし、ガスの定量はガスクロマトグラフを用いた。
<Measurement method of gas permeability coefficient>
The gas permeation coefficient at a predetermined temperature of hydrogen and oxygen was measured by a differential pressure method by a method based on JIS K7126. The permeation area was 1.52 × 10 −3 m 2, and a gas chromatograph was used for gas quantification.

結果を表2,3に示す。   The results are shown in Tables 2 and 3.

Figure 2005339991
Figure 2005339991

Figure 2005339991
(実施例2)
洗浄後のポリフェニレンサルファイドフィルムの四辺をピンからなる枠体に固定して、乾燥終了時に概ね0.3MPaにしてフィルムを乾燥した以外は、実施例1と同様にした。これにより、スルホン酸基が導入されたポリフェニレンサルファイド膜(以下、スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜)からなる高分子電解質膜(80mm×80mm、厚み:42μm)を得た。なお、本実施例に先立ち予備検討として、張力の条件を探索する目的で、同様の実験を数回繰り返した後に、できあがる厚みがほぼ一定であることを確かめながら、乾燥終了時の張力が概ね0.3MPaであるような条件を探索した。乾燥終了時の張力は、枠体に設置したバネ秤の表示数値を、できあがったフィルムの厚みと幅で割ることで、求めた。
Figure 2005339991
(Example 2)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the four sides of the washed polyphenylene sulfide film were fixed to a frame made of pins, and the film was dried at about 0.3 MPa at the end of drying. As a result, a polymer electrolyte membrane (80 mm × 80 mm, thickness: 42 μm) made of a polyphenylene sulfide membrane into which a sulfonic acid group was introduced (hereinafter referred to as a sulfonated polyphenylene sulfide membrane) was obtained. As a preliminary study prior to this example, for the purpose of searching for the tension condition, after repeating the same experiment several times, it was confirmed that the resulting thickness was almost constant, and the tension at the end of drying was approximately 0. A condition of .3 MPa was searched. The tension at the end of drying was obtained by dividing the indicated value of the spring balance installed in the frame by the thickness and width of the finished film.

結果を表1〜3に示す。   The results are shown in Tables 1-3.

<膜−電極接合体の調製>
アノード触媒シートを次のようにして調製した。Pt:Ru:C=27:13:60(重量比)の白金−ルテニウム担持カーボン触媒と蒸留水と5重量%ナフィオン溶液(Aldrich製)からなる触媒インクを調合し、テフロン(登録商標)製転写シートに前記触媒インクを塗布した。重量測定と乾燥を繰り返しながら、白金量が1mg/cm2になるまで触媒インクの塗布を繰り返した。カソード触媒シートは、Pt:Ru:C=27:13:60(重量比)の白金−ルテニウム担持カーボン触媒の代わりに、Pt:C=50:50(重量比)の白金担持カーボン触媒を使用した以外は、アノード触媒シートと同様にした。
<Preparation of membrane-electrode assembly>
An anode catalyst sheet was prepared as follows. Pt: Ru: C = 27: 13: 60 (weight ratio) platinum-ruthenium-supported carbon catalyst, distilled water and a catalyst ink composed of 5 wt% Nafion solution (Aldrich) were prepared and transferred from Teflon (registered trademark). The catalyst ink was applied to the sheet. While repeating the weight measurement and drying, the application of the catalyst ink was repeated until the amount of platinum reached 1 mg / cm 2 . As the cathode catalyst sheet, a platinum-supported carbon catalyst of Pt: C = 50: 50 (weight ratio) was used instead of the platinum-ruthenium-supported carbon catalyst of Pt: Ru: C = 27: 13: 60 (weight ratio). Except for this, it was the same as the anode catalyst sheet.

実施例2で得られたスルホン化ポリフェニレンサルファイドからなる高分子電解質膜の両側に、アノード触媒シートおよびカソード触媒シートをそれぞれ配置し、加熱圧縮(180℃−10分)した後、転写シートを剥離し、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成した。   An anode catalyst sheet and a cathode catalyst sheet were placed on both sides of the polymer electrolyte membrane made of the sulfonated polyphenylene sulfide obtained in Example 2, and heated and compressed (180 ° C. for 10 minutes), and then the transfer sheet was peeled off. A catalyst layer was formed on both sides of the polymer electrolyte membrane.

<直接メタノール形燃料電池の発電特性評価>
前記方法で得られた膜−電極接合体の両側にカーボンペーパーからなる拡散層を配置し、燃料電池単セルに組み込んだ(発電領域:5cm2)。燃料として、所定濃度のメタノール水溶液を0.5mL/min、酸化剤として、60℃でフル加湿した空気を124mL/min供給し、セル温度60℃で、直接メタノール形燃料電池の発電特性評価を行った。
<Evaluation of power generation characteristics of direct methanol fuel cell>
Diffusion layers made of carbon paper were disposed on both sides of the membrane-electrode assembly obtained by the above method and incorporated into a single fuel cell (power generation region: 5 cm 2 ). As a fuel, 0.5 mL / min of an aqueous methanol solution with a predetermined concentration is supplied, and 124 mL / min of air that is fully humidified at 60 ° C. is supplied as an oxidizer. It was.

結果を図3,4に示す。   The results are shown in FIGS.

(実施例3)
1−クロロブタン量を746g、クロロスルホン酸量を14.93g、ポリフェニレンサルファイドフィルム(東レ株式会社製、商品名:トレリナ、厚み:50μm)を1.73gとした以外は、実施例1と同様にして高分子電解質膜を調製し(クロロスルホン酸添加量は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して8当量)、スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜からなる高分子電解質膜(80mm×80mm、厚み:95μm)を得た。
(Example 3)
Example 1 except that the amount of 1-chlorobutane was 746 g, the amount of chlorosulfonic acid was 14.93 g, and the polyphenylene sulfide film (trade name: Torelina, thickness: 50 μm) was 1.73 g. A polymer electrolyte membrane was prepared (the amount of chlorosulfonic acid added was 8 equivalents relative to the aromatic unit of polyphenylene sulfide) to obtain a polymer electrolyte membrane (80 mm × 80 mm, thickness: 95 μm) composed of a sulfonated polyphenylene sulfide membrane. It was.

高分子電解質膜として、このスルホン化ポリフェニレンサルファイド膜を使用した以外は、実施例1と同様にした。   The same procedure as in Example 1 was conducted except that this sulfonated polyphenylene sulfide membrane was used as the polymer electrolyte membrane.

結果を表1〜3に示す。   The results are shown in Tables 1-3.

(実施例4)
洗浄後のポリフェニレンサルファイドフィルムの四辺をピンからなる枠体に固定して、乾燥終了時に0.2MPaにしてフィルムを乾燥した以外は、実施例3と同様にして高分子電解質膜を得た。これにより、スルホン酸基が導入されたポリフェニレンサルファイド膜(以下、スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜)からなる高分子電解質膜(80mm×80mm、厚み:90μm)を得た。なお、本実施例に先立ち予備検討として、張力の条件を探索する目的で、同様の実験を数回繰り返した後に、できあがる厚みがほぼ一定であることを確かめながら、乾燥終了時の張力が概ね0.2MPaであるような条件を探索した。乾燥終了時の張力は、枠体に設置したバネ秤の表示数値を、できあがったフィルムの厚みと幅で割ることで、求めた。
Example 4
A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3, except that the four sides of the washed polyphenylene sulfide film were fixed to a frame made of pins and the film was dried at 0.2 MPa at the end of drying. As a result, a polymer electrolyte membrane (80 mm × 80 mm, thickness: 90 μm) made of a polyphenylene sulfide membrane into which a sulfonic acid group was introduced (hereinafter referred to as a sulfonated polyphenylene sulfide membrane) was obtained. As a preliminary study prior to this example, for the purpose of searching for the tension condition, after repeating the same experiment several times, it was confirmed that the resulting thickness was almost constant, and the tension at the end of drying was approximately 0. A condition of .2 MPa was searched. The tension at the end of drying was determined by dividing the indicated value of the spring balance installed on the frame by the thickness and width of the finished film.

結果を表1〜3に示す。   The results are shown in Tables 1-3.

さらに、上記方法で得られた高分子電解質膜を使用した以外は、実施例2と同様にして、膜−電極接合体を得た。   Furthermore, a membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 2 except that the polymer electrolyte membrane obtained by the above method was used.

結果を図3,4に示す。   The results are shown in FIGS.

(比較例1)
高分子電解質膜として、デュポン社製ナフィオン(登録商標)115を使用した以外は、実施例1と同様にした。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was performed except that Nafion (registered trademark) 115 manufactured by DuPont was used as the polymer electrolyte membrane.

結果を表1〜3、並びに、図3および4に示す。   The results are shown in Tables 1 to 3 and FIGS.

表1の実施例1〜4と比較例1のプロトン伝導度の比較から、本発明の高分子電解質膜は、公知の固体高分子形燃料電池用電解質膜であるナフィオン(登録商標)と同等のプロトン伝導度を示し、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として使用可能なプロトン伝導性を有することが明らかとなった。   From the comparison of proton conductivity in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 in Table 1, the polymer electrolyte membrane of the present invention is equivalent to Nafion (registered trademark) which is a known electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. The proton conductivity was shown, and it was revealed that the polymer has proton conductivity that can be used as a polymer electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell.

また、表1の実施例1〜4と比較例1のメタノール透過係数の比較から、本発明の高分子電解質膜は、公知の固体高分子形燃料電池用電解質膜であるナフィオン(登録商標)よりも低いメタノール透過係数を示し、直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として使用する場合に、燃料であるメタノール水溶液が高濃度になった場合にも、発電特性が低下しにくい傾向を生じることや、膜厚を薄くした場合にもナフィオン(登録商標)と同等のメタノール遮断性を維持できることが明らかとなった。さらに、表1の実施例1と2、実施例3と4のプロトン伝導度およびメタノール透過係数の比較から、膜製造時に枠体に固定して乾燥する方法を適用した場合には、プロトン伝導度が低下することなく、メタノール透過係数の増加傾向も生じないことから、有用であることが明らかとなった。   Moreover, from the comparison of the methanol permeability coefficients of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 in Table 1, the polymer electrolyte membrane of the present invention was obtained from Nafion (registered trademark), which is a known electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. In addition, when it is used as a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, the power generation characteristics tend not to deteriorate even when the concentration of the methanol aqueous solution is high. It has been clarified that even when the film thickness is reduced, the methanol barrier property equivalent to that of Nafion (registered trademark) can be maintained. Furthermore, from the comparison of the proton conductivity and methanol permeability coefficient of Examples 1 and 2 and Examples 3 and 4 in Table 1, when the method of fixing to a frame and drying at the time of membrane production was applied, the proton conductivity As a result, the methanol permeation coefficient did not increase and there was no tendency to increase the methanol permeability coefficient.

表2の実施例1〜4と比較例1の比較から、本発明の高分子電解質膜の23℃における水素透過係数は、公知の固体高分子形燃料電池用電解質膜であるナフィオン(登録商標)の約1/4〜1/2であることが示された。さらに、表2の実施例1と2、実施例3と4の比較から、高分子電解質膜の乾燥時に四辺をピンからなる枠体で固定したものは、膜厚の均一性の増加に伴って膜厚のムラが低減するため、膜厚が相対的に薄く、水素が透過しやすい部分が減少して、水素透過係数が約1/2に低下することが示された。すなわち、張力無しの乾燥工程を含む製造方法で作製された高分子電解質膜よりも、乾燥終了時に0.001MPa〜30MPaの張力がかかっている乾燥工程を含む製造方法で作製された高分子電解質膜を使用することで、水素遮断性が上がること(水素透過係数が下がること)を意味する。また、表2の実施例2,4と比較例1の比較から、本発明の高分子電解質膜の80℃における水素透過係数は、ナフィオン(登録商標)の約1/8であることが示された。以上のことから、本発明の高分子電解質膜は、水素遮断性に優れ、固体高分子形燃料電池の高分子電解質膜として有用なことが明らかとなった。   From comparison between Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 in Table 2, the hydrogen permeation coefficient at 23 ° C. of the polymer electrolyte membrane of the present invention is Nafion (registered trademark), which is a known electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cells. It was shown to be about 1/4 to 1/2 of. Further, from the comparison between Examples 1 and 2 and Tables 3 and 4 in Table 2, when the polymer electrolyte membrane was dried, the case where the four sides were fixed with a frame made of pins was accompanied by an increase in film thickness uniformity. It was shown that since the unevenness of the film thickness is reduced, the portion where the film thickness is relatively thin and hydrogen easily permeates is reduced, and the hydrogen permeability coefficient is reduced to about ½. That is, a polymer electrolyte membrane produced by a production method including a drying step in which a tension of 0.001 MPa to 30 MPa is applied at the end of drying rather than a polymer electrolyte membrane produced by a production method including a drying step without tension. This means that the hydrogen barrier property is increased (the hydrogen permeation coefficient is decreased). Further, the comparison between Examples 2 and 4 and Comparative Example 1 in Table 2 shows that the hydrogen permeation coefficient at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane of the present invention is about 1/8 that of Nafion (registered trademark). It was. From the above, it has been clarified that the polymer electrolyte membrane of the present invention has excellent hydrogen barrier properties and is useful as a polymer electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell.

さらに表2の実施例1〜4と比較例1の比較から、本発明の高分子電解質膜の23℃における酸素透過係数は、公知の固体高分子形燃料電池用電解質膜であるナフィオン(登録商標)の約1/7〜1/20であることが示された。さらに、表2の実施例1と2、実施例3と4の比較から、高分子電解質膜の乾燥時に四辺をピンからなる枠体で固定したものは、膜厚の均一性を増加に伴って膜厚のムラが低減するため、膜厚が相対的に薄く、酸素が透過しやすい部分が減少して、酸素透過係数が約1/4に低下することが示された。すなわち、張力無しの乾燥工程を含む製造方法で作製された高分子電解質膜よりも、乾燥終了時に0.001MPa〜30MPaの張力がかかっている乾燥工程を含む製造方法で作製された高分子電解質膜を使用することで、酸素遮断性が上がること(酸素透過係数が下がること)を意味する。また、表2の実施例2,4と比較例1の比較から、本発明の高分子電解質膜の80℃における酸素透過係数は、ナフィオン(登録商標)の約1/40であることが示された。以上のことから、本発明の高分子電解質膜は、酸素遮断性に優れ、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として有用なことが明らかとなった。   Further, from comparison between Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 in Table 2, the oxygen permeation coefficient of the polymer electrolyte membrane of the present invention at 23 ° C. is Nafion (registered trademark) which is a known electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cells. ) Of about 1/7 to 1/20. Furthermore, from the comparison between Examples 1 and 2 and Tables 3 and 4 in Table 2, when the polymer electrolyte membrane was dried, the four sides fixed with a frame made of pins were accompanied by an increase in film thickness uniformity. It was shown that since the non-uniformity of the film thickness is reduced, the portion where the film thickness is relatively thin and oxygen easily permeates is reduced, and the oxygen transmission coefficient is reduced to about 1/4. That is, a polymer electrolyte membrane produced by a production method including a drying step in which a tension of 0.001 MPa to 30 MPa is applied at the end of drying rather than a polymer electrolyte membrane produced by a production method including a drying step without tension. This means that the oxygen barrier property is increased (the oxygen permeability coefficient is decreased). In addition, the comparison between Examples 2 and 4 and Comparative Example 1 in Table 2 shows that the oxygen permeability coefficient of the polymer electrolyte membrane of the present invention at 80 ° C. is about 1/40 of that of Nafion (registered trademark). It was. From the above, it was revealed that the polymer electrolyte membrane of the present invention has excellent oxygen barrier properties and is useful as a polymer electrolyte membrane for solid polymer fuel cells and direct methanol fuel cells.

表3の実施例2,4と比較例1の比較から、本発明の高分子電解質膜の80℃における水素遮断性および酸素遮断性は、23℃における遮断性のそれぞれ約4倍および6倍となり、、公知の固体高分子形燃料電池用電解質膜であるナフィオン(登録商標)の9倍(水素)および12倍(酸素)と比較して増加しにくいことが示された。このことから、本発明の高分子電解質膜のガス遮断性は、ナフィオン(登録商標)と比較して温度依存性が少なく、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の作動条件に伴うガス遮断性の変動が少ないことが明らかとなった。   From the comparison between Examples 2 and 4 and Comparative Example 1 in Table 3, the hydrogen barrier property and oxygen barrier property at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane of the present invention are about 4 times and 6 times the barrier property at 23 ° C., respectively. It was shown that the increase was less than 9 times (hydrogen) and 12 times (oxygen) of Nafion (registered trademark), which is a known electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. Therefore, the gas barrier property of the polymer electrolyte membrane of the present invention is less dependent on temperature than Nafion (registered trademark), and is a gas associated with the operating conditions of a solid polymer fuel cell and a direct methanol fuel cell. It became clear that there was little fluctuation | variation of interruption | blocking property.

図3の実施例2,4と比較例1の比較から、本発明の高分子電解質膜は、電流密度が50mA/cm2時のセル電圧が、公知の固体高分子形燃料電池用電解質膜であるナフィオン(登録商標)の約0.11Vに対して、それぞれ約0.39V、0.16Vと高いセル電圧を示した。また、測定した全ての電流密度領域で、ナフィオン(登録商標)よりも高いセル電圧を示した。さらに、図4の実施例2,4と比較例1の比較から、燃料であるメタノール水溶液濃度を4mol/Lから8mol/Lと高濃度にして測定した場合においても、電流密度が50mA/cm2時のセル電圧が、ナフィオン(登録商標)の約0.10Vに対して、それぞれ約0.25V、0.21Vと高いセル電圧を示した。また、測定した全ての電流密度領域で、ナフィオン(登録商標)よりも高いセル電圧を示した。以上のことから、本発明の高分子電解質膜を直接メタノール形燃料電池の電解質膜に使用した場合に、優れた発電特性を有することが明らかとなり、本発明の有用性が示された。 From the comparison between Examples 2 and 4 and Comparative Example 1 in FIG. 3, the polymer electrolyte membrane of the present invention is a known electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell with a cell voltage at a current density of 50 mA / cm 2. As compared with about 0.11 V of a certain Nafion (registered trademark), the cell voltages were about 0.39 V and 0.16 V, respectively. Moreover, the cell voltage higher than Nafion (trademark) was shown in all the measured current density areas. Furthermore, from the comparison between Examples 2 and 4 and Comparative Example 1 in FIG. 4, even when the concentration of the methanol aqueous solution as the fuel was measured from 4 mol / L to 8 mol / L, the current density was 50 mA / cm 2. The cell voltage at the time showed high cell voltages of about 0.25 V and 0.21 V, respectively, compared to about 0.10 V of Nafion (registered trademark). Moreover, the cell voltage higher than Nafion (trademark) was shown in all the measured current density areas. From the above, it was revealed that when the polymer electrolyte membrane of the present invention was directly used for an electrolyte membrane of a methanol fuel cell, it had excellent power generation characteristics, and the usefulness of the present invention was shown.

本発明に係る固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池の単位セルの一例の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of an example of the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell or direct methanol fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る直接メタノール形燃料電池の一例の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of an example of the direct methanol fuel cell which concerns on this invention. 4mol/Lのメタノール水溶液を燃料に使用した場合の直接メタノール形燃料電池の発電特性Power generation characteristics of direct methanol fuel cell when 4 mol / L aqueous methanol solution is used as fuel 8mol/Lのメタノール水溶液を燃料に使用した場合の直接メタノール形燃料電池の発電特性Power generation characteristics of direct methanol fuel cell when 8mol / L methanol aqueous solution is used as fuel

符号の説明Explanation of symbols

1 高分子電解質膜
2 燃料極側の結着剤層
3 酸化剤極側の結着剤層
4 燃料極側の触媒層
5 酸化剤極側の触媒層
6 燃料極側の拡散層
7 酸化剤極側の拡散層
8 燃料極
9 酸化剤極
10 膜−電極接合体
11 燃料極側のセパレーター
12 酸化剤極側のセパレーター
13 燃料流路
14 酸化剤流路
15 単位セル
16 タンク
17 支持体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2 Binder layer by the side of a fuel electrode 3 Binder layer by the side of an oxidant electrode 4 Catalyst layer by the side of a fuel electrode 5 Catalyst layer by the side of an oxidant electrode 6 Diffusion layer by the side of a fuel electrode 7 Oxidant electrode Side diffusion layer 8 Fuel electrode 9 Oxidant electrode 10 Membrane-electrode assembly 11 Fuel electrode side separator 12 Oxidant electrode side separator 13 Fuel flow channel 14 Oxidant flow channel 15 Unit cell 16 Tank 17 Support

Claims (14)

スルホン酸基と炭化水素系高分子化合物を含む高分子電解質膜であって、水素透過係数が、23℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising a sulfonic acid group and a hydrocarbon polymer compound, wherein a hydrogen permeation coefficient is 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 23 ° C. A polymer electrolyte membrane. 前記水素透過係数が、80℃において3.0×10-9cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である請求項1記載の高分子電解質膜。 2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the hydrogen permeability coefficient is 3.0 × 10 −9 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 80 ° C. 3 . 前記高分子電解質膜の80℃における水素透過係数が、23℃における水素透過係数の7倍以下である請求項1または2のいずれかに記載の高分子電解質膜。   3. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein a hydrogen permeability coefficient at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane is 7 times or less of a hydrogen permeability coefficient at 23 ° C. 3. スルホン酸基と炭化水素系高分子化合物を含む高分子電解質膜であって、酸素透過係数が、23℃において5.0×10-11cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising a sulfonic acid group and a hydrocarbon polymer compound, wherein the oxygen permeability coefficient is 5.0 × 10 −11 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 23 ° C. A polymer electrolyte membrane. 前記酸素透過係数が、80℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である請求項4記載の高分子電解質膜。 5. The polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein the oxygen permeability coefficient is 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 80 ° C. 6. 前記高分子電解質膜の80℃における酸素透過係数が、23℃における酸素透過係数の10倍以下である請求項5記載の高分子電解質膜。   6. The polymer electrolyte membrane according to claim 5, wherein the polymer electrolyte membrane has an oxygen permeability coefficient at 80 ° C. of 10 times or less of an oxygen permeability coefficient at 23 ° C. スルホン酸基と炭化水素系高分子化合物を含む高分子電解質膜であって、水素透過係数が、23℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下、および、酸素透過係数が、23℃において5.0×10-11cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising a sulfonic acid group and a hydrocarbon polymer compound, wherein the hydrogen permeability coefficient is 5.0 × 10 −10 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 23 ° C., And a polymer electrolyte membrane having an oxygen permeability coefficient of 5.0 × 10 −11 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 23 ° C. 前記水素透過係数が、80℃において3.0×10-9cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下、および、前記酸素透過係数が、80℃において5.0×10-10cm3・cm/(cm2・s・cmHg)以下である請求項7記載の高分子電解質膜。 The hydrogen permeability coefficient is 3.0 × 10 −9 cm 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less at 80 ° C., and the oxygen permeability coefficient is 5.0 × 10 −10 cm at 80 ° C. The polymer electrolyte membrane according to claim 7, which is 3 · cm / (cm 2 · s · cmHg) or less. 前記高分子電解質膜の80℃における水素透過係数が、23℃における水素透過係数の7倍以下、および、80℃における酸素透過係数が、23℃における酸素透過係数の10倍以下である請求項7または8のいずれかに記載の高分子電解質膜。   8. The hydrogen permeability coefficient at 80 ° C. of the polymer electrolyte membrane is 7 times or less of the hydrogen permeability coefficient at 23 ° C., and the oxygen permeability coefficient at 80 ° C. is 10 times or less of the oxygen permeability coefficient at 23 ° C. Or the polymer electrolyte membrane according to any one of 8; 前記炭化水素系高分子化合物が、ポリフェニレンサルファイドである請求項1または4または7のいずれかに記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the hydrocarbon polymer compound is polyphenylene sulfide. 前記高分子電解質膜のイオン交換容量が、1〜3ミリ当量/gである請求項1〜10のいずれかに記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10, wherein the polymer electrolyte membrane has an ion exchange capacity of 1 to 3 meq / g. 前記請求項1〜11のいずれかに記載の高分子電解質膜であって、乾燥終了時に0.001MPa〜30MPaの張力がかかっている乾燥工程を含む製造方法で作製された高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 11, wherein the polymer electrolyte membrane is produced by a production method including a drying step in which a tension of 0.001 MPa to 30 MPa is applied at the end of drying. 前記請求項1〜12記載のいずれかの高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 12. 前記請求項1〜12記載のいずれかの高分子電解質膜を使用した直接メタノール形燃料電池。   A direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 12.
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