JP2007329062A - Membrane electrode assembly for direct methanol fuel cell and fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly for direct methanol fuel cell and fuel cell Download PDF

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敦雄 川田
Shigeru Konishi
繁 小西
Noribumi Takahashi
紀文 高橋
Mitsuto Takahashi
光人 高橋
Toshio Oba
敏夫 大庭
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell of small size and high output; and to provide the fuel cell. <P>SOLUTION: In the membrane electrode assembly for the direct methanol fuel cell formed by joining a fuel electrode and a catalyst electrode acting as an air electrode to a solid polymer electrolyte membrane, the concentration of methanol in a methanol aqueous solution fuel supplied to the fuel electrode is 30 mass% or more, and water permeability coefficient of the solid polymer electrolyte member is larger than its methanol permeability coefficient. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池用膜電極接合体及びこれを用いたダイレクトメタノール型燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell and a direct methanol fuel cell using the same.

ノートPC、PDA、携帯電話などの携帯情報機器の高性能化に伴い、小型高容量の電源が求められている。その有力な候補としてダイレクトメタノール型燃料電池への期待が高まっている。ダイレクトメタノール型燃料電池はメタノールと酸素の化学反応から直接電気エネルギを取り出す燃料電池であり、理論上の体積エネルギ密度が高く、燃料補給により連続的に使用できるという特長がある。一般的にダイレクトメタノール型燃料電池には、固体高分子電解質膜に燃料極及び空気極となる触媒電極を接合した膜電極接合体が使われている。
従来、膜電極接合体の電解質膜にはデュポン社製Nafion(商品名)に代表されるパーフルオロ系電解質膜が主に用いられていた。
しかし、パーフルオロ系電解質膜を用いた膜電極接合体は、高濃度メタノール水を使用すると、燃料極側から空気極側にメタノールが透過し、出力が低下するという問題があった。そのため、燃料に低濃度のメタノールを使用せざるを得ず、ダイレクトメタノール型燃料電池を小型化することが困難であった。
With the improvement in performance of portable information devices such as notebook PCs, PDAs, and mobile phones, small and high-capacity power supplies are required. As a promising candidate, expectations for direct methanol fuel cells are increasing. A direct methanol fuel cell is a fuel cell that directly extracts electrical energy from a chemical reaction between methanol and oxygen, and has a feature that it has a high theoretical volumetric energy density and can be used continuously by refueling. Generally, in a direct methanol fuel cell, a membrane electrode assembly is used in which a catalyst electrode serving as a fuel electrode and an air electrode is joined to a solid polymer electrolyte membrane.
Conventionally, a perfluoro-based electrolyte membrane represented by Nafion (trade name) manufactured by DuPont has been mainly used as an electrolyte membrane of a membrane electrode assembly.
However, a membrane electrode assembly using a perfluoro-based electrolyte membrane has a problem that when high-concentration methanol water is used, methanol permeates from the fuel electrode side to the air electrode side and the output decreases. For this reason, it has been necessary to use low-concentration methanol as the fuel, and it has been difficult to reduce the size of the direct methanol fuel cell.

なお、本発明に関連する先行技術としては、下記文献が挙げられる。
特開2001−348439号公報 特開2002−313364号公報 特開2003−82129号公報 Journal of Applied Polymer Science, Vol.68, 747−763(1998)
In addition, the following literature is mentioned as a prior art relevant to this invention.
JP 2001-348439 A JP 2002-313364 A JP 2003-82129 A Journal of Applied Polymer Science, Vol. 68, 747-763 (1998)

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、ダイレクトメタノール型燃料電池を小型化するための膜電極接合体及びこれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a membrane electrode assembly for miniaturizing a direct methanol fuel cell and a fuel cell using the membrane electrode assembly.

本発明者らはダイレクトメタノール型燃料電池を小型化する方法を検討した結果、膜電極接合体の燃料極に供給される燃料中のメタノール濃度を30質量%以上とし、かつ固体高分子電解質膜の水透過係数をメタノール透過係数より大きくすること、好ましくは3倍以上大きくすることにより、高い出力密度が得られ、ダイレクトメタノール型燃料電池を小型化することが可能となることを見出した。   As a result of studying a method for downsizing a direct methanol fuel cell, the present inventors have determined that the concentration of methanol in the fuel supplied to the fuel electrode of the membrane electrode assembly is 30% by mass or more, and the solid polymer electrolyte membrane It has been found that by making the water permeability coefficient larger than the methanol permeability coefficient, preferably 3 times or more, a high power density can be obtained and the direct methanol fuel cell can be miniaturized.

また、そのような固体高分子電解質膜として、放射線を照射した樹脂膜にラジカル重合性モノマーをグラフト重合することにより得られる固体高分子電解質膜であって、ラジカル重合性モノマーがアルコキシシリル基を有するラジカル重合性モノマーを含み、グラフト重合後にアルコキシシリル基の反応により架橋した固体高分子電解質膜が適することを見出し、本発明をなすに至った。   Further, as such a solid polymer electrolyte membrane, a solid polymer electrolyte membrane obtained by graft polymerization of a radical polymerizable monomer onto a resin film irradiated with radiation, wherein the radical polymerizable monomer has an alkoxysilyl group The present inventors have found that a solid polymer electrolyte membrane containing a radical polymerizable monomer and cross-linked by the reaction of an alkoxysilyl group after graft polymerization is suitable, and has led to the present invention.

従って、本発明は、下記電極接合体及び燃料電池を提供する。
(1)固体高分子電解質膜に燃料極及び空気極となる触媒電極を接合した燃料電池用膜電極接合体であって、燃料極に供給されるメタノール水溶液燃料中のメタノール濃度が30質量%以上であり、かつ固体高分子電解質膜の水透過係数がメタノール透過係数より大きいことを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池用膜電極接合体。
(2)固体高分子電解質膜の水透過係数がメタノール透過係数の3倍以上大きいことを特徴とする(1)記載のダイレクトメタノール型燃料電池用膜電極接合体。
(3)固体高分子電解質膜が、放射線を照射した樹脂膜にラジカル重合性モノマーをグラフト重合することにより得られる固体高分子電解質膜であって、ラジカル重合性モノマーがアルコキシシリル基を有するラジカル重合性モノマーを含み、グラフト重合後にアルコキシシリル基の反応により架橋した固体高分子電解質膜であることを特徴とする(1)又は(2)記載のダイレクトメタノール型燃料電池用膜電極接合体。
(4)上記(1),(2)又は(3)記載の膜電極接合体を含み、燃料極に供給されるメタノール水溶液燃料中のメタノール濃度が30質量%以上であることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池。
Accordingly, the present invention provides the following electrode assembly and fuel cell.
(1) A membrane electrode assembly for a fuel cell in which a fuel electrode and an air electrode catalyst electrode are joined to a solid polymer electrolyte membrane, wherein the methanol concentration in the methanol aqueous solution fuel supplied to the fuel electrode is 30% by mass or more A membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell, wherein the water permeability coefficient of the solid polymer electrolyte membrane is larger than the methanol permeability coefficient.
(2) The membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell as described in (1), wherein the water permeability coefficient of the solid polymer electrolyte membrane is 3 times or more larger than the methanol permeability coefficient.
(3) The solid polymer electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte membrane obtained by graft polymerization of a radical polymerizable monomer onto a resin film irradiated with radiation, wherein the radical polymerizable monomer has an alkoxysilyl group. A membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to (1) or (2), wherein the membrane electrode assembly is a solid polymer electrolyte membrane that contains a functional monomer and is crosslinked by a reaction of an alkoxysilyl group after graft polymerization.
(4) Direct including the membrane electrode assembly according to (1), (2) or (3) above, wherein the methanol concentration in the aqueous methanol fuel supplied to the fuel electrode is 30% by mass or more Methanol fuel cell.

本発明によれば、小型で高出力のダイレクトメタノール型燃料電池が得られる。   According to the present invention, a direct methanol fuel cell having a small size and a high output can be obtained.

本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子電解質膜に燃料極及び空気極となる触媒電極を接合してなるものである。
この場合、固体高分子電解質膜としては、水透過係数がメタノール透過係数より大きいものであればいずれのものでもよいが、好ましくは固体高分子電解質膜が、放射線を照射した樹脂膜にラジカル重合性モノマーをグラフト重合することにより得られる固体高分子電解質膜であって、ラジカル重合性モノマーがアルコキシシリル基を有するラジカル重合性モノマーを含み、グラフト重合後にアルコキシシリル基の反応により架橋した固体高分子電解質膜である。このような固体高分子電解質膜は、水透過係数がメタノール透過係数より大きいので、空気極側に透過したメタノールの濃度が低下し、空気極の過電圧を減少させるものと考えられる。
また、固体高分子電解質膜中にアルコキシシリル基に由来するシラノール基やシロキサン結合が存在するので、膜中の親水性ドメインが増大し、水が透過しやすくなると考えられる。
The membrane electrode assembly according to the present invention is obtained by joining a catalyst electrode to be a fuel electrode and an air electrode to a solid polymer electrolyte membrane.
In this case, any solid polymer electrolyte membrane may be used as long as the water permeability coefficient is larger than the methanol permeability coefficient, but preferably the solid polymer electrolyte membrane is radically polymerizable to the resin film irradiated with radiation. A solid polymer electrolyte membrane obtained by graft polymerization of a monomer, wherein the radical polymerizable monomer contains a radical polymerizable monomer having an alkoxysilyl group, and is crosslinked by the reaction of the alkoxysilyl group after the graft polymerization It is a membrane. In such a solid polymer electrolyte membrane, the water permeability coefficient is larger than the methanol permeability coefficient. Therefore, it is considered that the concentration of methanol permeated to the air electrode side is reduced and the overvoltage of the air electrode is reduced.
In addition, since silanol groups and siloxane bonds derived from alkoxysilyl groups are present in the solid polymer electrolyte membrane, it is considered that the hydrophilic domains in the membrane increase and water can easily permeate.

この場合、上記放射線を照射した樹脂膜に重合性モノマーをグラフト重合させて固体高分子電解質膜を製造する方法としては、
樹脂膜に放射線を照射する工程と、
放射線を照射した樹脂膜に、アルコキシシリル基を有する重合性モノマーを単独で、あるいは該アルコキシシリル基を有する重合性モノマーと他の重合性モノマーをグラフト重合する工程と、
アルコキシシリル基の反応により架橋する工程と、
重合性モノマーがイオン伝導性基を持たないモノマーの場合は、イオン伝導性基を導入する工程と
を採用することが好ましい。
In this case, as a method for producing a solid polymer electrolyte membrane by graft polymerization of a polymerizable monomer to the resin film irradiated with the radiation,
Irradiating the resin film with radiation;
A step of graft-polymerizing a polymerizable monomer having an alkoxysilyl group alone or a polymerizable monomer having the alkoxysilyl group and another polymerizable monomer on a resin film irradiated with radiation;
A step of crosslinking by reaction of an alkoxysilyl group;
When the polymerizable monomer is a monomer having no ion conductive group, it is preferable to employ a step of introducing an ion conductive group.

ここで、樹脂膜としては、フッ素系樹脂からなるフィルムやシートを用いることが好ましい。フッ素系樹脂の中でも、膜物性に優れ、更に放射線グラフト重合法に適することから、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体が好ましい。これらの樹脂はそれぞれ単独で使用してもよく、適宜組み合わせて使用してもよい。   Here, as the resin film, it is preferable to use a film or sheet made of a fluororesin. Among fluororesins, it has excellent film properties and is suitable for radiation graft polymerization, so polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, ethylene -Tetrafluoroethylene copolymers are preferred. These resins may be used alone or in appropriate combination.

また、樹脂膜の膜厚は10〜200μmが好ましく、20〜100μmがより好ましい。   Moreover, 10-200 micrometers is preferable and, as for the film thickness of a resin film, 20-100 micrometers is more preferable.

上記の樹脂膜には、まず、例えば室温にて放射線が照射される。放射線としては、電子線、γ線、X線が好ましく、電子線が特に好ましい。照射量は、放射線の種類、更には樹脂膜の種類及び膜厚にもよるが、例えば、上記のフッ素系樹脂膜に電子線を照射する場合1〜200kGyが好ましく、1〜100kGyがより好ましい。   The resin film is first irradiated with radiation, for example, at room temperature. As the radiation, electron beams, γ rays, and X-rays are preferable, and electron beams are particularly preferable. The amount of irradiation depends on the type of radiation, and further on the type and thickness of the resin film. For example, when the above-mentioned fluorine-based resin film is irradiated with an electron beam, 1 to 200 kGy is preferable, and 1 to 100 kGy is more preferable.

更に、放射線の照射は、ヘリウム、窒素、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うのが好ましく、該ガス中の酸素濃度は100ppm以下、特に50ppm以下が好ましいが、必ずしも酸素不在下で行う必要はない。   Further, the irradiation with radiation is preferably performed in an inert gas atmosphere such as helium, nitrogen, or argon gas, and the oxygen concentration in the gas is preferably 100 ppm or less, and particularly preferably 50 ppm or less. There is no.

次いで、上記の放射線照射された樹脂膜は、アルコキシシリル基を有する重合性モノマーを含む重合性モノマーによりグラフト化される。   Next, the resin film irradiated with the radiation is grafted with a polymerizable monomer including a polymerizable monomer having an alkoxysilyl group.

アルコキシシリル基を有する重合性モノマーとしては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス(βメトキシエトキシ)シラン、γ−アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−(アクリロキシエトキシ)プロピルトリメトキシシラン、γ−(アクリロキシエトキシ)プロピルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシエトキシ)プロピルトリメトキシシラン、γ−(メタクリロキシエトキシ)プロピルトリエトキシシラン、ヘキセニルトリメトキシシラン、ヘキセニルトリエトキシシラン、デセニルトリメトキシシラン、デセニルトリエトキシシラン等を挙げることができる。中でも、分子中にビニルフェニル基を有するトリメトキシシリルスチレン、トリエトキシシリルスチレン、ビニルベンジルトリメトキシシラン、ビニルベンジルトリエトキシシラン、ビニルフェネチルトリメトキシシラン、ビニルフェネチルトリエトキシシラン等は、グラフト膜中のアルコキシシリル基の含有量を大幅に高めることができるため好ましい。これらのアルコキシシリル基を有する重合性モノマーは、単独で使用してもよく、適宜組み合わせて使用することもできる。   As the polymerizable monomer having an alkoxysilyl group, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinyltris (βmethoxyethoxy) silane, γ-acryloxypropylmethyldimethoxysilane, γ-acryloxypropylmethyldiethoxysilane, γ- Acryloxypropyltrimethoxysilane, γ-acryloxypropyltriethoxysilane, γ-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, γ-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane, γ-methacryloxypropyltri Ethoxysilane, γ- (acryloxyethoxy) propyltrimethoxysilane, γ- (acryloxyethoxy) propyltriethoxysilane, γ- (methacryloxyethoxy) propyltri Tokishishiran, .gamma. (methacryloxyethoxy) propyltriethoxysilane, hexenyltrimethoxysilane, hexenyl triethoxy silane, decenyl trimethoxysilane can be mentioned decenyl triethoxysilane. Among them, trimethoxysilyl styrene, triethoxysilyl styrene, vinyl benzyl trimethoxy silane, vinyl benzyl triethoxy silane, vinyl phenethyl trimethoxy silane, vinyl phenethyl triethoxy silane having vinyl phenyl group in the molecule are included in the graft film. This is preferable because the content of the alkoxysilyl group can be greatly increased. These polymerizable monomers having an alkoxysilyl group may be used alone or in appropriate combination.

また、その他の重合性モノマーは、一官能重合性モノマーが好ましく、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、トリフルオロスチレン等のスチレンモノマーや、スルホン酸基、スルホン酸アミド基、カルボン酸基、リン酸基、四級アンモニウム塩基等のイオン伝導性基を持つモノマー(アクリル酸ナトリウム、アクリルアミドメチルプロパンスルホン酸ナトリウム、スチレンスルホン酸ナトリウム等)を単独で、もしくは適宜組み合わせて使用できる。また、官能基の反応性の差を利用すれば多官能重合性モノマーを使用することも可能である。   Further, the other polymerizable monomer is preferably a monofunctional polymerizable monomer, such as styrene monomer such as styrene, α-methylstyrene, trifluorostyrene, sulfonic acid group, sulfonic acid amide group, carboxylic acid group, phosphoric acid. And monomers having an ion conductive group such as a quaternary ammonium base (sodium acrylate, sodium acrylamidomethylpropanesulfonate, sodium styrenesulfonate, etc.) can be used alone or in appropriate combination. In addition, a polyfunctional polymerizable monomer can be used by utilizing the difference in the reactivity of the functional group.

なお、このようにその他の重合性モノマーM2をアルコキシシリル基を有する重合性モノマーM1と併用する場合、その割合は適宜選定されるが、好ましくはM1:M2がモル比で5:95〜50:50、特に10:90〜40:60である。   In addition, when other polymerizable monomer M2 is used in combination with polymerizable monomer M1 having an alkoxysilyl group in this way, the ratio is appropriately selected, but preferably M1: M2 is in a molar ratio of 5:95 to 50: 50, in particular 10:90 to 40:60.

グラフト化の方法は、例えば、アルコキシシリル基を有する重合性モノマーと、その他の重合性モノマーとを含む溶液に、放射線照射された樹脂膜を浸漬し、窒素雰囲気下で50〜80℃に10〜20時間加熱すればよい。また、グラフト率は10〜100%が好ましい。   The grafting method is performed, for example, by immersing a resin film irradiated with radiation in a solution containing a polymerizable monomer having an alkoxysilyl group and another polymerizable monomer, and 10 to 10 at 50 to 80 ° C. in a nitrogen atmosphere. What is necessary is just to heat for 20 hours. The graft rate is preferably 10 to 100%.

ここで、放射線を照射した樹脂にグラフトする重合性モノマーの使用量は、樹脂フィルム100質量部に対して重合性モノマーを1,000〜100,000質量部、特に4,000〜20,000質量部使用することが好ましい。モノマーが少なすぎると接触が不十分になる場合があり、多すぎるとモノマーが効率的に使用できなくなるおそれがある。   Here, the usage-amount of the polymerizable monomer grafted to the resin irradiated with radiation is 1,000 to 100,000 parts by weight, particularly 4,000 to 20,000 parts by weight of the polymerizable monomer with respect to 100 parts by weight of the resin film. It is preferable to use a part. If the amount of the monomer is too small, the contact may be insufficient. If the amount is too large, the monomer may not be used efficiently.

これら重合性モノマーをグラフト重合するに際しては、アゾビスイソブチロニトリルなどの重合開始剤を本発明の目的を損なわない範囲で適宜用いてもよい。   In graft polymerization of these polymerizable monomers, a polymerization initiator such as azobisisobutyronitrile may be appropriately used as long as the object of the present invention is not impaired.

更に、グラフト反応時に溶媒を用いることができ、溶媒としては、モノマーを均一に溶解するものが好ましく、例えばアセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、n−ヘプタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族又は脂環族炭化水素、あるいはこれらの混合溶媒を用いることができる。モノマー/溶媒(質量比)は0.01〜1が望ましい。モノマー/溶媒(質量比)が1より大きいとグラフト鎖のモノマーユニット数の調整が困難になり、0.01より小さいと、グラフト率が低くなりすぎる場合がある。更に望ましい範囲は0.03〜0.5である。   Furthermore, a solvent can be used during the grafting reaction, and the solvent is preferably one that uniformly dissolves the monomer, for example, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, methyl alcohol and ethyl alcohol , Alcohols such as propyl alcohol and butyl alcohol, ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, aromatic hydrocarbons such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, benzene, toluene and xylene, n-heptane, n -Aliphatic or alicyclic hydrocarbons such as hexane and cyclohexane, or a mixed solvent thereof can be used. The monomer / solvent (mass ratio) is preferably from 0.01 to 1. When the monomer / solvent (mass ratio) is larger than 1, it is difficult to adjust the number of monomer units of the graft chain, and when it is smaller than 0.01, the graft ratio may be too low. A more desirable range is 0.03 to 0.5.

上記のグラフト化された樹脂膜は、次いで、アルコキシシリル基の反応、例えば加水分解及び脱水縮合による架橋が施される。加水分解は、例えば、グラフト化された樹脂膜を、塩酸とジメチルホルムアミド(DMF)との混合溶液に、室温で10〜20時間浸漬すればよい。また、脱水縮合は、加水分解後の樹脂膜を、減圧(通常、1〜10Torr)中もしくは大気圧下、不活性ガス雰囲気中で100〜200℃で数時間(通常、2〜8時間)加熱すればよい。この際、反応を温和な条件で進めるため、ジラウリン酸ジブチル錫等の錫系触媒を使用することもできる。   Next, the grafted resin film is subjected to crosslinking by a reaction of an alkoxysilyl group, for example, hydrolysis and dehydration condensation. The hydrolysis may be performed, for example, by immersing the grafted resin film in a mixed solution of hydrochloric acid and dimethylformamide (DMF) at room temperature for 10 to 20 hours. In the dehydration condensation, the resin film after hydrolysis is heated for several hours (usually 2 to 8 hours) at 100 to 200 ° C. in an inert gas atmosphere under reduced pressure (usually 1 to 10 Torr) or atmospheric pressure. do it. At this time, a tin-based catalyst such as dibutyltin dilaurate can also be used to advance the reaction under mild conditions.

更に、イオン伝導性基を持たないモノマー(例えば、上記スチレンモノマー)の場合はグラフト鎖にスルホン酸基、カルボン酸基、四級アンモニウム塩基等のイオン伝導性基を導入することで、本発明の固体高分子電解質膜が得られる。スルホン酸基の導入方法は、従来と同様であり、例えば、クロルスルホン酸やフルオロスルホン酸と接触させてスルホン化すればよい。なお、脱水縮合の前にスルホン化を行い、加水分解を省略することもできる。   Furthermore, in the case of a monomer having no ion conductive group (for example, the above styrene monomer), an ion conductive group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, or a quaternary ammonium base is introduced into the graft chain. A solid polymer electrolyte membrane is obtained. The introduction method of the sulfonic acid group is the same as the conventional method. For example, it may be sulfonated by contacting with chlorosulfonic acid or fluorosulfonic acid. In addition, sulfonation can be performed before dehydration condensation, and hydrolysis can be omitted.

また、グラフト化された樹脂膜をアルコキシシランに浸漬し、グラフト鎖のアルコキシシリル基と共加水分解及び共脱水縮合することにより、更に架橋密度を高めることができる。アルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン等を挙げることができる。この場合、アルコキシシランの使用量は、樹脂膜100質量部に対しアルコキシシランを1,000〜10,000質量部使用し、樹脂膜中にアルコキシシランを0.1〜20質量%含浸させることが好ましい。   Further, the crosslinking density can be further increased by immersing the grafted resin film in alkoxysilane and cohydrolyzing and codehydrating with the alkoxysilyl group of the graft chain. Examples of the alkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, and dimethyldiethoxysilane. In this case, the amount of alkoxysilane used is that 1,000 to 10,000 parts by mass of alkoxysilane is used with respect to 100 parts by mass of the resin film, and 0.1 to 20% by mass of alkoxysilane is impregnated in the resin film. preferable.

このようにして得られた固体高分子電解質膜は、架橋密度が高まり、水膨潤度及びメタノール透過度が大幅に低減したものとなる。この場合、上述したように、水透過係数がメタノール透過係数より大きく、通常、水透過係数がメタノール透過係数の3倍以上、特に3〜30倍である。   The solid polymer electrolyte membrane thus obtained has an increased crosslink density and a greatly reduced water swelling and methanol permeability. In this case, as described above, the water permeability coefficient is larger than the methanol permeability coefficient, and usually the water permeability coefficient is 3 times or more, particularly 3 to 30 times the methanol permeability coefficient.

本発明においては、上記固体高分子電解質膜に燃料極及び空気極となる触媒電極を接合するが、この場合、触媒電極は、多孔質電極基材と触媒層とから形成される。多孔質電極基材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス等が好適に用いられる。また、触媒層は、触媒粒子及び固体高分子電解質を含むものが好ましい。   In the present invention, a catalyst electrode serving as a fuel electrode and an air electrode is joined to the solid polymer electrolyte membrane. In this case, the catalyst electrode is formed of a porous electrode substrate and a catalyst layer. As the porous electrode substrate, carbon paper, carbon cloth or the like is preferably used. The catalyst layer preferably contains catalyst particles and a solid polymer electrolyte.

この場合、触媒粒子としては、例えば、白金、白金合金等が挙げられる。白金合金としては、例えば、白金とルテニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、モリブデン、錫、コバルト、ニッケル、鉄、クロム等から選ばれる少なくとも1種の金属との合金等が挙げられる。この場合、白金合金としては、白金を5質量%以上、特に10質量%以上含有するものが好ましい。   In this case, examples of the catalyst particles include platinum and platinum alloys. Examples of platinum alloys include alloys of platinum and at least one metal selected from ruthenium, palladium, rhodium, iridium, osmium, molybdenum, tin, cobalt, nickel, iron, chromium, and the like. In this case, the platinum alloy is preferably one containing 5% by mass or more, particularly 10% by mass or more of platinum.

上記白金、白金合金等は、微粒子の状態でもよいし、カーボンブラックやカーボンナノチューブ等の電気伝導性のある担体に担持した状態でもよい。あるいは担持した状態のものと未担持の状態のものを混合しても構わない。   The platinum, platinum alloy or the like may be in the form of fine particles, or may be supported on an electrically conductive carrier such as carbon black or carbon nanotube. Alternatively, a supported state and an unsupported state may be mixed.

一方、固体高分子電解質としては、Nafion(商品名、デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系電解質、スチレンスルホン酸−ブタジエン共重合体に代表される炭化水素系電解質、スルホン酸基含有アルコキシシランと末端シリル化有機オリゴマーとの共重縮合体に代表される無機・有機ハイブリッド電解質等が好適に用いられる。
また、上記成分に加え、親水性付与の目的でシリカやチタニア等の無機酸化物微粒子等を配合することができる。
On the other hand, examples of the solid polymer electrolyte include perfluoro-based electrolytes typified by Nafion (trade name, manufactured by DuPont), hydrocarbon-based electrolytes typified by styrenesulfonic acid-butadiene copolymers, and sulfonic acid group-containing alkoxysilanes. Inorganic / organic hybrid electrolytes typified by copolycondensates of silyl and terminal silylated organic oligomers are preferably used.
In addition to the above components, inorganic oxide fine particles such as silica and titania can be blended for the purpose of imparting hydrophilicity.

更に、触媒層を形成する触媒ペーストには、触媒ペーストを電極及び/又は電解質膜に塗布する際に塗布性を向上する目的で溶剤を使用することも可能である。溶剤としては、固体高分子電解質等を均一に溶解するものが好ましく、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、エチレングリコール、グリセロール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素、n−ヘプタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族乃至脂環式炭化水素、水、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の極性溶剤が挙げられる。これらは単独で又は2種以上を混合して用いることができる。これらの中でもイソプロピルアルコール、水及びN,N−ジメチルホルムアミド等の極性溶剤が望ましい。   Furthermore, a solvent can be used for the catalyst paste forming the catalyst layer for the purpose of improving the coating property when the catalyst paste is applied to the electrode and / or the electrolyte membrane. As the solvent, those that uniformly dissolve the solid polymer electrolyte and the like are preferable. For example, alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, n-butyl alcohol, ethylene glycol, glycerol, acetone, Ketones such as methyl ethyl ketone, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, aromatic hydrocarbons such as benzene and toluene, aliphatic or alicyclic such as n-heptane, n-hexane and cyclohexane Polar solvents such as hydrocarbon, water, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, formamide, N-methylformamide, N-methylpyrrolidone, ethylene carbonate, propylene carbonate And the like. These can be used alone or in admixture of two or more. Of these, polar solvents such as isopropyl alcohol, water and N, N-dimethylformamide are desirable.

また、触媒層中の多孔性を増し、水の移動を容易にするため、フッ素樹脂を加えることも可能である。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、三フッ化エチレン−エチレンコポリマー(ECTFE)等が挙げられ、これらを単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。なお、これらフッ素樹脂としては、GPCによるポリスチレン換算数平均分子量100,000〜600,000程度の市販品を用いることができる。   Moreover, in order to increase the porosity in the catalyst layer and facilitate the movement of water, it is also possible to add a fluororesin. Examples of fluororesins include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-tetra Fluoroethylene copolymer (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), trifluoroethylene-ethylene copolymer (ECTFE), etc. are used, and these may be used alone or in combination of two or more. Can do. In addition, as these fluororesins, the commercial item about the polystyrene conversion number average molecular weight 100,000-600,000 by GPC can be used.

上記成分の使用量は、広い範囲で選定し得るが、触媒粒子100質量部に対し、固体高分子電解質10〜1,000質量部、溶剤は0〜5,000質量部、特に100〜1,000質量部、フッ素樹脂成分は10〜400質量部、特に40〜130質量部の使用量とすることが好ましい。   The amount of the above-mentioned components can be selected within a wide range, but the solid polymer electrolyte is 10 to 1,000 parts by weight and the solvent is 0 to 5,000 parts by weight, particularly 100 to 1,1 parts per 100 parts by weight of catalyst particles. 000 parts by mass and the fluororesin component are preferably used in an amount of 10 to 400 parts by mass, particularly 40 to 130 parts by mass.

上記触媒ペーストを上記電解質膜又は多孔質電極基材上に塗布し、ペースト中に溶剤を加えた場合は溶剤を除去し、常法によって触媒層を形成する。   The catalyst paste is applied onto the electrolyte membrane or the porous electrode substrate, and when a solvent is added to the paste, the solvent is removed and a catalyst layer is formed by a conventional method.

触媒層は、電解質膜及び電極基材の少なくとも一方に形成されるが、電解質膜の両面を電極基材で挟み、ホットプレスすることで膜・電極接合体を得ることができる。ホットプレス時の温度は、使用する電解質膜、又は触媒ペースト中の成分、フッ素樹脂の種類や配合比によって適宜選択されるが、望ましい温度範囲は50〜200℃、より望ましくは80〜180℃である。50℃未満であると接合が不十分であるおそれがあり、200℃を超えると電解質膜又は触媒層中の樹脂成分が劣化するおそれがある。加圧レベルに関しては、電解質膜及び/又は触媒ペースト中の成分、フッ素樹脂の種類や配合比、多孔質電極基材の種類によって適宜選択されるが、望ましい加圧範囲は1〜100kgf/cm2、より望ましくは10〜100kgf/cm2である。1kgf/cm2未満であると接合が不十分であるおそれがあり、100kgf/cm2を超えると触媒層や電極基材の空孔度が減少し、性能が劣化するおそれがある。 The catalyst layer is formed on at least one of the electrolyte membrane and the electrode substrate, and the membrane / electrode assembly can be obtained by sandwiching both surfaces of the electrolyte membrane with the electrode substrate and hot pressing. The temperature during hot pressing is appropriately selected depending on the components in the electrolyte membrane or catalyst paste to be used, the type of fluorine resin, and the mixing ratio, but the desirable temperature range is 50 to 200 ° C, more desirably 80 to 180 ° C. is there. If it is less than 50 ° C, bonding may be insufficient, and if it exceeds 200 ° C, the resin component in the electrolyte membrane or the catalyst layer may be deteriorated. The pressure level is appropriately selected depending on the components in the electrolyte membrane and / or the catalyst paste, the type and blending ratio of the fluororesin, and the type of the porous electrode substrate, but the preferable pressure range is 1 to 100 kgf / cm 2. More desirably, it is 10 to 100 kgf / cm 2 . If it is less than 1 kgf / cm 2 , the bonding may be insufficient, and if it exceeds 100 kgf / cm 2 , the porosity of the catalyst layer and the electrode substrate may decrease, and the performance may deteriorate.

このようにして、図1に示すような膜電極接合体が得られる。ここで、図1において、1はカーボンペーパー、カーボンクロス等からなる多孔質電極基材2と触媒層3とからなるカソード(空気極)、4はカーボンペーパー、カーボンクロス等からなる多孔質電極基材5と触媒層6とからなるアノード(燃料極)、7は固体高分子電解質膜である。なおこの場合、触媒層3と多孔質電極基材2との間、及び触媒層6と多孔質電極基材5との間にそれぞれ撥水層を介在させることができる。   In this way, a membrane electrode assembly as shown in FIG. 1 is obtained. Here, in FIG. 1, 1 is a cathode (air electrode) made up of a porous electrode substrate 2 made of carbon paper, carbon cloth, etc. and a catalyst layer 3, and 4 is a porous electrode base made up of carbon paper, carbon cloth, etc. An anode (fuel electrode) 7 composed of the material 5 and the catalyst layer 6 is a solid polymer electrolyte membrane. In this case, a water repellent layer can be interposed between the catalyst layer 3 and the porous electrode substrate 2 and between the catalyst layer 6 and the porous electrode substrate 5, respectively.

本発明のダイレクトメタノール型燃料電池は、上記膜電極接合体を用いる以外は公知の手法に従って構成されるが、本発明においては燃料極に供給するメタノール水溶液燃料として、該燃料中のメタノール濃度を30質量%以上100質量部以下、好ましくは40〜100質量%、更に好ましくは50〜100質量%とするもので、このように高メタノール濃度とすることにより、高出力密度が達成される。この場合、上述した膜電極接合体の使用により、燃料極側から空気極側へのメタノールの透過による出力の低下が小さく、高メタノール濃度燃料の使用を可能にしたものである。   The direct methanol fuel cell of the present invention is constructed according to a known method except that the membrane electrode assembly is used. In the present invention, the methanol concentration in the fuel is 30 as the methanol aqueous solution fuel supplied to the fuel electrode. The mass density is 100% by mass or more, preferably 40 to 100% by mass, and more preferably 50 to 100% by mass. Thus, by setting the methanol concentration high, a high output density is achieved. In this case, the use of the membrane electrode assembly described above makes it possible to use a high-concentration fuel with a small reduction in output due to methanol permeation from the fuel electrode side to the air electrode side.

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated concretely, this invention is not restrict | limited to the following Example.

[実施例1]
[I]固体高分子電解質膜の合成
(1)スチレン−トリメトキシシリルスチレン共グラフト
縦5cm,横6cm,厚さ25μmのエチレン−テトラフルオロエチレン共重合膜(ノートン社製)に低電圧電子線照射装置(岩崎電気社製ライトビームL)で窒素雰囲気中,加速電圧100kVの電子線を吸収線量が50kGyになるように照射した。
アゾビスイソブチロニトリル15mgをトルエン7.5gに溶解して開始剤溶液を調製した。
三方コックを付けた試験管に、上記の膜とスチレン3.9g,トリメトキシシリルスチレン2.1g,開始剤溶液1.0g,トルエン17.0gを入れ、室温で0.5時間窒素バブリングした後、三方コックを閉じ、63℃オイルバス中,16時間グラフト重合した。
共グラフト膜をキシレン洗浄し、100℃,4時間減圧乾燥した。
グラフト前後の膜質量変化から次式により求めた全グラフト率は23質量%であった。
全グラフト率=(グラフト後膜質量−グラフト前膜質量)/グラフト前膜質量
また、IR吸収スペクトルのメトキシ基吸収強度から求めたトリメトキシシリルスチレンのグラフト率は5質量%であった。
[Example 1]
[I] Synthesis of solid polymer electrolyte membrane (1) Styrene-trimethoxysilylstyrene copolymer graft Low-voltage electron beam irradiation on an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer membrane (manufactured by Norton) having a length of 5 cm, a width of 6 cm, and a thickness of 25 μm An electron beam with an accelerating voltage of 100 kV was irradiated with an apparatus (light beam L manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.) in a nitrogen atmosphere so that the absorbed dose was 50 kGy.
An initiator solution was prepared by dissolving 15 mg of azobisisobutyronitrile in 7.5 g of toluene.
In a test tube equipped with a three-way cock, the above membrane, 3.9 g of styrene, 2.1 g of trimethoxysilylstyrene, 1.0 g of initiator solution, and 17.0 g of toluene were bubbled with nitrogen for 0.5 hours at room temperature. The three-way cock was closed and graft polymerization was performed in a 63 ° C. oil bath for 16 hours.
The co-graft membrane was washed with xylene and dried under reduced pressure at 100 ° C. for 4 hours.
The total graft ratio determined by the following formula from the change in the mass of the membrane before and after the grafting was 23% by mass.
Total graft ratio = (post-graft membrane mass−pre-graft membrane mass) / pre-graft membrane mass The graft rate of trimethoxysilylstyrene determined from the methoxy group absorption intensity in the IR absorption spectrum was 5% by mass.

(2)スチレン−トリメトキシシリルスチレン共グラフト膜の架橋
2M塩酸3gとN,N−ジメチルホルムアミド22gを混合した。
試験管に共グラフト膜と上記混合液を入れ、室温で5時間浸漬後、膜を減圧(5Torr)中200℃,3時間加熱して架橋した。
(2) Crosslinking of styrene-trimethoxysilylstyrene co-graft membrane 3 g of 2M hydrochloric acid and 22 g of N, N-dimethylformamide were mixed.
The co-graft membrane and the above mixed solution were placed in a test tube and immersed for 5 hours at room temperature, and then the membrane was crosslinked by heating at 200 ° C. for 3 hours in reduced pressure (5 Torr).

(3)架橋スチレン−トリメトキシシリルスチレン共グラフト膜のスルホン化
クロロスルホン酸0.6gとジクロロエタン25mLを混合してクロロスルホン酸/ジクロロエタン溶液を調製した。
ジムロート冷却管を付けた試験管に架橋膜と上記溶液を入れ、50℃オイルバス中,6時間スルホン化した。
スルホン化膜をジクロロエタンと純水で洗浄した。
ビーカーにスルホン化膜と純水300mLを入れ、50℃恒温槽中,22時間加水分解して電解質膜を得た。
電解質膜を純水洗浄し、100℃,3時間減圧乾燥した。
(3) Sulfonation of cross-linked styrene-trimethoxysilylstyrene cograft membrane 0.6 g of chlorosulfonic acid and 25 mL of dichloroethane were mixed to prepare a chlorosulfonic acid / dichloroethane solution.
The cross-linked membrane and the above solution were put into a test tube equipped with a Dimroth condenser, and sulfonated in a 50 ° C. oil bath for 6 hours.
The sulfonated membrane was washed with dichloroethane and pure water.
A sulfonated membrane and 300 mL of pure water were placed in a beaker and hydrolyzed in a thermostatic bath at 50 ° C. for 22 hours to obtain an electrolyte membrane.
The electrolyte membrane was washed with pure water and dried under reduced pressure at 100 ° C. for 3 hours.

[II]電解質膜の水透過係数及びメタノール透過係数の測定
32質量%メタノール水60mLと純水60mLを[I]で得られた電解質膜で隔離し、室温で、一定時間毎に、メタノール水側から膜を透過して純水側に出てきたメタノールの濃度とメタノール水側に残存するメタノールの濃度をガスクロマトグラフィーで定量して水透過係数及びメタノール透過係数を求めた。その結果を表1に示す。
[II] Measurement of Water Permeability Coefficient and Methanol Permeability Coefficient of Electrolyte Membrane 60 mL of 32 mass% methanol water and 60 mL of pure water are separated by the electrolyte membrane obtained in [I], and the methanol water side is separated at regular intervals at room temperature. The water permeation coefficient and the methanol permeation coefficient were determined by gas chromatography quantifying the concentration of methanol permeating through the membrane and exiting to the pure water side and the concentration of methanol remaining on the methanol water side. The results are shown in Table 1.

[III]膜電極接合体の作製
東レ社製カーボンペーパーTGP−H−060(商品名)に、ジョンソンマッセー社製PtRuブラックHiSPEC6000(商品名)とデュポン社製Nafion溶液(商品名)からなるペーストを、PtRuブラック量が7mg/cm2となるように塗布し、乾燥して燃料極用の触媒電極(A)を作製した。
同様に、東レ社製カーボンペーパーTGP−H−060(商品名)に、ジョンソンマッセー社製PtブラックHiSPEC1000(商品名)とデュポン社製Nafion溶液(商品名)からなるペーストを、Ptブラック量が7mg/cm2となるように塗布し、乾燥して空気極用の触媒電極(C)を作製した。
[I]の方法で作製した電解質膜を面積5cm2の触媒電極(A)と触媒電極(C)で挟み、150℃,50kgf/cm2でホットプレスし、膜電極接合体を得た。
[III] Production of Membrane Electrode Assembly A paste made of Johnson Massey's PtRu black HiSPEC6000 (trade name) and DuPont's Nafion solution (trade name) is added to Toray's carbon paper TGP-H-060 (trade name). The catalyst electrode (A) for the fuel electrode was prepared by applying the PtRu black amount to 7 mg / cm 2 and drying.
Similarly, paste made of Toray's carbon paper TGP-H-060 (trade name), Johnson Massey's Pt black HiSPEC 1000 (trade name) and DuPont's Nafion solution (trade name), with a Pt black amount of 7 mg. The catalyst electrode (C) for the air electrode was produced by applying the solution to / cm 2 and drying.
Sandwiched between the electrolyte membrane and the area of 5 cm 2 catalyst electrode prepared by the method of [I] (A) a catalyst electrode (C), 150 ℃, hot-pressed at 50 kgf / cm 2, to obtain a membrane electrode assembly.

[IV]発電評価
[III]の膜電極接合体をエレクトロケム社製燃料電池セルFC−05−01SP(商品名)に組み込み、燃料極側に濃度3〜100質量%のメタノール水を0.5mL/minで供給すると共に、空気極側に乾燥空気を0.44L/min(標準状態換算)で供給し30℃で発電した。発電出力はスクリブナー社製電子負荷装置890CL(商品名)で測定した。各メタノール濃度における最大出力密度を図2に示す。
[IV] Membrane / electrode assembly of power generation evaluation [III] is incorporated into a fuel cell FC-05-01SP (trade name) manufactured by Electrochem, and 0.5 mL of methanol water having a concentration of 3 to 100% by mass on the fuel electrode side. In addition to supplying at / min, dry air was supplied to the air electrode side at 0.44 L / min (standard state conversion) to generate electricity at 30 ° C. The power generation output was measured with an electronic load device 890CL (trade name) manufactured by Scribner. The maximum power density at each methanol concentration is shown in FIG.

[比較例1]パーフルオロ系電解質膜の膜電極接合体
実施例1の[III]と同様に、デュポン社製Nafion112(商品名)を面積5cm2の触媒電極(A)と触媒電極(C)で挟み、130℃,50kgf/cm2でホットプレスし、膜電極接合体を得た。この膜電極接合体について実施例1の[IV]と同条件で発電評価を実施した。
デュポン社製Nafion112の水透過係数及びメタノール透過係数を表1に、この膜電極接合体の発電評価結果を図2に示す。
[Comparative Example 1] Membrane electrode assembly of perfluoro-based electrolyte membrane In the same manner as [III] in Example 1, Nafion 112 (trade name) manufactured by DuPont was used as a catalyst electrode (A) and a catalyst electrode (C) having an area of 5 cm 2. And hot-pressed at 130 ° C. and 50 kgf / cm 2 to obtain a membrane / electrode assembly. This membrane / electrode assembly was subjected to power generation evaluation under the same conditions as [IV] of Example 1.
The water permeation coefficient and methanol permeation coefficient of Nafion 112 manufactured by DuPont are shown in Table 1, and the results of power generation evaluation of this membrane electrode assembly are shown in FIG.

Figure 2007329062
Figure 2007329062

電極・膜接合体の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of an electrode and membrane assembly. 実施例1及び比較例1のメタノール濃度における最大出力密度を示すグラフである。4 is a graph showing the maximum output density at a methanol concentration in Example 1 and Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 カソード
2 多孔質電極基材
3 触媒層
4 アノード
5 多孔質電極基材
6 触媒層
7 固体高分子電解質膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cathode 2 Porous electrode base material 3 Catalyst layer 4 Anode 5 Porous electrode base material 6 Catalyst layer 7 Solid polymer electrolyte membrane

Claims (4)

固体高分子電解質膜に燃料極及び空気極となる触媒電極を接合した燃料電池用膜電極接合体であって、燃料極に供給されるメタノール水溶液燃料中のメタノール濃度が30質量%以上であり、かつ固体高分子電解質膜の水透過係数がメタノール透過係数より大きいことを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池用膜電極接合体。   A membrane electrode assembly for a fuel cell in which a catalyst electrode to be a fuel electrode and an air electrode is joined to a solid polymer electrolyte membrane, wherein the methanol concentration in the methanol aqueous solution fuel supplied to the fuel electrode is 30% by mass or more, A membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell, wherein the water permeability coefficient of the solid polymer electrolyte membrane is larger than the methanol permeability coefficient. 固体高分子電解質膜の水透過係数がメタノール透過係数の3倍以上大きいことを特徴とする請求項1記載のダイレクトメタノール型燃料電池用膜電極接合体。   2. The membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein the water permeability coefficient of the solid polymer electrolyte membrane is at least 3 times larger than the methanol permeability coefficient. 固体高分子電解質膜が、放射線を照射した樹脂膜にラジカル重合性モノマーをグラフト重合することにより得られる固体高分子電解質膜であって、ラジカル重合性モノマーがアルコキシシリル基を有するラジカル重合性モノマーを含み、グラフト重合後にアルコキシシリル基の反応により架橋した固体高分子電解質膜であることを特徴とする請求項1又は2記載のダイレクトメタノール型燃料電池用膜電極接合体。   The solid polymer electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte membrane obtained by graft polymerization of a radical polymerizable monomer onto a resin film irradiated with radiation, wherein the radical polymerizable monomer has a radical polymerizable monomer having an alkoxysilyl group. The membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the membrane electrode assembly is a solid polymer electrolyte membrane that is crosslinked by a reaction of an alkoxysilyl group after graft polymerization. 請求項1,2又は3項記載の膜電極接合体を含み、燃料極に供給されるメタノール水溶液燃料中のメタノール濃度が30質量%以上であることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池。
A direct methanol fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the methanol concentration in the methanol aqueous solution fuel supplied to the fuel electrode is 30% by mass or more.
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