JP2009043674A - Electrolyte for fuel cell, electrolyte membrane, and membrane-electrode assembly - Google Patents

Electrolyte for fuel cell, electrolyte membrane, and membrane-electrode assembly Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte which has high density of a proton conductive group and excellent proton conductivity in addition to excellent dimensional stability and can preferably exhibit the proton conductivity under a nonaqueous environment. <P>SOLUTION: In the crystal proton conductive electrolyte, molecules of non-water-soluble and crystalline low-molecule sulfonic acid compounds 2a, 2b, which introduce sulfonic acid groups 4a, 4b into hydrophobic segments 3a, 3b made of non-water-soluble and crystalline low molecules, are regularly arranged, the sulfonic acid groups 4a, 4b of the respective molecules are adjoined with each other, and the hydrophobic segments 3a, 3b of the respective molecules are adjoined with each other. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に用いる電解質に関し、特に、プロトン伝導性電解質に関する。また、本発明は、該プロトン伝導性電解質を用いた電解質膜、及び、該電解質膜を含む膜電極接合体に関する。   The present invention relates to an electrolyte used in a fuel cell, and more particularly to a proton conductive electrolyte. The present invention also relates to an electrolyte membrane using the proton conductive electrolyte, and a membrane electrode assembly including the electrolyte membrane.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。電解質として固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. Solid polymer electrolyte fuel cells using a solid polymer electrolyte as an electrolyte have advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. Has been.

固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード(燃料極)では(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e …(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode (fuel electrode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water.

また、酸素を酸化剤とした場合、カソード(酸化剤極)では(2)式の反応が進行する。
2H + (1/2)O + 2e → HO …(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode (oxidant electrode).
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
The water produced at the cathode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside.

電解質膜の両面に電極を積層したものを膜電極接合体(MEA)という。電解質膜の両面に設けられて一対となる電極(すなわち燃料極及び酸化剤極)は、一般的に、電解質膜側から順に、触媒層、ガス拡散層が積層した構造を有しているものが多い。
触媒層は、通常、各電極における反応を促進する触媒成分、プロトン伝導路を形成する高分子電解質、及び電子伝導路を形成する導電性材料を含み、各電極反応の場となる部分である。触媒層に含まれる高分子電解質としては、上記電解質膜を形成する高分子電解質と同様のものが用いられることが多い。
一方、ガス拡散層は、導電性多孔質体からなり、触媒層への反応ガスの拡散及び電子伝導性を向上させることを目的として設けられている。
A laminate of electrodes on both sides of the electrolyte membrane is called a membrane electrode assembly (MEA). A pair of electrodes (that is, a fuel electrode and an oxidizer electrode) provided on both surfaces of the electrolyte membrane generally have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in order from the electrolyte membrane side. Many.
The catalyst layer usually includes a catalyst component that promotes a reaction in each electrode, a polymer electrolyte that forms a proton conduction path, and a conductive material that forms an electron conduction path, and is a portion that serves as a field for each electrode reaction. As the polymer electrolyte contained in the catalyst layer, the same polymer electrolyte as that for forming the electrolyte membrane is often used.
On the other hand, the gas diffusion layer is made of a conductive porous body and is provided for the purpose of improving the diffusion of the reaction gas into the catalyst layer and the electronic conductivity.

プロトン伝導性を高めることによって燃料電池の発電特性を向上させることができるため、プロトン伝導度を向上させるために、様々な試みがなされてきた。
例えば、特許文献1に代表されるような、燃料電池用の電解質にスルホン酸基等のプロトン伝導性基を大量に導入する手法が挙げられる。特許文献1には、高分子電解質膜を、触媒を含む1対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜電極構造体において、前記高分子電解質膜が特定のスルホン酸基を導入する構成単位と特定の疎水性の構成単位とを含有するポリアリーレン系重合体からなる固体高分子型燃料電池用膜電極構造体が開示されている。
また、従来の高分子電解質は、プロトン伝導性基が高分子主鎖にランダムに導入されていたが、特許文献2に代表されるような、ブロック共重合を用いる手法などにより部分的に集中して電解質におけるスルホン酸基等のプロトン伝導性基の密度を高めることが試みられてきた。特許文献2には、特定の芳香族系ポリマーからなり、該ポリマーイオン交換容量(IEC)が2.0meq/g以上のスルホン酸基含有ポリマーであり、80℃、相対湿度95%の雰囲気下でのスルホン酸基あたりの水分子数としての吸湿率(λ)が、IEC×6−2の関係式よりも小さい値を示すスルホン酸基含有高分子化合物が開示されている。
Since the power generation characteristics of the fuel cell can be improved by increasing the proton conductivity, various attempts have been made to improve the proton conductivity.
For example, as represented by Patent Document 1, a technique of introducing a large amount of proton conductive groups such as sulfonic acid groups into an electrolyte for a fuel cell can be mentioned. In Patent Document 1, in a membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes containing a catalyst, the polymer electrolyte membrane introduces a specific sulfonic acid group. A membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell comprising a polyarylene polymer containing a unit and a specific hydrophobic structural unit is disclosed.
Further, in the conventional polymer electrolyte, proton conductive groups are randomly introduced into the polymer main chain, but it is partially concentrated by a technique using block copolymerization as represented by Patent Document 2. Thus, attempts have been made to increase the density of proton conductive groups such as sulfonic acid groups in the electrolyte. Patent Document 2 discloses a sulfonic acid group-containing polymer composed of a specific aromatic polymer and having a polymer ion exchange capacity (IEC) of 2.0 meq / g or more under an atmosphere of 80 ° C. and a relative humidity of 95%. A sulfonic acid group-containing polymer compound in which the moisture absorption rate (λ) as the number of water molecules per sulfonic acid group is smaller than the relational expression of IEC × 6-2 is disclosed.

しかしながら、自動車用燃料電池用電解質には、電池の耐久性の観点から寸法安定性と、上述したような電池の発電性能の観点から高いプロトン伝導性という背反する特性が求められ、親水性であるスルホン酸基等のプロトン伝導性基の導入量を増加すると、吸水量が増加するため、耐熱水性や靭性が低下することから、上記例示したようなプロトン伝導性基を高密度にする手法には限界があった。   However, electrolytes for automobile fuel cells are required to have the contradictory characteristics of dimensional stability from the viewpoint of battery durability and high proton conductivity from the viewpoint of power generation performance of the battery as described above, and are hydrophilic. When the amount of proton conductive groups such as sulfonic acid groups is increased, the amount of water absorption increases, and the hot water resistance and toughness decrease. There was a limit.

一方で、従来用いられている主な電解質膜は水を含んだ状態でプロトン伝導性を発現するが、そのためには加湿装置などが必要である。システムの簡略化の観点から、高温で低加湿又は無加湿の環境で作動する電解質膜が求められている。
また、従来の高分子電解質においては、プロトン伝導のために水和によるプロトン解離が必要であるため、無水環境下においてプロトン伝導させるということは困難であった。
On the other hand, main electrolyte membranes that have been conventionally used exhibit proton conductivity in a state of containing water, but a humidifier or the like is necessary for that purpose. From the viewpoint of simplifying the system, there is a need for an electrolyte membrane that operates in a high-temperature, low-humidified or non-humidified environment.
Further, in conventional polymer electrolytes, proton dissociation by hydration is necessary for proton conduction, and it is difficult to conduct proton conduction in an anhydrous environment.

本発明者らは、従来の高分子固定型スルホン酸/水系のプロトン伝導機構を有する高分子電解質(スルホン酸基などのプロトン伝導性基が水を介してプロトン伝導を行う高分子電解質)に代えて、非水溶性の結晶性低分子にスルホン酸基等のプロトン伝導性基を導入し結晶化させた電解質によって、上述した問題を生じさせずに、プロトン伝導性基の密度を高め、無水環境下においてプロトン伝導を向上させることができることを見出した。   The present inventors have replaced a polymer electrolyte having a proton conduction mechanism of a conventional polymer-fixed sulfonic acid / water system (a polymer electrolyte in which a proton conductive group such as a sulfonic acid group conducts proton conduction through water). In addition, the electrolyte obtained by introducing a proton conductive group such as a sulfonic acid group into a water-insoluble crystalline low molecule and crystallizing it increases the density of the proton conductive group without causing the above-mentioned problems, It has been found that proton conduction can be improved below.

特開2006−32179号公報JP 2006-32179 A 特許第3651683号公報Japanese Patent No. 3655163

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、その第一の目的は、優れた寸法安定性を有しながらプロトン伝導性基の密度が高くプロトン伝導性に優れ、さらに望ましくは、無水環境下においてもプロトン伝導性が発現する電解質を提供することである。
また、本発明の第ニの目的は、優れた寸法安定性を有しながらプロトン伝導性基の密度が高くプロトン伝導性に優れ、且つ、無水環境下においてプロトン伝導性が発現する燃料電池用電解質膜を提供することである。
また、本発明の第三の目的は、上記電解質膜を含む、燃料電池用膜電極接合体を提供することである。
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and its first object is to have a high proton conductive group density and excellent proton conductivity while having excellent dimensional stability, and more preferably anhydrous. To provide an electrolyte that exhibits proton conductivity even in an environment.
The second object of the present invention is to provide an electrolyte for a fuel cell that has excellent dimensional stability, has a high density of proton conductive groups, is excellent in proton conductivity, and exhibits proton conductivity in an anhydrous environment. It is to provide a membrane.
The third object of the present invention is to provide a fuel cell membrane electrode assembly including the electrolyte membrane.

上記目的を達成するために、本発明は、非水溶性且つ結晶性の低分子からなる疎水性セグメントにスルホン酸基を導入してなる、それ自体が非水溶性且つ結晶性の低分子スルホン酸化合物の分子が規則的に配列し、その配列中において、当該各分子のスルホン酸基が互いに隣接し、且つ、当該各分子の疎水性セグメントが互いに隣接してなる、結晶質のプロトン伝導性電解質を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a low-molecular-weight sulfonic acid which is itself water-insoluble and crystalline, which is obtained by introducing a sulfonic acid group into a hydrophobic segment composed of a non-water-soluble and low-crystalline molecule. A crystalline proton conducting electrolyte in which molecules of a compound are regularly arranged, in which the sulfonic acid groups of the molecules are adjacent to each other and the hydrophobic segments of the molecules are adjacent to each other I will provide a.

本発明においては、非水溶性且つ結晶性の低分子からなる疎水性セグメントにスルホン酸基を導入してなる、それ自体が非水溶性且つ結晶性の低分子スルホン酸化合物の分子が規則的に配列しているため、吸水及び/又は膨潤による変形が少なく、寸法安定性に優れる。また、その結晶性である低分子スルホン酸化合物の配列中において、当該各分子のスルホン酸基が互いに隣接し、且つ、当該各分子の疎水性セグメントが互いに隣接しているので、規則的に効率よくプロトン伝導性基を配列することができ、プロトン伝導性基の密度を増加させ、プロトン伝導性を高めることができる。さらに、プロトン伝導性基同士の間隔を短く配列できるため、ホッピング機構による無水プロトン伝導が期待でき、電解質の無水環境下における使用が可能となる。   In the present invention, the sulfonic acid group is introduced into a hydrophobic segment composed of a water-insoluble and crystalline low molecule, and the molecules of the water-insoluble and crystalline low-molecular weight sulfonic acid compound are regularly arranged. Since they are arranged, deformation due to water absorption and / or swelling is small, and dimensional stability is excellent. In addition, in the arrangement of the low-molecular sulfonic acid compound that is crystalline, the sulfonic acid groups of the respective molecules are adjacent to each other and the hydrophobic segments of the respective molecules are adjacent to each other. It is possible to arrange proton conductive groups well, increase the density of proton conductive groups, and increase proton conductivity. Furthermore, since the space | interval of proton conductive groups can be arranged short, the anhydrous proton conduction by a hopping mechanism can be anticipated, and the use in the anhydrous environment of an electrolyte is attained.

本発明のプロトン伝導性電解質においては、互いに隣接する前記スルホン酸基同士の間隔を4Å以下とすることができる。   In the proton conductive electrolyte of the present invention, the interval between the sulfonic acid groups adjacent to each other can be set to 4 mm or less.

本発明のプロトン伝導性電解質における前記疎水性セグメントは、以下のいずれかを含む化学構造を有することが好ましい:
フッ素系炭化水素、又は、
芳香族環を有する芳香族炭化水素(ただし、異種原子を含んでいても良い)。
The hydrophobic segment in the proton conducting electrolyte of the present invention preferably has a chemical structure including any of the following:
Fluorinated hydrocarbons, or
Aromatic hydrocarbons having an aromatic ring (however, they may contain hetero atoms).

また、前記疎水性セグメントは、前記フッ素系炭化水素又は前記芳香族炭化水素に、さらにスルホン酸基が連結するスペーサー基を備えた化学構造を有していてもよい。   Further, the hydrophobic segment may have a chemical structure provided with a spacer group to which a sulfonic acid group is linked to the fluorine-based hydrocarbon or the aromatic hydrocarbon.

また、本発明は、上述したプロトン伝導性電解質を含有することを特徴とする燃料電池用電解質膜を提供する。   The present invention also provides an electrolyte membrane for a fuel cell comprising the above-described proton conductive electrolyte.

前記電解質膜は、バインダー樹脂を含有することができる。   The electrolyte membrane can contain a binder resin.

さらに、本発明は、電解質膜、該電解質膜の一面側に設けられた燃料極と他面側に設けられた酸化剤極からなる一対の電極を備える燃料電池用膜電極接合体であって、当該電解質膜が上述したプロトン伝導性電解質を含有することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体を提供する。   Furthermore, the present invention is a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising an electrolyte membrane, a pair of electrodes comprising a fuel electrode provided on one surface side of the electrolyte membrane and an oxidant electrode provided on the other surface side, Provided is a membrane electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the electrolyte membrane contains the proton conductive electrolyte described above.

本発明に係るプロトン伝導性電解質によれば、優れた寸法安定性を有しながらプロトン伝導性基の密度が高くプロトン伝導性に優れ、さらに無水環境下においてもプロトン伝導性を発現させる。
さらに、本発明に係る燃料電池用電解質膜によれば、優れた寸法安定性を有しながらプロトン伝導性基の密度が高くプロトン伝導性に優れ、さらに無水環境下においてプロトン伝導性を発現させる。また、本発明のプロトン伝導性電解質膜は、従来の固体高分子電解質型燃料電池の高分子電解質膜と同様に使用することができる。
さらに、本発明に係る燃料電池用膜電極接合体によれば、寸法安定性に優れる上記電解質膜を含むため、破損や劣化が生じ難く、長期使用における耐久性を有する。また、本発明の膜電極接合体に含まれる上記電解質膜はプロトン伝導性が高いため、燃料電池に用いた場合には、発電特性にも優れる。さらに本発明の膜電極接合体を燃料電池に用いた場合には、無水環境下においてプロトン伝導性が発現される。
According to the proton conductive electrolyte according to the present invention, while having excellent dimensional stability, the density of the proton conductive group is high, the proton conductivity is excellent, and the proton conductivity is exhibited even in an anhydrous environment.
Furthermore, according to the electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention, the proton conductive group has a high density and excellent proton conductivity while having excellent dimensional stability, and further exhibits proton conductivity in an anhydrous environment. Moreover, the proton conductive electrolyte membrane of the present invention can be used in the same manner as the polymer electrolyte membrane of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell.
Furthermore, according to the membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention, since the electrolyte membrane having excellent dimensional stability is included, it is difficult to be damaged or deteriorated and has durability in long-term use. Moreover, since the electrolyte membrane contained in the membrane electrode assembly of the present invention has high proton conductivity, it is excellent in power generation characteristics when used in a fuel cell. Further, when the membrane electrode assembly of the present invention is used for a fuel cell, proton conductivity is exhibited in an anhydrous environment.

本発明により提供される電解質は、非水溶性且つ結晶性の低分子からなる疎水性セグメントにスルホン酸基を導入してなる、それ自体が非水溶性且つ結晶性の低分子スルホン酸化合物の分子が規則的に配列し、その配列中において、当該各分子のスルホン酸基が互いに隣接し、且つ、当該各分子の疎水性セグメントが互いに隣接してなる、結晶質のプロトン伝導性電解質であることを特徴とするものである。
本発明のプロトン伝導性電解質は、低分子スルホン酸化合物の疎水性セグメントが低分子スルホン酸化合物の分子の結晶化により規則的且つ高密度に配列され、さらに、低分子スルホン酸化合物の分子自体が非水溶性、すなわちプロトン伝導性電解質全体としても非水溶性であるため、水を吸収し難く、吸水による膨潤がもたらす変形が少ないことから、寸法安定性に優れる。
また、結晶性である低分子スルホン酸化合物が、スルホン酸基を高密度且つ規則的に配列させた構造を有することによって、高いプロトン伝導性を有する。さらに、スルホン酸基同士が密集した部分を有するため、ホッピング機構による無水プロトン伝導が期待でき、本発明のプロトン伝導性電解質を無水環境下において使用することができる。
The electrolyte provided by the present invention is a molecule of a low-molecular-weight sulfonic acid compound, which is itself water-insoluble and crystalline, formed by introducing a sulfonic acid group into a hydrophobic segment composed of a non-water-soluble and low-crystalline molecule. Is a crystalline proton-conducting electrolyte in which the sulfonic acid groups of the molecules are adjacent to each other and the hydrophobic segments of the molecules are adjacent to each other. It is characterized by.
In the proton conductive electrolyte of the present invention, the hydrophobic segments of the low molecular weight sulfonic acid compound are regularly and densely arranged by crystallization of the molecules of the low molecular weight sulfonic acid compound. Since it is water-insoluble, that is, water-insoluble as a whole, the proton-conducting electrolyte is difficult to absorb water, and is less deformed by swelling due to water absorption.
Moreover, the low molecular weight sulfonic acid compound that is crystalline has high proton conductivity because it has a structure in which sulfonic acid groups are regularly arranged at high density. Furthermore, since the sulfonic acid groups have a dense portion, anhydrous proton conduction by a hopping mechanism can be expected, and the proton conducting electrolyte of the present invention can be used in an anhydrous environment.

ここで、低分子とは、分子量200〜1600、好ましくは200〜1250、さらに好ましくは200〜1100の分子を意味する。上記下限値は、最も単純な系であるCFCFSOHの分子量を考慮して決定された。また、上記上限値は以下のように決定した。従来の高分子電解質膜を用いる場合には、プロトン伝導基の密度を高めることでプロトン伝導性を向上させていた。図1は既存のフッ素系電解質膜のプロトン伝導度をEWに対してプロットしたものである。従来の高分子電解質膜を用いる場合には、電解質膜の製法上、EWは700が最低であり、プロトン伝導度は0.27S/cmが最大と考えられる。これ以上プロトン伝導基の密度を高めると、流動性の高い状態となり、膜の形状を維持することが困難である。一方、高分子は分子配向により物性に異方性が出ることが知られているが、公知の物性向上の例では、磁場配向したカーボンフィラーを充填した樹脂の熱伝導性が、無配向試料と比較して6倍になることが知られている。また、高分子繊維では、紡糸方向に分子配向させることにより弾性率が20倍に向上することが知られている。これらをふまえて、本出願の低分子電解質において、配向によりプロトン伝導性を6倍又は20倍に向上させることができると仮定すると、上述した高分子電解質の配向・無配向における物性向上の例を参照して、該低分子電解質の無配向状態での伝導度はそれぞれ配向状態の1/6及び1/20で十分であるはずである。本出願の配向した低分子電解質において、上記高分子電解質膜のプロトン伝導基密度最大の伝導度を得ると考えた場合に、図1のグラフより、低分子電解質の無配向状態での伝導度は、上記高分子電解質膜のプロトン伝導基密度最大の伝導度の1/6及び1/20、それに相当するEWは1250及び1600となる。このようなEWはスルホン酸基1分子あたりの電解質の分子量であり、本出願で扱う低分子電解質に近似できると考える。以上の考察により、分子の上限を1600、望ましくは1250と設定し、更に望ましくは1100(配向配列の効果がない場合の既存Nafion112のEWに相当)と設定した。
さらに、プロトン伝導性電解質における結晶質とは、結晶性の分子が整列して結晶状態にあることをいう。
規則的に配列とは、分子の配向、分子間の位置関係及び距離に規則性があることをいい、その配列としては、代表的には、低分子スルホン酸化合物の分子がスルホン酸基を1つ有する場合であって、図2及び図3に模式的に示したような配列が挙げられる。分子表面特性が大きく異なる2つ又はそれ以上の分子部分を有する分子(低分子スルホン酸化合物の分子)が、隣接する分子の分子部分(疎水性セグメント、スルホン酸基)の分子表面を認識し合い、同じ表面特性の分子部分同士が層を構成するように集合した状態にある。
Here, the low molecule means a molecule having a molecular weight of 200 to 1600, preferably 200 to 1250, and more preferably 200 to 1100. The lower limit value was determined in consideration of the molecular weight of CF 3 CF 2 SO 3 H, which is the simplest system. Moreover, the said upper limit was determined as follows. When a conventional polymer electrolyte membrane is used, proton conductivity is improved by increasing the density of proton conductive groups. FIG. 1 is a plot of proton conductivity of an existing fluorine-based electrolyte membrane against EW. In the case of using a conventional polymer electrolyte membrane, it is considered that 700 is the lowest EW and 0.27 S / cm is the highest proton conductivity in terms of the production method of the electrolyte membrane. If the density of the proton conductive group is further increased, it becomes a highly fluid state and it is difficult to maintain the shape of the membrane. On the other hand, polymers are known to have anisotropy in physical properties due to molecular orientation, but in a known example of improving physical properties, the thermal conductivity of a resin filled with a magnetically oriented carbon filler is different from that of a non-oriented sample. It is known that it becomes six times as compared. Moreover, it is known that the elastic modulus of a polymer fiber is improved 20 times by molecular orientation in the spinning direction. Based on these, in the low molecular electrolyte of the present application, assuming that the proton conductivity can be improved by 6 times or 20 times depending on the orientation, examples of the above-described physical property improvement in the orientation / non-orientation of the polymer electrolyte For reference, the conductivity of the low molecular electrolyte in the non-oriented state should be 1/6 and 1/20 of the oriented state, respectively. In the oriented low molecular electrolyte of the present application, when it is considered that the maximum conductivity of the proton conductive group density of the polymer electrolyte membrane is obtained, from the graph of FIG. The proton conductive group density of the polymer electrolyte membrane is 1/6 and 1/20 of the maximum conductivity, and the corresponding EWs are 1250 and 1600. Such EW is the molecular weight of the electrolyte per molecule of the sulfonic acid group, and can be approximated to the low molecular electrolyte handled in this application. Based on the above considerations, the upper limit of the molecule was set to 1600, preferably 1250, and more preferably 1100 (equivalent to the EW of the existing Nafion 112 when there is no effect of orientation alignment).
Furthermore, crystalline in the proton conductive electrolyte means that crystalline molecules are aligned and in a crystalline state.
The regular arrangement means that there is regularity in the orientation of molecules, the positional relationship between the molecules and the distance. Typically, as the arrangement, the molecule of the low molecular weight sulfonic acid compound has 1 sulfonic acid group. And the arrangement as schematically shown in FIG. 2 and FIG. Molecules with two or more molecular parts that have very different molecular surface properties (molecules of low-molecular sulfonic acid compounds) recognize each other's molecular surface (hydrophobic segment, sulfonic acid group). In this state, molecular parts having the same surface characteristics are assembled to form a layer.

以下、図2及び図3を用いて本発明のプロトン伝導性電解質を詳しく説明する。
図2に示す第1実施形態は、非水溶性且つ結晶性の低分子からなる疎水性セグメント3にスルホン酸基4を導入してなる、それ自体が非水溶性且つ結晶性の低分子スルホン酸化合物2の分子が規則的に配列し、その配列中において、当該各分子のスルホン酸基4が互いに隣接し、且つ、当該各分子の疎水性セグメント3が互いに隣接しているプロトン伝導性電解質1である。当該各分子のスルホン酸基4が隣接し合うスルホン酸基の密集部と、当該各分子の疎水性セグメント3が隣接し合う密集部が交互に且つ周期的に存在する。具体的には、図2に示すa列においては、各低分子スルホン酸化合物2(2a)のスルホン酸基4(4a)が同じ方向を向いて整列し、隣接するb列においても各低分子スルホン酸化合物2(2b)のスルホン酸基4(4b)が同じ方向を向いて整列し、a列のスルホン酸基4aとb列のスルホン酸基4bが対向する形態である。結晶内において、低分子スルホン酸化合物の分子の配向が反転する相(a列、b列)が交互に位置する。
Hereinafter, the proton conductive electrolyte of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
In the first embodiment shown in FIG. 2, a sulfonic acid group 4 is introduced into a hydrophobic segment 3 composed of a water-insoluble and crystalline low molecule, and itself is a water-insoluble and crystalline low-molecular sulfonic acid. The proton conducting electrolyte 1 in which the molecules of the compound 2 are regularly arranged, in which the sulfonic acid groups 4 of the molecules are adjacent to each other and the hydrophobic segments 3 of the molecules are adjacent to each other It is. The dense part of the sulfonic acid group in which the sulfonic acid group 4 of each molecule adjoins and the dense part of the molecule in which the hydrophobic segment 3 adjoins alternately and periodically exist. Specifically, in row a shown in FIG. 2, the sulfonic acid groups 4 (4a) of the respective low molecular weight sulfonic acid compounds 2 (2a) are aligned in the same direction, and each low molecule is also displayed in the adjacent row b. The sulfonic acid groups 4 (4b) of the sulfonic acid compound 2 (2b) are aligned in the same direction, and the sulfonic acid groups 4a in the a row and the sulfonic acid groups 4b in the b row are opposed to each other. In the crystal, phases (a row and b row) in which the orientation of the molecules of the low molecular weight sulfonic acid compound is reversed are alternately located.

非水溶性且つ結晶性の低分子スルホン酸化合物2とは、非水溶性の結晶性低分子(疎水性セグメント3)にスルホン酸基4を導入してなる、それ自体も非水溶性と結晶性を有する低分子のスルホン酸化合物である。
疎水性セグメント3は、非水溶性且つ結晶性の低分子からなる。このため、本発明のプロトン伝導性電解質1を、スルホン酸基が高密度且つ規則的に配列された構造にすることができ、プロトン伝導性電解質1は吸水及び/又は膨潤による変形が少なく、高いプロトン伝導性を有する。疎水性セグメント3は、以下のいずれかを含む化学構造を有することが好ましい:フッ素系炭化水素、又は、芳香族環(縮合環は環一つと数える)を有する芳香族炭化水素(ただし、異種原子を含んでいても良い)。
ここで、異種原子とは、炭素及び水素以外の原子のことをいう。
The water-insoluble and crystalline low-molecular sulfonic acid compound 2 is formed by introducing a sulfonic acid group 4 into a water-insoluble crystalline low-molecular molecule (hydrophobic segment 3). Is a low molecular weight sulfonic acid compound.
The hydrophobic segment 3 is composed of a water-insoluble and crystalline low molecule. For this reason, the proton conductive electrolyte 1 of the present invention can have a structure in which sulfonic acid groups are regularly arranged in high density, and the proton conductive electrolyte 1 is less deformed due to water absorption and / or swelling and is high. Proton conductivity. The hydrophobic segment 3 preferably has a chemical structure including any of the following: a fluorine-based hydrocarbon, or an aromatic hydrocarbon having an aromatic ring (a condensed ring is counted as one ring) (however, a heteroatom) May be included).
Here, the heteroatom means an atom other than carbon and hydrogen.

前記疎水性セグメント3は、前記フッ素系炭化水素又は前記芳香族炭化水素に、さらにスルホン酸基が連結するスペーサー基を備えた化学構造を有することができる。スペーサー基を備えることで、寸法安定性などを向上させることができる。
互いに隣接するスルホン酸基(SO3H)4同士の間隔は、4Å以下である。
The hydrophobic segment 3 may have a chemical structure provided with a spacer group to which a sulfonic acid group is linked to the fluorinated hydrocarbon or the aromatic hydrocarbon. By providing the spacer group, dimensional stability and the like can be improved.
The interval between adjacent sulfonic acid groups (SO 3 H) 4 is 4 mm or less.

従来、プロトン伝導性は電解質膜が水を含む状態で、水を介してプロトン伝導性基間でプロトンが移動することによって発現していたが、本発明においては、プロトン伝導性基同士の間隔を短く配列できるため、プロトンが隣り合うスルホン酸基を移動するホッピング機構によるプロトン伝導が期待でき、電解質を無水条件下で使用することができる。   Conventionally, proton conductivity has been expressed by protons moving between proton conductive groups via water in a state where the electrolyte membrane contains water. In the present invention, the interval between proton conductive groups is increased. Since it can be arranged short, proton conduction can be expected by a hopping mechanism in which protons move between adjacent sulfonic acid groups, and the electrolyte can be used under anhydrous conditions.

本発明のプロトン伝導性電解質は、上述した同様の構成要素を以て、図3に示すような異なる配列を有する形態であってもよい。
図3に示す第2実施形態は、非水溶性且つ結晶性の低分子からなる疎水性セグメント3にスルホン酸基4を導入してなる、それ自体が非水溶性且つ結晶性の低分子スルホン酸化合物2の分子が規則的に配列し、その配列中において、当該各分子のスルホン酸基4が互いに隣接し、且つ、当該各分子の疎水性セグメント3が互いに隣接しているプロトン伝導性電解質1である。当該各分子のスルホン酸基4が隣接し合うスルホン酸基の密集部と、当該各分子の疎水性セグメント3が隣接し合う密集部が交互に且つ周期的に存在する。具体的には、図3に示すa列においては、各低分子スルホン酸化合物2(2a)のスルホン酸基4(4a)の方向が互い違いになるように整列し、隣接するb列においても各低分子スルホン酸化合物2(2b)のスルホン酸基4(4b)の方向が互い違いになるように整列し、対向するa列のスルホン酸基4aとb列のスルホン酸基4bが一列に整列するように組み合わされた形態である。結晶内において、a列及びb列のそれぞれにおいて、分子の配向を交互に反転して低分子スルホン酸化合物の分子が位置する。
尚、上述した実施形態はあくまでも例示であって、本発明は上述した実施形態に限定されない。
The proton conductive electrolyte of the present invention may have a different arrangement as shown in FIG. 3 with the same components as described above.
In the second embodiment shown in FIG. 3, a sulfonic acid group 4 is introduced into a hydrophobic segment 3 composed of a water-insoluble and crystalline low molecule, and is itself a water-insoluble and crystalline low-molecular sulfonic acid. The proton conducting electrolyte 1 in which the molecules of the compound 2 are regularly arranged, in which the sulfonic acid groups 4 of the molecules are adjacent to each other and the hydrophobic segments 3 of the molecules are adjacent to each other It is. The dense part of the sulfonic acid group in which the sulfonic acid group 4 of each molecule adjoins and the dense part of the molecule in which the hydrophobic segment 3 adjoins alternately and periodically exist. Specifically, in the row a shown in FIG. 3, the sulfonic acid groups 4 (4 a) of the low molecular weight sulfonic acid compounds 2 (2 a) are arranged so that the directions thereof are staggered. The sulfonic acid groups 4 (4b) of the low molecular weight sulfonic acid compound 2 (2b) are aligned so that the directions of the sulfonic acid groups 4 (4b) are staggered. This is a combined form. In the crystal, molecules of the low molecular weight sulfonic acid compound are located in each of the rows a and b by alternately reversing the molecular orientation.
In addition, embodiment mentioned above is an illustration to the last, and this invention is not limited to embodiment mentioned above.

上述した本発明のプロトン伝導性電解質1は、燃料電池の電解質膜や触媒層に用いられるが、吸水時の変形が少ないことから、特に、燃料電池用電解質膜に好適に用いられる。
燃料電池用電解質膜は、上記のような高分子電解質を1種のみ含むものであっても、又は2種以上含ものであってもよい。また、導入されるプロトン伝導性基は、1種であっても、2種以上であってもよい。また、必要に応じてその他の成分を含んでいてもよい。
また、本発明のプロトン伝導性電解質1を用いた電解質膜には、成形を補助する成分として、バインダー樹脂を含有させることができる。バインダー樹脂としては、熱可塑性樹脂を用いることができる。バインダー樹脂は、あくまでもプロトン伝導性電解質が連続相となるような成膜を補助する役割であるため、上記範囲外である場合には、本発明の効果を阻害する虞がある。
また、上記バインダー樹脂の代わりに、従来から電解質膜に用いられているフッ素系又は炭化水素系電解質を高プロトン伝導性充填材として用いることもできる。これにより、プロトン伝導性を改善することができ、また、電解質膜の力学特性及び/又は寸法安定性を改善することができる。従来から電解質膜に用いられているフッ素系又は炭化水素系電解質としては、例えば、フッ素系電解質としてナフィオン(商品名、デュポン社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、及び、炭化水素系電解質としてポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレン、ポリアミド、ポリシクロオレフィン等にイオン交換基が導入されたもの等が例示できる。
The proton conductive electrolyte 1 of the present invention described above is used for an electrolyte membrane or a catalyst layer of a fuel cell, and is particularly preferably used for an electrolyte membrane for a fuel cell because of less deformation at the time of water absorption.
The electrolyte membrane for a fuel cell may contain only one type of polymer electrolyte as described above, or may contain two or more types. Moreover, the proton conductive group to be introduced may be one type or two or more types. Moreover, the other component may be included as needed.
Further, the electrolyte membrane using the proton conductive electrolyte 1 of the present invention can contain a binder resin as a component for assisting molding. A thermoplastic resin can be used as the binder resin. Since the binder resin has a role of assisting film formation so that the proton conductive electrolyte becomes a continuous phase, there is a possibility that the effect of the present invention may be hindered when it is out of the above range.
Further, instead of the binder resin, a fluorine-based or hydrocarbon-based electrolyte conventionally used for an electrolyte membrane can be used as a high proton conductive filler. Thereby, proton conductivity can be improved, and the mechanical properties and / or dimensional stability of the electrolyte membrane can be improved. Conventional fluorine-based or hydrocarbon-based electrolytes used for electrolyte membranes include, for example, perfluorocarbon sulfonic acid resins such as Nafion (trade name, manufactured by DuPont) as a fluorine-based electrolyte, and polyelectrolytes as a hydrocarbon-based electrolyte. Examples include ether ether ketone, polyether sulfone, polyphenylene, polyamide, polycycloolefin and the like in which an ion exchange group is introduced.

燃料電池用電解質膜は、上記のようなプロトン伝導性電解質など必要な成分をメタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類や水等を適宜組み合わせた溶媒、又は、ジメチルスルホキシドやジメチルホルムアミド等の極性有機溶媒中に溶解又は分散させて電解質溶液とし、得られた溶液を基板等の表面や型に流延、乾燥することによって作製することができる。また、ガラス転移点以上の温度にて電解質を押し出し成型する方法によっても作製することができる。
燃料電池用電解質膜は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。
The electrolyte membrane for a fuel cell is a solvent in which necessary components such as the above proton conductive electrolyte are appropriately combined with alcohols such as methanol, ethanol and propanol and water, or polar organic solvents such as dimethyl sulfoxide and dimethylformamide It can be prepared by dissolving or dispersing in an electrolyte solution and casting and drying the obtained solution on the surface or mold of a substrate or the like. It can also be produced by a method of extruding an electrolyte at a temperature above the glass transition point.
The electrolyte membrane for a fuel cell can be reinforced with a perfluorocarbon polymer in the form of a fibril, a fabric, a non-fabric, or a porous sheet, or by coating the membrane surface with an inorganic oxide or a metal.

電解質膜の膜厚は、通常、10〜100μm程度でよい。電解質膜は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大し、甚だしい場合にはクロスリークが発生する。   The thickness of the electrolyte membrane is usually about 10 to 100 μm. The electrolyte membrane is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity, but if it is too thin, the function of sequestering gas decreases, the permeation amount of aprotic hydrogen increases, and if it is severe, cross leakage occurs. .

上述した本発明のプロトン伝導性電解質を含む電解質膜は、燃料電池用膜電極接合体に用いることができる。本発明の電解質膜は、従来の固体高分子電解質型燃料電池の高分子電解質膜と同様に使用することができるため、燃料電池用膜電極接合体の製造において、従来と比べて作業が煩雑になる虞は少ない。
図4を参酌しながら、以下に本発明の燃料電池用膜電極接合体について具体的に説明するが、本発明は、図4に示した形態に限定されるものではない。
図4は、本発明の膜電極接合体の一形態例を示す模式的断面図である。図4に示すように、電解質膜12は、一方の面にカソード(酸化剤極)15a、他方の面にアノード(燃料極)15bが設けられ、膜電極接合体11を形成している。本例において、カソード15aは、電解質膜側から順に、カソード側触媒層13a、カソード側ガス拡散層14aが積層した構造を有し、また、アノード15bは、電解質膜側から順に、アノード側触媒層13b、アノード側ガス拡散層14bが積層した構造を有する。
The above-described electrolyte membrane containing the proton conductive electrolyte of the present invention can be used for a membrane electrode assembly for fuel cells. Since the electrolyte membrane of the present invention can be used in the same manner as a polymer electrolyte membrane of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell, the production of a membrane electrode assembly for a fuel cell is more complicated than the conventional one. There is little possibility of becoming.
The fuel cell membrane electrode assembly of the present invention will be specifically described below with reference to FIG. 4, but the present invention is not limited to the form shown in FIG. 4.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of the membrane electrode assembly of the present invention. As shown in FIG. 4, the electrolyte membrane 12 is provided with a cathode (oxidant electrode) 15 a on one surface and an anode (fuel electrode) 15 b on the other surface to form a membrane electrode assembly 11. In this example, the cathode 15a has a structure in which a cathode side catalyst layer 13a and a cathode side gas diffusion layer 14a are laminated in order from the electrolyte membrane side, and the anode 15b has an anode side catalyst layer in order from the electrolyte membrane side. 13b and the anode side gas diffusion layer 14b are laminated.

触媒層13a、13bは触媒粒を含み、触媒粒の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質を含んでいてもよく、プロトン伝導性物質としては上記電解質膜の材料として用いられるものを用いることができる。触媒粒としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。
触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Pt、及びPtと例えばRuなど他の金属とからなる合金である。
The catalyst layers 13a and 13b include catalyst particles, and may include a proton conductive material for increasing the utilization efficiency of the catalyst particles. As the proton conductive material, one used as a material for the electrolyte membrane may be used. it can. As the catalyst particles, catalyst particles in which a catalyst component is supported on a conductive material such as a carbon material such as carbonaceous particles or carbonaceous fibers are preferably used.
The catalyst component is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction at the anode and the oxygen reduction reaction at the cathode. For example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, It can be selected from metals such as lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or alloys thereof. Pt and an alloy made of Pt and another metal such as Ru are preferable.

ガス拡散層14a、14bとしては、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする導電性材料を用いることができる。炭素質粒子及び炭素質繊維の大きさは、ガス拡散層を製造する際の溶液中における分散性や得られるガス拡散層の排水性等を考慮して適宜最適なものを選択すればよい。電解質膜の両面に設けられる各電極の構成、電極に用いられる材料等は、同じであってもよく、また、異なっていてもよい。ガス拡散層は、生成水など水分の排水性を高める点から、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマー、又はこれらの混合物等を含浸させたり、或いはこれらの物質を用いて撥水層を形成するなどして撥水加工することが好ましい。   As the gas diffusion layers 14a and 14b, a conductive material mainly composed of a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers can be used. The sizes of the carbonaceous particles and the carbonaceous fibers may be appropriately selected in consideration of the dispersibility in the solution when the gas diffusion layer is produced, the drainage property of the obtained gas diffusion layer, and the like. The configuration of each electrode provided on both surfaces of the electrolyte membrane, the material used for the electrode, etc. may be the same or different. The gas diffusion layer is, for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, perfluorocarbon alkoxyalkane, ethylene-tetrafluoroethylene polymer, or these from the point of improving the drainage of moisture such as generated water It is preferable to perform water-repellent processing by impregnating a mixture of the above or the like or forming a water-repellent layer using these substances.

燃料電池の膜電極接合体11を形成する方法としては、触媒成分と電解質と導電性材料とを、溶媒に溶解・分散させた触媒インクを用いる方法が一般的である。具体的には、例えば、ガス拡散層14a、14bとなる導電性多孔質体に触媒インクを塗布、乾燥したのち、該導電性多孔質体を触媒インクの塗布面を電解質膜側にして電解質膜12と加熱圧着する方法がある。或いは、電解質膜12の表面に触媒インクを塗布、乾燥したのち、当該電解質膜12を触媒インクの塗布面を導電性多孔質体側にして導電性多孔質体と加熱圧着する方法がある。或いは、ポリテトラフルオロエチレン等の基板上に触媒インクを塗布、乾燥したものを導電性多孔質体に転写し、さらに、この触媒層が形成された導電性多孔質体と電解質膜12とを加熱圧着する方法などもある。   As a method for forming the membrane electrode assembly 11 of the fuel cell, a method using a catalyst ink in which a catalyst component, an electrolyte, and a conductive material are dissolved and dispersed in a solvent is generally used. Specifically, for example, after applying the catalyst ink to the conductive porous body to be the gas diffusion layers 14a and 14b and drying, the conductive porous body is applied with the catalyst ink applied surface on the electrolyte membrane side. 12 and a method of thermocompression bonding. Alternatively, there is a method in which a catalyst ink is applied to the surface of the electrolyte membrane 12 and dried, and then the electrolyte membrane 12 is thermocompression bonded to the conductive porous body with the application surface of the catalyst ink facing the conductive porous body. Alternatively, a catalyst ink is applied on a substrate such as polytetrafluoroethylene, and the dried product is transferred to a conductive porous body. Further, the conductive porous body on which the catalyst layer is formed and the electrolyte membrane 12 are heated. There is also a method of crimping.

この膜電極接合体11は、図5に示すように、さらにセパレータ22a、22bで挟持され単セル21を形成する。セパレータ22としては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。セパレータ22には、通常、水を排出する溝である流路23a、23bが設けられる。
かかる構成を有する単セル21を、電気的に集合させてスタックを形成して容器に収納し、燃料電池を形成する。
As shown in FIG. 5, the membrane electrode assembly 11 is further sandwiched between separators 22 a and 22 b to form a single cell 21. As the separator 22, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fibers and made of a composite material with a resin, a metal separator using a metal material, or the like can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. . The separator 22 is usually provided with channels 23a and 23b that are grooves for discharging water.
The unit cells 21 having such a configuration are electrically assembled to form a stack and accommodated in a container to form a fuel cell.

低分子の分子量の上限値を説明するグラフである。It is a graph explaining the upper limit of the molecular weight of a low molecule. 本発明のプロトン伝導性電解質の第1実施形態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically 1st Embodiment of the proton conductive electrolyte of this invention. 本発明のプロトン伝導性電解質の第2実施形態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically 2nd Embodiment of the proton conductive electrolyte of this invention. 本発明の燃料電池用膜電極接合体の一形態例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of 1 form of the membrane electrode assembly for fuel cells of this invention. 本発明の燃料電池用膜電極接合体を含む単セルの一形態例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the single cell containing the membrane electrode assembly for fuel cells of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…プロトン伝導性電解質
2…低分子スルホン酸化合物(2a,2b)
3…疎水性セグメント(3a,3b)
4…スルホン酸基(4a,4b)
11…膜電極接合体
12…電解質膜
13…触媒層(13a:カソード側触媒層、13b:アノード側触媒層)
14…ガス拡散層(14a:カソード側ガス拡散層、14b:アノード側ガス拡散層)
15…電極(15a:カソード、15b:アノード)
22…セパレータ(22a:カソード側セパレータ、22b:アノード側セパレータ)
23…流路(23a、23b)
21…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Proton conductive electrolyte 2 ... Low molecular weight sulfonic acid compound (2a, 2b)
3 ... hydrophobic segment (3a, 3b)
4 ... sulfonic acid group (4a, 4b)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Membrane electrode assembly 12 ... Electrolyte membrane 13 ... Catalyst layer (13a: Cathode side catalyst layer, 13b: Anode side catalyst layer)
14 ... Gas diffusion layer (14a: cathode side gas diffusion layer, 14b: anode side gas diffusion layer)
15 ... Electrode (15a: cathode, 15b: anode)
22 ... Separator (22a: cathode side separator, 22b: anode side separator)
23 ... Flow path (23a, 23b)
21 ... Single cell

Claims (7)

非水溶性且つ結晶性の低分子からなる疎水性セグメントにスルホン酸基を導入してなる、それ自体が非水溶性且つ結晶性の低分子スルホン酸化合物の分子が規則的に配列し、その配列中において、当該各分子のスルホン酸基が互いに隣接し、且つ、当該各分子の疎水性セグメントが互いに隣接してなる、結晶質のプロトン伝導性電解質。   A sulfonic acid group is introduced into a hydrophobic segment composed of a water-insoluble and crystalline low molecule, and the molecules of the water-insoluble and crystalline low-molecular weight sulfonic acid compound are regularly arranged. A crystalline proton conductive electrolyte in which the sulfonic acid groups of each molecule are adjacent to each other and the hydrophobic segments of each molecule are adjacent to each other. 互いに隣接する前記スルホン酸基同士の間隔が4Å以下である、請求項1に記載のプロトン伝導性電解質。   The proton conductive electrolyte according to claim 1, wherein an interval between the sulfonic acid groups adjacent to each other is 4 mm or less. 前記疎水性セグメントが、以下のいずれかを含む化学構造を有する、請求項1又は2に記載のプロトン伝導性電解質:
フッ素系炭化水素、又は、
芳香族環を有する芳香族炭化水素(ただし、異種原子を含んでいても良い)。
The proton-conducting electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the hydrophobic segment has a chemical structure including any of the following:
Fluorinated hydrocarbons, or
Aromatic hydrocarbons having an aromatic ring (however, they may contain hetero atoms).
前記疎水性セグメントが、前記フッ素系炭化水素又は前記芳香族炭化水素に、さらにスルホン酸基が連結するスペーサー基を備えた化学構造を有する、請求項1乃至3のいずれかに記載のプロトン伝導性電解質。   The proton conductivity according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrophobic segment has a chemical structure provided with a spacer group to which a sulfonic acid group is linked to the fluorine-based hydrocarbon or the aromatic hydrocarbon. Electrolytes. 前記請求項1乃至4のいずれかに記載のプロトン伝導性電解質を含有することを特徴とする、燃料電池用電解質膜。   A fuel cell electrolyte membrane comprising the proton conductive electrolyte according to any one of claims 1 to 4. 電解質膜がバインダー樹脂を含有する、請求項5に記載の燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for fuel cells according to claim 5, wherein the electrolyte membrane contains a binder resin. 電解質膜、該電解質膜の一面側に設けられた燃料極と他面側に設けられた酸化剤極からなる一対の電極を備える燃料電池用膜電極接合体であって、当該電解質膜が前記請求項1乃至4のいずれかに記載のプロトン伝導性電解質を含有することを特徴とする、燃料電池用膜電極接合体。   A membrane electrode assembly for a fuel cell comprising an electrolyte membrane, a fuel electrode provided on one surface side of the electrolyte membrane and a pair of oxidant electrodes provided on the other surface side, wherein the electrolyte membrane is the claim Item 5. A fuel cell membrane electrode assembly comprising the proton conductive electrolyte according to any one of Items 1 to 4.
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