JP2010103079A - Polymer electrolyte, membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質、膜電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte, a membrane electrode assembly, and a fuel cell used for a solid polymer fuel cell.
近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を酸素などの酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ型、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに分類される。固体高分子型燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。
In recent years, fuel cells have attracted attention as effective solutions for environmental problems and energy problems. A fuel cell oxidizes a fuel such as hydrogen by using an oxidant such as oxygen and converts chemical energy associated therewith into electric energy.
Fuel cells are classified into alkali type, phosphoric acid type, solid polymer type, molten carbonate type, solid oxide type, etc., depending on the type of electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is operated at a low temperature, has a high output density, and can be reduced in size and weight. Therefore, it is expected to be applied as a portable power source, a household power source, and an in-vehicle power source. ing.
固体高分子型燃料電池(PEFC)の電解質としては、実用的な安定性を有するナフィオン(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系電解質や様々な炭化水素系電解質が用いられている。しかし、これらの電解質は高いプロトン伝導性を示すが、コストが高いという課題がある。 As electrolytes for polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), there are perfluoro-type electrolytes represented by Nafion (registered trademark of Nafion / DuPont), and various hydrocarbon-type electrolytes represented by practical stability. It is used. However, these electrolytes exhibit high proton conductivity, but have a problem of high cost.
上記課題を解決するために、安価な炭化水素系電解質の検討されている。例えば、特許文献1,2では、スルホン化エンジニアリングプラスチックが報告されている。しかし、これらの電解質は高湿度条件では高いプロトン伝導性を示すが、低湿度条件ではプロトン伝導性が低下する。低湿度条件でも高いプロトン伝導性を示す方法として、プロトン酸基の濃度を増加させることが試みられているが、プロトン酸基の濃度を増加させると膜の耐水性が低下し、実用化に耐えられる機械的強度を得られなくなる問題点がある。
In order to solve the above problems, inexpensive hydrocarbon electrolytes have been studied. For example,
一方、炭化水素系電解質膜の耐久性、耐水性、機械強度の向上のために、電解質を架橋する方法が提案されている(特許文献3)。しかし、この架橋電解質は、架橋反応がプロトン伝導性高分子に結合しているプロトン酸基を介して進行するため、架橋密度を向上させると、架橋電解質の水素イオン交換容量が低下する。このために、プロトン伝導度が低下するという問題点がある。また、特許文献4で提案されている架橋電解質は、電解質に架橋基を導入する必要があり、容易に架橋電解質を得ることができないという問題がある。 On the other hand, in order to improve the durability, water resistance, and mechanical strength of the hydrocarbon electrolyte membrane, a method of crosslinking the electrolyte has been proposed (Patent Document 3). However, in this crosslinked electrolyte, since the crosslinking reaction proceeds via a protonic acid group bonded to the proton conducting polymer, the hydrogen ion exchange capacity of the crosslinked electrolyte decreases when the crosslinking density is improved. For this reason, there exists a problem that proton conductivity falls. Moreover, the crosslinked electrolyte proposed in Patent Document 4 has a problem that it is necessary to introduce a crosslinking group into the electrolyte, and the crosslinked electrolyte cannot be easily obtained.
本発明の目的は、汎用エンジニアリングプラスチックであるポリエーテルスルホン系およびポリフェニレンサルファイド系の電解質において、イオン交換容量を低下させずに電解質を架橋することであり、高いプロトン伝導性を示し、耐久性、機械強度に優れた高分子電解質を容易に提供することである。
また本発明の別の目的は、前記高分子電解質を用いてなる膜電極接合体および燃料電池を提供することである。
An object of the present invention is to crosslink an electrolyte without reducing ion exchange capacity in polyethersulfone and polyphenylene sulfide electrolytes, which are general-purpose engineering plastics, exhibit high proton conductivity, durability, mechanical It is easy to provide a polymer electrolyte excellent in strength.
Another object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly and a fuel cell using the polymer electrolyte.
以上課題を解決するために、本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、汎用エンジニアリングプラスチックであるポリエーテルスルホン系およびポリフェニレンサルファイド系の電解質において、電解質と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して化学結合させれば、高いプロトン伝導性を維持したまま、耐久性、機械強度に優れた電解質を低コストで容易に提供できるという知見を得て、本発明を成すに至った。 In order to solve the above problems, the present inventors have made extensive studies and as a result, in the polyethersulfone-based and polyphenylenesulfide-based electrolytes that are general-purpose engineering plastics, the electrolyte and the crosslinking agent are separated from the proton acid group. As a result, the inventors have obtained the knowledge that an electrolyte having excellent durability and mechanical strength can be easily provided at low cost while maintaining high proton conductivity.
電解質と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して化学結合させれば、水素イオン交換容量を低下させず架橋することができ、プロトン伝導性を低下させることが抑制される。 If the electrolyte and the cross-linking agent are chemically bonded via a portion other than the proton acid group, the electrolyte can be cross-linked without reducing the hydrogen ion exchange capacity, and the proton conductivity is prevented from being reduced.
また、電解質と架橋剤とを、加熱することにより化学結合をするため、容易に耐久性に優れた電解質を提供することができる。 In addition, since the electrolyte and the crosslinking agent are chemically bonded by heating, an electrolyte having excellent durability can be easily provided.
請求項1に記載の発明は、分子鎖内にプロトン酸基を有し、プロトン伝導性高分子と架橋剤とを前記プロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を主成分として形成された高分子電解質において、前記プロトン伝導性高分子が下記一般式(1a)または(1b)で表せる構成単位を有することを特徴とする高分子電解質である。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、前記プロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量が、0.5meq/g以上5meq/g以下であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質である。
請求項3に記載の発明は、前記架橋剤が、分子内に少なくとも1つのメチロール基を有することを特徴とする請求項1または2に記載の高分子電解質である。
請求項4に記載の発明は、前記プロトン伝導性高分子と前記架橋剤とが、加熱することにより化学結合をすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質である。
請求項5に記載の発明は、前記加熱温度が60℃以上250℃以下であることを特徴とする請求項4に記載の高分子電解質である。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質を用いたことを特徴とする膜電極接合体である。
請求項7に記載の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質を用いたことを特徴とする燃料電池である。
The invention according to
The invention according to
The invention according to claim 4 is the polymer electrolyte according to any one of
The invention according to
The invention according to claim 6 is a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte according to any one of
The invention described in
請求項1記載の高分子電解質は、分子鎖内にプロトン酸基を有し、プロトン伝導性高分子と架橋剤とを前記プロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を主成分として形成された架橋高分子電解質膜において、前記プロトン伝導性高分子が下記一般式(1a)または(1b)で表せる構成単位を有することを特徴とするものであり、プロトン伝導性高分子をプロトン酸基以外の部分を解して結合させるので、イオン交換容量・プロトン伝導性を低下させることなく架橋することができ、また耐久性に優れた高分子電解質を低コストで得ることができるという顕著な効果を奏する。
The polymer electrolyte according to
請求項2記載の高分子電解質は、前記プロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量が、0.5meq/g以上5meq/g以下であることを特徴とするものであり、高いプロトン伝導性を示し、燃料電池の内部抵抗を低下させて高い出力密度を得ることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
The polymer electrolyte according to
請求項3記載の高分子電解質は、前記架橋剤が、分子内に少なくとも1つのメチロール基を有することを特徴とするものであり、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基を介さずに反応が進行するので、反応によってプロトン伝導性が損なわれず、かつ加熱により容易に反応が進行するというさらなる顕著な効果を奏する。
The polymer electrolyte according to
請求項4記載の高分子電解質は、前記プロトン伝導性高分子と前記架橋剤とが、加熱することにより化学結合をすることを特徴とするものであり、反応を加熱により容易に進行させることができるので、装置やプロセスなどが簡単になり、容易に経済的に反応を行うことができるというさらなる顕著な効果を奏する。 The polymer electrolyte according to claim 4 is characterized in that the proton conductive polymer and the cross-linking agent are chemically bonded by heating, and the reaction can be easily advanced by heating. Therefore, it is possible to simplify the apparatus and the process, and to produce a further remarkable effect that the reaction can be performed easily and economically.
請求項5記載の高分子電解質は、前記加熱温度が60℃以上250℃以下であることを特徴とするものであり、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基の離脱や分解反応を抑えて、反応を容易に進行させることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
The polymer electrolyte according to
請求項6記載の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質を用いた膜電極接合体であることを特徴とするものであり、電解質の劣化を抑制でき、燃料電池の長時間運転において高い発電特性および発電安定性を確保でき信頼性が向上するという顕著な効果を奏する。 Invention of Claim 6 is a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte in any one of Claims 1-5, and can suppress degradation of electrolyte, and is a fuel cell In the long-time operation, high power generation characteristics and power generation stability can be ensured, and the reliability is improved.
請求項7記載の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質を用いた燃料電池であることを特徴とするものであり、電解質の劣化を抑制でき、さらに燃料電池の長時間運転において高い発電特性および発電安定性を確保でき信頼性が向上するという顕著な効果を奏する。
Invention of
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質に関するものであり、分子鎖内にプロトン酸基を有し、プロトン伝導性高分子と架橋剤とを前記プロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を主成分として形成された架橋高分子電解質において、前記プロトン伝導性高分子が下記一般式(1a)または(1b)で表せる構成単位を有することを特徴とする高分子電解質に関するものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present invention relates to a polymer electrolyte used in a polymer electrolyte fuel cell, which has a proton acid group in a molecular chain, and combines a proton conductive polymer and a crosslinking agent with a portion other than the proton acid group. In the cross-linked polymer electrolyte formed using a cross-linked polymer obtained by cross-linking reaction as a main component, the proton-conductive polymer has a structural unit represented by the following general formula (1a) or (1b) It relates to a polymer electrolyte.
図1は、本発明の高分子電解質の分子構造を模式的に示す説明図である。図1に示した高分子電解質は、例えばプロトン酸基としてスルホン酸基(イ)を有するプロトン伝導性スルホン化ポリエーテルスルホン(ハ1)と、メチロール基を有する架橋剤として1,4−ベンゼンジメタノール(ロ)を混合して加熱処理して反応を進めて得られる高分子電解質であって、複数分子のプロトン伝導性スルホン化エーテルスルホン(ハ1)のスルホン酸基(イ)以外の芳香環の部分がそれぞれ1,4−ベンゼンジメタノールの残基(ロ´)を介して化学結合されて構成されている。 FIG. 1 is an explanatory view schematically showing the molecular structure of the polymer electrolyte of the present invention. The polymer electrolyte shown in FIG. 1 includes, for example, a proton conductive sulfonated polyethersulfone (C1) having a sulfonic acid group (I) as a protonic acid group and 1,4-benzenedisilane as a crosslinking agent having a methylol group. A polyelectrolyte obtained by mixing methanol (b) with heat treatment and proceeding with the reaction, wherein the aromatic ring other than the sulfonic acid group (i) of the proton-conductive sulfonated ether sulfone (c) of a plurality of molecules Are respectively chemically bonded via a residue (b) of 1,4-benzenedimethanol.
図2は、本発明の高分子電解質の分子構造を模式的に示す説明図である。図2に示した高分子電解質は、例えばプロトン酸基としてスルホン酸基(イ)を有するプロトン伝導性スルホン化ポリフェニレンサルファイド(ハ2)と、メチロール基を有する架橋剤として1,4−ベンゼンジメタノール(ロ)を混合して加熱処理して反応を進めて得られる高分子電解質であって、複数分子のプロトン伝導性スルホン化ポリフェニレンサルファイド(ハ2)のスルホン酸基(イ)以外の芳香環の部分がそれぞれ1,4−ベンゼンジメタノールの残基(ロ´)を介して化学結合されて構成されている。 FIG. 2 is an explanatory view schematically showing the molecular structure of the polymer electrolyte of the present invention. The polymer electrolyte shown in FIG. 2 includes, for example, proton conductive sulfonated polyphenylene sulfide (C2) having a sulfonic acid group (I) as a protonic acid group and 1,4-benzenedimethanol as a cross-linking agent having a methylol group. A polyelectrolyte obtained by mixing (b) with heat treatment and proceeding with the reaction, wherein the aromatic ring other than the sulfonic acid group (ii) of the proton conductive sulfonated polyphenylene sulfide (C2) of a plurality of molecules Each part is constituted by chemical bonding through a residue (b) of 1,4-benzenedimethanol.
本発明で用いるプロトン伝導性を有するプロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量としては、イオン伝導性を考慮すると、0.5meq/g〜5meq/g好ましい。
水素イオン交換容量が0.5meq/g未満ではプロトン伝導性が劣り、燃料電池に使用の際に内部抵抗が大きく出力密度が低下する恐れがあり、5meq/gを超えると高分子を得ることが困難になる恐れがある。
The hydrogen ion exchange capacity of the proton conducting polymer having proton conductivity used in the present invention is preferably 0.5 meq / g to 5 meq / g in view of ion conductivity.
When the hydrogen ion exchange capacity is less than 0.5 meq / g, the proton conductivity is inferior, and when used in a fuel cell, the internal resistance may be large and the output density may be lowered. It can be difficult.
本発明で用いるプロトン伝導性高分子の基体となる高分子としては、下記一般式(1a)または(1b)で表せる構成単位を有する高分子が好ましい。これら高分子の共重合体、誘導体を用いても良く、単独または2種類以上を組み合わせて使用することもできる。なお、一般式(1a)または(1b)は、プロトン伝導性高分子の基体を説明するための一般式であり、プロトン酸基は省略している。 As the polymer used as the base of the proton conductive polymer used in the present invention, a polymer having a structural unit represented by the following general formula (1a) or (1b) is preferable. Copolymers and derivatives of these polymers may be used, and these may be used alone or in combination of two or more. In addition, general formula (1a) or (1b) is a general formula for demonstrating the base | substrate of a proton conductive polymer, and the proton acid group is abbreviate | omitted.
本発明で用いるプロトン伝導性高分子にあっては、一般式(1a)または(1b)にプロトン酸基が導入されている。プロトン酸基としてはスルホン酸基(−SO3H)、リン酸基(−PO3H)、カルボン酸基(−COOH)等を用いることができる。中でも、スルホン酸基(−SO3H)、リン酸基(−PO3H)を好適に用いることができる。 In the proton conductive polymer used in the present invention, a proton acid group is introduced into the general formula (1a) or (1b). As the proton acid group, a sulfonic acid group (—SO 3 H), a phosphoric acid group (—PO 3 H), a carboxylic acid group (—COOH), or the like can be used. Among these, a sulfonic acid group (—SO 3 H) and a phosphoric acid group (—PO 3 H) can be preferably used.
また、機械的強度・耐水性の向上のために、他の高分子と組み合わせて使用することができる。具体的には、芳香族ポリエーテル、芳香族ポリエーテルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエーテルスルホン、芳香族ポリスルホン、芳香族ポリエーテルニトリル、芳香族ポリエーテルピリジン、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリアゾール、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネートなどを挙げることができる。これらの高分子はスルホン化されていても良く、スルホン化されていなくても良い。 Moreover, in order to improve mechanical strength and water resistance, it can be used in combination with other polymers. Specifically, aromatic polyether, aromatic polyether ketone, aromatic polyether ether ketone, aromatic polyether sulfone, aromatic polysulfone, aromatic polyether nitrile, aromatic polyether pyridine, aromatic polyimide, aromatic An aromatic polyamide, an aromatic polyamideimide, an aromatic polyazole, an aromatic polyester, an aromatic polycarbonate and the like can be mentioned. These polymers may be sulfonated or not sulfonated.
本発明で使用する架橋剤は、プロトン伝導性高分子のプロトン酸基を介さずにプロトン酸基以外の部分で反応を進行させることができ、反応前後においてプロトン伝導性材料のプロトン伝導性に変化を及ぼさない架橋剤であればよく、特に制限されるものではない。中でも、芳香環に−CH2OHで示されるメチロール基が結合した構造を有する架橋剤は、加熱により容易にプロトン伝導性材料と反応が進行し化学結合するため、好ましい。 The cross-linking agent used in the present invention allows the reaction to proceed at a portion other than the proton acid group without going through the proton acid group of the proton conductive polymer, and changes to the proton conductivity of the proton conductive material before and after the reaction. There is no particular limitation as long as it is a cross-linking agent that does not affect the surface. Among these, a crosslinking agent having a structure in which a methylol group represented by —CH 2 OH is bonded to an aromatic ring is preferable because the reaction easily proceeds with the proton conductive material by heating and chemically bonds.
メチロール基を有する架橋剤としては、メチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも1つ以上有する化合物が、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基を介さずに反応が進行するので、反応によってプロトン伝導性が損なわれず、かつ加熱により容易に反応が進行するので、本発明においてより好ましく使用できる。 As a cross-linking agent having a methylol group, a compound having at least one aromatic ring having a methylol group in the molecule proceeds without passing through a proton acid group contained in the proton conductive polymer. Since proton conductivity is not impaired and the reaction proceeds easily by heating, it can be used more preferably in the present invention.
本発明のプロトン伝導性高分子と架橋剤との反応は加熱により行なわれるが、加熱温度としては60℃以上250℃以下が好ましい。また、反応の際に酸触媒が存在すると反応性が向上するため好ましい。 The reaction between the proton conductive polymer of the present invention and the crosslinking agent is carried out by heating, and the heating temperature is preferably 60 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. In addition, the presence of an acid catalyst during the reaction is preferable because the reactivity is improved.
プロトン伝導性高分子と架橋剤とは、プロトン伝導性高分子に対し、架橋剤を0.5〜50重量%の割合で使用するのが好ましい。
また、本発明の高分子電解質の重量平均分子量はとくに制限されないが、1000〜1000000が好ましい。
また、本発明の高分子電解質は、前記一般式(1)で表せる構成単位以外の、他の構成単位を用いた共重合体であってもよい。
The proton conductive polymer and the crosslinking agent are preferably used in a proportion of 0.5 to 50% by weight with respect to the proton conductive polymer.
The weight average molecular weight of the polymer electrolyte of the present invention is not particularly limited, but is preferably 1000 to 1000000.
The polymer electrolyte of the present invention may be a copolymer using other structural units other than the structural unit represented by the general formula (1).
図3は本発明の膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。
本発明の膜電極接合体は図3に示したような積層構造からなる。
前記のようにして製造した本発明の高分子電解質1の両面に常法により空気極側電極触媒層2および燃料極側触媒層3を接合・積層して膜電極結合体12が形成される。電極触媒層2、3は、それぞれ導電剤と反応触媒とを有する。
FIG. 3 is a cross-sectional explanatory view of one embodiment of the membrane electrode assembly of the present invention.
The membrane electrode assembly of the present invention has a laminated structure as shown in FIG.
The
本発明で用いる反応触媒としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、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、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。また、これらの触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、0.5〜20nmが好ましい。
更に好ましくは、1〜5nmが良い。
The reaction catalyst used in the present invention includes platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and the like. A metal or an alloy thereof, or an oxide or a double oxide can be used. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of these catalysts is too large, and stability of a catalyst will fall when too small, 0.5-20 nm is preferable.
More preferably, 1-5 nm is good.
これらの反応触媒を担持する本発明で使用する電子伝導性の導電剤は、一般的に、カーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、10〜1000nm程度が好ましい。更に好ましくは、10〜100nmが良い。 Generally, carbon particles are used for the electron conductive conductive agent used in the present invention carrying these reaction catalysts. Any carbon particles can be used as long as they are in the form of fine particles, have conductivity and are not affected by the catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene are used. it can. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer is reduced or the utilization rate of the catalyst is reduced. Is preferred. More preferably, 10-100 nm is good.
図4は、この膜電極結合体12を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの一実施態様の構成を示す分解断面図である。膜電極結合体12の空気極側電極触媒層2および燃料極側電極触媒層3と対向して、それぞれカーボンペーパーにカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の混合物を塗布した構造を持つ空気極側ガス拡散層4および燃料極側ガス拡散層5が配置されている。これによりそれぞれ空気極6および燃料極7が構成される。そして、空気極側ガス拡散層4および燃料極側ガス拡散層5に面して反応ガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ10により挟持して単セル11が構成される。そして、空気や酸素などの酸化剤を空気極6に供給し、水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料を燃料極7に供給して発電するようになっている。
FIG. 4 is an exploded cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell equipped with the
本発明の膜電極結合体(MEA)の製造方法に例についてさらに説明する。燃料ガスを均一に電極触媒層2、3中に供給するための前記導電性多孔質体などからなるガス拡散層4、5上に、反応触媒および導電剤を含むインキを塗布し、その後、乾燥させることにより触媒電極層2、3を積層し、その後、この触媒電極層2、3により高分子電解質1を挟持して熱圧着により接合して膜電極接合体(MEA)12を製造する方法を用いることができる。ガス拡散層4、5上に触媒電極層2、3を形成するインキの塗布方法はドクターブレード法、スクリーン印刷法、スプレー法などを用いることができる。
An example is further demonstrated to the manufacturing method of the membrane electrode assembly (MEA) of this invention. An ink containing a reaction catalyst and a conductive agent is applied on the
また、MEA12の製造方法としては、高分子電解質1の両面に触媒電極層2、3を転写やスプレー噴霧により作製し、その後、ガス拡散層4、5で挟持する方法を用いても良い。
As a method for manufacturing the
以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明の範囲がこれらの例により限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, the scope of the present invention is not limited by these examples.
(実施例1)
スルホン化ポリエーテルスルホン1gと、架橋剤の1,4−ベンゼンジメタノール(東京化成工業株式会社)0.15gを有機溶媒中で混合させた。
Example 1
1 g of sulfonated polyethersulfone and 0.15 g of 1,4-benzenedimethanol (Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) as a crosslinking agent were mixed in an organic solvent.
次に、作製した溶液をポリイミド基材上にキャスト法により成膜し、溶媒を乾燥させた後、得られた膜を加熱プレスすることにより、反応を進行させて本発明の高分子電解質を得た。
熱プレスの条件は、プレス温度120℃、プレス時間3h、プレス圧力60kgf/cm2とした。
得られた高分子電解質をジメチルホルムアミド(DMF)に浸したところ、溶解しなかったことから架橋していることを確認した。また、得られた高分子電解質を2規定の硝酸ナトリウム水溶液中で2日間混合したあと、フィルターでろ過し高分子電解質を取り除き、高分子電解質を取り除いた酸性溶液を水酸化ナトリウム水溶液で滴定し、中和点より高分子電解質のイオン交換容量を算出した。得られた高分子電解質の水素イオン交換容量は、0.7meq/gであった。
Next, the prepared solution is formed on a polyimide substrate by a casting method, and after the solvent is dried, the obtained film is heated and pressed to advance the reaction to obtain the polymer electrolyte of the present invention. It was.
The hot pressing conditions were a press temperature of 120 ° C., a press time of 3 hours, and a press pressure of 60 kgf / cm 2 .
When the obtained polymer electrolyte was immersed in dimethylformamide (DMF), it was confirmed that the polymer electrolyte was crosslinked because it did not dissolve. The obtained polymer electrolyte was mixed in a 2N aqueous sodium nitrate solution for 2 days, filtered through a filter to remove the polymer electrolyte, and the acidic solution from which the polymer electrolyte had been removed was titrated with an aqueous sodium hydroxide solution. The ion exchange capacity of the polymer electrolyte was calculated from the neutralization point. The obtained polymer electrolyte had a hydrogen ion exchange capacity of 0.7 meq / g.
(比較例1)
架橋剤を添加しないこと以外は、実施例1と同様な方法でプロトン伝導性高分子電解質を得た。得られた高分子電解質をジメチルホルムアミド(DMF)に浸したところ、溶解した。DMFに溶解したことからスルホン化ポリエーテルスルホンは架橋していないことを確認した。また、得られた高分子電解質の水素イオン交換容量を実施例1と同様の方法で求めたところ、0.8meq/gであった。
(Comparative Example 1)
A proton conductive polymer electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1 except that no crosslinking agent was added. When the obtained polymer electrolyte was immersed in dimethylformamide (DMF), it was dissolved. Since it was dissolved in DMF, it was confirmed that the sulfonated polyethersulfone was not crosslinked. Further, the hydrogen ion exchange capacity of the obtained polymer electrolyte was determined by the same method as in Example 1, and found to be 0.8 meq / g.
(実施例2)
スルホン化ポリフェニレンサルファイド1gと、架橋剤の1,4−ベンゼンジメタノール(東京化成工業株式会社)0.15gを有機溶媒中で混合させた。
(Example 2)
1 g of sulfonated polyphenylene sulfide and 0.15 g of 1,4-benzenedimethanol (Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) as a crosslinking agent were mixed in an organic solvent.
次に、作製した溶液をポリイミド基材上にキャスト法により成膜し、溶媒を乾燥させた後、得られた膜を加熱プレスすることにより、反応を進行させて本発明の高分子電解質を得た。
熱プレスの条件は、プレス温度120℃、プレス時間3h、プレス圧力60kgf/cm2とした。
得られた高分子電解質をジメチルホルムアミド(DMF)に浸したところ、溶解しなかったことから架橋していることを確認した。また、得られた高分子電解質を2規定の硝酸ナトリウム水溶液中で2日間混合したあと、フィルターでろ過し高分子電解質を取り除き、高分子電解質を取り除いた酸性溶液を水酸化ナトリウム水溶液で滴定し、中和点より高分子電解質のイオン交換容量を算出した。得られた高分子電解質の水素イオン交換容量は、2.0meq/gであった。
Next, the prepared solution is formed on a polyimide substrate by a casting method, and after the solvent is dried, the obtained film is heated and pressed to advance the reaction to obtain the polymer electrolyte of the present invention. It was.
The hot pressing conditions were a press temperature of 120 ° C., a press time of 3 hours, and a press pressure of 60 kgf / cm 2 .
When the obtained polymer electrolyte was immersed in dimethylformamide (DMF), it was confirmed that the polymer electrolyte was crosslinked because it did not dissolve. The obtained polymer electrolyte was mixed in a 2N aqueous sodium nitrate solution for 2 days, filtered through a filter to remove the polymer electrolyte, and the acidic solution from which the polymer electrolyte had been removed was titrated with an aqueous sodium hydroxide solution. The ion exchange capacity of the polymer electrolyte was calculated from the neutralization point. The obtained polymer electrolyte had a hydrogen ion exchange capacity of 2.0 meq / g.
(比較例2)
架橋剤を添加しないこと以外は、実施例1と同様な方法でプロトン伝導性高分子電解質を得た。得られた高分子電解質をジメチルホルムアミド(DMF)に浸したところ、溶解した。DMFに溶解したことからスルホン化ポリフェニレンサルファイドは架橋していないことを確認した。また、得られた高分子電解質の水素イオン交換容量を実施例1と同様の方法で求めたところ、1.8meq/gであった。
(Comparative Example 2)
A proton conductive polymer electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1 except that no crosslinking agent was added. When the obtained polymer electrolyte was immersed in dimethylformamide (DMF), it was dissolved. Since it was dissolved in DMF, it was confirmed that the sulfonated polyphenylene sulfide was not crosslinked. Further, the hydrogen ion exchange capacity of the obtained polymer electrolyte was determined by the same method as in Example 1, and found to be 1.8 meq / g.
スルホン化ポリエテールスルホン、スルホン化ポリフェニレンサルファイドにあっては、基体である骨格に電子吸引基である−SO2−基を備える。本発明にあっては、基体である骨格に電子吸引基である−SO2−基を備えていても、分子内にメチロール基を有する架橋剤を用いることにより、プロトン酸基以外部分を解して架橋反応させることができ、本発明の高分子電解質とすることができた。
Sulfonated poly Ether sulfone, in the sulfonated polyphenylene sulfide, -
1 高分子電解質
2 空気極側電極触媒層
3 燃料極側電極触媒層
4 空気極側ガス拡散層
5 燃料極側ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレータ
11 単セル
12 膜電極結合体
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