JP2011233347A - Proton conductive polymer electrolyte membrane and membrane-electrode assembly using it and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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豊 岸井
Otoo Yamada
音夫 山田
Toru Sugitani
徹 杉谷
Hiroyuki Nishii
弘行 西井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive polymer electrolyte membrane having a polyimide based polymer electrolyte membrane and exhibiting sufficient adhesion to an electrode.SOLUTION: The proton conductive polymer electrolyte membrane includes a polyimide based polymer electrolyte membrane and a fluorine based polymer electrolyte membrane laminated on one side thereof. The polyimide based polymer electrolyte membrane is mainly composed of polyimide resin formed by polycondensation of a tetracarboxylic dianhydride, a first aromatic diamine having a proton conductive group, and a second aromatic diamine not having a proton conductive group but having a condensation ring skelton consisting of three or more rings. The electrolyte membrane is suitable for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), especially for a direct methanol fuel cell (DMFC).

Description

本発明は、プロトン伝導性高分子電解質膜と、それを用いた膜−電極接合体および高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conductive polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly using the same, and a polymer electrolyte fuel cell.

近年、次世代のエネルギー源として燃料電池が脚光を浴びている。特に、プロトン伝導性を有する高分子膜を電解質に使用した高分子電解質型燃料電池(PEFC)は、エネルギー密度が高く、家庭用コージェネレーションシステム、携帯機器用電源、自動車用電源などの幅広い分野での使用が期待される。PEFCの電解質膜には、燃料極と酸素極との間でプロトンを伝導する電解質としての機能とともに、燃料極に供給される燃料と、酸素極に供給される酸化剤とを分離する隔壁としての機能が求められる。電解質および隔壁のいずれか一方としての機能が不十分であると燃料電池の発電効率が低下する。このため、プロトン伝導性、電気化学的安定性および機械的強度に優れ、燃料および酸化剤の透過性が低い高分子電解質膜が望まれる。   In recent years, fuel cells have attracted attention as the next-generation energy source. In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEFC) that use polymer membranes with proton conductivity as electrolytes have high energy density and are used in a wide range of fields such as household cogeneration systems, power supplies for portable devices, and power supplies for automobiles. Is expected to be used. The PEFC electrolyte membrane functions as an electrolyte that conducts protons between the fuel electrode and the oxygen electrode, as well as a partition that separates the fuel supplied to the fuel electrode and the oxidant supplied to the oxygen electrode. Function is required. If the function as one of the electrolyte and the partition is insufficient, the power generation efficiency of the fuel cell is lowered. For this reason, a polymer electrolyte membrane that is excellent in proton conductivity, electrochemical stability, and mechanical strength, and has low fuel and oxidant permeability is desired.

現在、PEFCの電解質膜として、プロトン伝導基としてスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸(例えば、デュポン社製「ナフィオン(登録商標)」)等のフッ素系高分子が広く用いられている。フッ素系高分子電解質膜は電気化学的な安定性に優れるが、原料となるフッ素樹脂は汎用品ではなく、その合成過程も複雑であることから非常に高価である。電解質膜が高価であることは、PEFCの実用化に対する大きな障害となる。また、PEFCの1種に、メタノールを含む溶液が燃料極に供給されるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)があり、燃料の供給性、携帯性に優れることから今後の実用化が注目されているが、フッ素系高分子電解質膜はメタノールを透過させやすいため、DMFCへの使用は難しい。   At present, fluorine-based polymers such as perfluorosulfonic acid having a sulfonic acid group as a proton conductive group (for example, “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont) are widely used as an electrolyte membrane of PEFC. Although the fluorine-based polymer electrolyte membrane is excellent in electrochemical stability, the fluororesin used as a raw material is not a general-purpose product and is very expensive because its synthesis process is complicated. The high cost of the electrolyte membrane is a major obstacle to the practical use of PEFC. In addition, one type of PEFC is a direct methanol fuel cell (DMFC) in which a solution containing methanol is supplied to the fuel electrode, and since it is excellent in fuel supply and portability, future practical application is attracting attention. However, since the fluorine-based polymer electrolyte membrane easily permeates methanol, it is difficult to use it in DMFC.

このようなフッ素系高分子電解質膜の代替として、炭化水素系高分子電解質膜の開発が進められている。炭化水素系高分子電解質膜の原料となる樹脂はフッ素樹脂に比べて安価であり、これを用いた低コストのPEFCの実現が期待される。   As an alternative to such a fluorine-based polymer electrolyte membrane, development of a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is underway. The resin used as the raw material for the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is less expensive than the fluororesin, and a low-cost PEFC using this resin is expected.

特表2000−510511号公報には、炭化水素系高分子電解質膜として、テトラカルボン酸二無水物と、プロトン伝導基を有する芳香族ジアミンと、プロトン伝導基を有さない芳香族ジアミンとの重縮合により形成されたポリイミド樹脂を含んでなる電解質膜が開示されており、この電解質膜が、機械的および電気化学的安定性に優れるとともに、フッ素系高分子電解質膜よりも低コストに製造できることが記載されている。しかし、特表2000−510511号公報では、電解質膜の耐メタノール透過特性(メタノール遮断特性)について考慮されておらず、当該公報に開示の電解質膜は必ずしも耐メタノール透過特性に優れていない。   JP 2000-510511 A discloses a hydrocarbon polymer electrolyte membrane composed of tetracarboxylic dianhydride, an aromatic diamine having a proton conductive group, and an aromatic diamine having no proton conductive group. An electrolyte membrane comprising a polyimide resin formed by condensation has been disclosed. This electrolyte membrane has excellent mechanical and electrochemical stability, and can be manufactured at a lower cost than a fluoropolymer electrolyte membrane. Are listed. However, Japanese Patent Publication No. 2000-510511 does not consider the methanol permeation resistance (methanol blocking characteristics) of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane disclosed in the gazette does not necessarily have excellent methanol permeation resistance.

同様のポリイミド系高分子電解質膜は特開2003−68326号公報にも開示があり、当該公報では、イミド結合が加水分解されやすい点を克服し、耐加水分解特性(長期耐水性)に優れるポリイミド系高分子電解質膜の製造が試みられている。しかし、特開2003−68326号公報の技術においても電解質膜の耐メタノール透過特性は考慮されておらず、当該公報に開示の電解質膜は必ずしも耐メタノール透過特性に優れていない。   A similar polyimide-based polymer electrolyte membrane is also disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-68326, which overcomes the point that imide bonds are easily hydrolyzed and is superior in hydrolysis resistance (long-term water resistance). An attempt has been made to produce a polymer electrolyte membrane. However, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-68326 does not consider the methanol permeation resistance of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane disclosed in the gazette does not necessarily have excellent methanol permeation resistance.

ところで、高分子電解質膜は、電極と接合した膜−電極接合体として、PEFCに組み込まれる。この膜−電極接合体は、高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間に配置し、これらを熱プレス法や直接塗布法により接合させることで作製される。熱プレス法とは、高分子電解質膜を融点近くまで加熱して表面を軟化させ、これに電極を押し付けた後、冷却することにより高分子電解質膜と電極とを一体化させる方法である。直接塗布法とは、例えば、高分子電解質膜上に電極として触媒を含むインクを塗布または転写し、これをガス拡散層としてのカーボンペーパーで挟むことにより高分子電解質膜と電極とを一体化させる方法である。   By the way, the polymer electrolyte membrane is incorporated into PEFC as a membrane-electrode assembly bonded to an electrode. This membrane-electrode assembly is produced by disposing a polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode and bonding them by a hot press method or a direct coating method. The hot press method is a method in which the polymer electrolyte membrane and the electrode are integrated by heating the polymer electrolyte membrane to near the melting point to soften the surface, pressing the electrode against the polymer electrolyte, and then cooling. In the direct coating method, for example, an ink containing a catalyst as an electrode is applied or transferred onto a polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane and the electrode are integrated by sandwiching the ink with carbon paper as a gas diffusion layer. Is the method.

しかし、熱プレス法では、電解質膜が温度や湿度の急激な変化を受けるため、電解質膜の寸法が大きく変化し、電解質膜が電極から剥離することがある。また、直接塗布法では、触媒を含むインクが電解質膜に馴染まないことにより、接触不良が起こることがある。このように電極との間で密着性が低い電解質膜は、燃料電池として用いた時に、内部抵抗の上昇や、出力が安定するまでに要する時間の増大等、発電特性の低下を引き起こすという問題がある。   However, in the hot press method, since the electrolyte membrane is subjected to a sudden change in temperature and humidity, the dimensions of the electrolyte membrane may change greatly, and the electrolyte membrane may peel from the electrode. Further, in the direct coating method, contact failure may occur because the ink containing the catalyst does not become familiar with the electrolyte membrane. As described above, the electrolyte membrane having low adhesion with the electrode has a problem that, when used as a fuel cell, it causes a decrease in power generation characteristics such as an increase in internal resistance and an increase in time required for the output to stabilize. is there.

特表2000−510511号公報JP 2000-510511 A 特開2003−68326号公報JP 2003-68326 A

本発明は、ポリイミド系高分子電解質膜を具備するプロトン伝導性高分子電解質膜であって、電極との間で十分な密着性を有する電解質膜を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane that is a proton conductive polymer electrolyte membrane having a polyimide-based polymer electrolyte membrane and has sufficient adhesion with an electrode.

本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜は、ポリイミド系高分子電解質膜と、前記ポリイミド系高分子電解質膜の少なくとも片面に積層されたフッ素系高分子電解質膜とを備え、
前記ポリイミド系高分子電解質膜は、テトラカルボン酸二無水物と、プロトン伝導基を有する第1の芳香族ジアミンと、プロトン伝導基を有さない第2の芳香族ジアミンとの重縮合により形成されたポリイミド樹脂を主成分とする。
The proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention comprises a polyimide polymer electrolyte membrane and a fluorine polymer electrolyte membrane laminated on at least one surface of the polyimide polymer electrolyte membrane,
The polyimide-based polymer electrolyte membrane is formed by polycondensation of tetracarboxylic dianhydride, a first aromatic diamine having a proton conductive group, and a second aromatic diamine having no proton conductive group. Mainly composed of polyimide resin.

本発明によれば、テトラカルボン酸二無水物と重縮合させる芳香族ジアミンとして、プロトン伝導基を有する第1の芳香族ジアミンと、プロトン伝導基を有さない第2の芳香族ジアミンとを用い、ポリイミド系高分子電解質膜の少なくとも片面にフッ素系高分子電解質膜を備えることにより、電極との間で高い密着性を実現できるプロトン伝導性高分子電解質膜が得られる。本発明の好ましい形態によれば、高いプロトン伝導性および高い耐メタノール透過特性を有するプロトン伝導性高分子電解質膜が得られる。   According to the present invention, as the aromatic diamine to be polycondensed with tetracarboxylic dianhydride, the first aromatic diamine having a proton conductive group and the second aromatic diamine having no proton conductive group are used. By providing the fluorine-based polymer electrolyte membrane on at least one surface of the polyimide-based polymer electrolyte membrane, a proton conductive polymer electrolyte membrane that can realize high adhesion with the electrode can be obtained. According to a preferred embodiment of the present invention, a proton conductive polymer electrolyte membrane having high proton conductivity and high methanol permeation resistance can be obtained.

本発明の膜−電極接合体の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the membrane-electrode assembly of this invention. 本発明の燃料電池の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the fuel cell of this invention. 実施例2および比較例2における燃料電池セルの運転時間と電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the operation time of the fuel cell in Example 2 and the comparative example 2, and an electric current. 実施例2および比較例2における燃料電池セルの負荷電流密度と出力特性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the load current density of the fuel cell in Example 2 and the comparative example 2, and an output characteristic. 実施例2における膜−電極接合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察したときの写真である。It is a photograph when the cross section of the membrane-electrode assembly in Example 2 is observed with a scanning electron microscope.

(ポリイミド樹脂)
本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜において、ポリイミド系高分子電解質膜が主成分として含むポリイミド樹脂(A)は、テトラカルボン酸二無水物と、プロトン伝導基を有する第1の芳香族ジアミンと、プロトン伝導基を有さない第2の芳香族ジアミンとの重縮合により形成された樹脂である。本発明の好ましい形態によれば、ポリイミド樹脂(A)は、プロトン伝導性および耐メタノール透過特性に優れる。
(Polyimide resin)
In the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention, the polyimide resin (A) contained in the polyimide-based polymer electrolyte membrane as a main component is a tetracarboxylic dianhydride, a first aromatic diamine having a proton conductive group, and , A resin formed by polycondensation with a second aromatic diamine having no proton conducting group. According to a preferred embodiment of the present invention, the polyimide resin (A) is excellent in proton conductivity and methanol permeation resistance.

ポリイミド樹脂(A)は、テトラカルボン酸二無水物と第1の芳香族ジアミンとの重縮合により形成される構成単位(B)ならびにテトラカルボン酸二無水物と第2の芳香族ジアミンとの重縮合により形成される構成単位(C)を有する。構成単位(B)を以下の式(1)に、構成単位(C)を以下の式(2)に示す。   The polyimide resin (A) is composed of a structural unit (B) formed by polycondensation of tetracarboxylic dianhydride and a first aromatic diamine, and a weight of tetracarboxylic dianhydride and a second aromatic diamine. It has a structural unit (C) formed by condensation. The structural unit (B) is shown in the following formula (1), and the structural unit (C) is shown in the following formula (2).

式(1)のR1は、テトラカルボン酸二無水物における無水カルボン酸以外の部分に対応し、R2は、第1の芳香族ジアミンにおけるアミノ基以外の部分に対応する。 R 1 in the formula (1) corresponds to a portion other than the carboxylic anhydride in the tetracarboxylic dianhydride, and R 2 corresponds to a portion other than the amino group in the first aromatic diamine.

式(2)のR3は、式(1)のR1と同様に、テトラカルボン酸二無水物における無水カルボン酸以外の部分に対応し、R4は、第2の芳香族ジアミンにおけるアミノ基以外の部分に対応する。R4は、好ましくは、3つ以上の環からなる縮合環骨格を有する。 R 3 in formula (2) corresponds to a moiety other than carboxylic anhydride in tetracarboxylic dianhydride, similarly to R 1 in formula (1), and R 4 represents an amino group in the second aromatic diamine. Corresponds to other parts. R 4 preferably has a condensed ring skeleton composed of three or more rings.

構成単位(B)は、主に、ポリイミド樹脂(A)および当該樹脂を主成分とするポリイミド系高分子電解質膜のプロトン伝導性に寄与する。構成単位(C)は、主に、ポリイミド樹脂(A)および当該樹脂を主成分とするポリイミド系高分子電解質膜の耐メタノール透過特性に寄与する。   The structural unit (B) mainly contributes to the proton conductivity of the polyimide resin (A) and the polyimide polymer electrolyte membrane containing the resin as a main component. The structural unit (C) mainly contributes to the methanol permeation resistance of the polyimide resin (A) and the polyimide-based polymer electrolyte membrane containing the resin as a main component.

テトラカルボン酸二無水物は、芳香族ジアミンとの重縮合によりポリイミド樹脂が形成される構造を有する限り特に限定されず、例えば、パラ−ターフェニル−3,4,3’’,4’’−テトラカルボン酸二無水物、ピロメリット酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,7’−ビフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、12,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,5,6−ピリジンテトラカルボン酸二無水物、ナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、4,4’−ケトジナフタレン−1,1’,8,8’−テトラカルボン酸二無水物、4,4’−ビナフチル−1,1’,8,8’−テトラカルボン酸二無水物、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、4,4’−スルホニルジフタル酸二無水物、3,3’,4,4’−テトラフェニルシランテトラカルボン酸二無水物、メタ−ターフェニル−3,3’’,4,4’’−テトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、1,3−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン二無水物、1−(2,3−ジカルボキシフェニル)−3−(3,4−ジカルボキシフェニル)−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン酸二無水物、1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−5−(テトラヒドロ−2,5−ジオキソ−3−フラニル)−ナフト[1,2−c]フラン−1,3−ジオンである。   The tetracarboxylic dianhydride is not particularly limited as long as it has a structure in which a polyimide resin is formed by polycondensation with an aromatic diamine. For example, para-terphenyl-3, 4, 3 ″, 4 ″- Tetracarboxylic dianhydride, pyromellitic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,7′-biphenyl ether tetracarboxylic dianhydride, 12,5,6-naphthalene tetracarboxylic dianhydride, 2,3,6,7-naphthalene tetracarboxylic dianhydride, 2 , 3,5,6-pyridinetetracarboxylic dianhydride, naphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic dianhydride, 4,4′-ketodinaphthalene-1,1 ′, 8,8 ′ -Tetracarboxylic Dianhydride, 4,4′-binaphthyl-1,1 ′, 8,8′-tetracarboxylic dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, 4,4′-sulfonyl Diphthalic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-tetraphenylsilanetetracarboxylic dianhydride, meta-terphenyl-3,3 ″, 4,4 ″ -tetracarboxylic dianhydride 3,3 ′, 4,4′-diphenyl ether tetracarboxylic dianhydride, 1,3-bis (3,4-dicarboxyphenyl) -1,1,3,3-tetramethyldisiloxane dianhydride, 1- (2,3-dicarboxyphenyl) -3- (3,4-dicarboxyphenyl) -1,1,3,3-tetramethyldisiloxane dianhydride, 2,2-bis (3,4- Dicarboxyphenyl) hexafluoropropanoic acid 1,2,3,4-butanetetracarboxylic dianhydride, 1,3,3a, 4,5,9b-hexahydro-5- (tetrahydro-2,5-dioxo-3-furanyl) -naphtho 1,2-c] furan-1,3-dione.

高分子電解質膜としての耐水性、耐酸化性、電気化学的安定性を考慮すると、テトラカルボン酸二無水物は、ナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、4,4’−ケトジナフタレン−1,1’,8,8’−テトラカルボン酸二無水物および4,4’−ビナフタレン−1,1’,8,8’−テトラカルボン酸二無水物から選ばれる少なくとも1種が好ましい。   Considering water resistance, oxidation resistance, and electrochemical stability as a polymer electrolyte membrane, tetracarboxylic dianhydride is naphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic dianhydride, 4,4 At least selected from '-ketodinaphthalene-1,1', 8,8'-tetracarboxylic dianhydride and 4,4'-binaphthalene-1,1 ', 8,8'-tetracarboxylic dianhydride One is preferred.

ポリイミド樹脂(A)は、第1および第2の芳香族ジアミンと、2種以上のテトラカルボン酸二無水物との重縮合により形成されていてもよい。   The polyimide resin (A) may be formed by polycondensation of the first and second aromatic diamines and two or more kinds of tetracarboxylic dianhydrides.

第1の芳香族ジアミンは、テトラカルボン酸二無水物との重縮合によりポリイミド樹脂が形成される構造を有するとともに、プロトン伝導基を有する限り特に限定されない。   The first aromatic diamine is not particularly limited as long as it has a structure in which a polyimide resin is formed by polycondensation with tetracarboxylic dianhydride and has a proton conductive group.

プロトン伝導基は、例えば、スルホン酸基、リン酸基もしくはカルボキシル基であり、高いプロトン伝導性を示すことから、スルホン酸基が好ましい。スルホン酸基およびリン酸基には、ナトリウム塩、アンモニウム塩などの塩の状態にある基(例えばスルホン酸ナトリウム基)を含む。ただし、スルホン酸基およびリン酸基が塩の状態にある場合、最終的に電解質膜とする前に、酸処理などにより当該基をプロトン型に変化させる(プロトン交換する)ことが好ましい。   The proton conductive group is, for example, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, or a carboxyl group, and is preferably a sulfonic acid group because it exhibits high proton conductivity. The sulfonic acid group and the phosphoric acid group include a group in a salt state such as a sodium salt or an ammonium salt (for example, a sodium sulfonate group). However, when the sulfonic acid group and the phosphoric acid group are in a salt state, it is preferable to change the group to a proton type (proton exchange) by an acid treatment or the like before finally forming the electrolyte membrane.

第1の芳香族ジアミンは、例えば、特表2000−510511号公報および特開2003−68326号公報に記載されている、スルホン酸基含有芳香族ジアミンである。より具体的な例は、以下の式(3)〜(10)に示す芳香族ジアミンである。   The first aromatic diamine is, for example, a sulfonic acid group-containing aromatic diamine described in JP-T-2000-510511 and JP-A-2003-68326. More specific examples are aromatic diamines represented by the following formulas (3) to (10).

なお、芳香族ジアミンとは、少なくとも1つのアミノ基が芳香族基に結合したジアミンである。芳香族ジアミンは、典型的には、2つのアミノ基が芳香族基に結合した構造を有するが、この場合、各々のアミノ基が結合する芳香族基は同一であっても、異なっていてもよい。芳香族基は、単環式であっても多環式であってもよく、多環式の場合、縮合環を有していてもよい。また、芳香族基は、芳香族炭化水素基であっても複素芳香族基であってもよいし、芳香環の一部の水素原子が、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基、ハロゲン基、ヒドロキシ基、フェニル基などの置換基によって置換されていてもよい。置換基は、典型的には、炭素数1〜6のアルキル基(例えばメチル基)、炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基(例えばCF3基)、フェニル基である。 The aromatic diamine is a diamine in which at least one amino group is bonded to the aromatic group. An aromatic diamine typically has a structure in which two amino groups are bonded to an aromatic group. In this case, the aromatic groups to which each amino group is bonded may be the same or different. Good. The aromatic group may be monocyclic or polycyclic. In the case of polycyclic, the aromatic group may have a condensed ring. The aromatic group may be an aromatic hydrocarbon group or a heteroaromatic group, and a part of the hydrogen atoms of the aromatic ring may be an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, 6 may be substituted by a substituent such as a perfluoroalkyl group, a halogen group, a hydroxy group, or a phenyl group. The substituent is typically an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms (for example, a methyl group), a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms (for example, a CF 3 group), or a phenyl group.

第2の芳香族ジアミンは、テトラカルボン酸二無水物との重縮合によりポリイミド樹脂が形成される構造を有する限り、特に限定されない。   The second aromatic diamine is not particularly limited as long as it has a structure in which a polyimide resin is formed by polycondensation with tetracarboxylic dianhydride.

ポリイミド樹脂(A)の耐メタノール透過特性を向上させるためには、第2の芳香族ジアミンは、3以上の環からなる縮合環骨格(D)を有することが好ましい。第2の芳香族ジアミンが縮合環骨格(D)を有することにより、耐メタノール透過特性(メタノール遮断特性)がより優れたポリイミド樹脂(A)が得られる理由は明確ではないが、本発明者らは、ポリイミド分子の平面性が非常に高くなることで、当該分子が電解質膜の面方向に平行な状態で積み重なるように配置されやすくなり、膜厚方向へのメタノールの透過が遮断されやすくなることが原因であると推定する。   In order to improve the methanol permeation resistance of the polyimide resin (A), the second aromatic diamine preferably has a condensed ring skeleton (D) composed of three or more rings. Although the reason why the polyimide resin (A) having better methanol permeation resistance (methanol blocking property) is obtained by the second aromatic diamine having the condensed ring skeleton (D) is not clear, the present inventors Because the planarity of polyimide molecules is extremely high, the molecules are likely to be stacked in a state parallel to the surface direction of the electrolyte membrane, and the permeation of methanol in the film thickness direction is likely to be blocked. Is presumed to be the cause.

第2の芳香族ジアミンは、縮合環骨格(D)に2つのアミノ基が直接結合した構造を有することがより好ましく、この場合、ポリイミド樹脂(A)の耐メタノール透過特性がより向上する。   The second aromatic diamine preferably has a structure in which two amino groups are directly bonded to the condensed ring skeleton (D). In this case, the methanol permeation resistance of the polyimide resin (A) is further improved.

縮合環骨格(D)は、例えば、9位の炭素原子が酸素原子、窒素原子または硫黄原子によって置換されていてもよいフルオレン骨格である。9位以外の炭素原子に結合した水素原子は、芳香族基の説明において例示した置換基によって置換されていてもよい。   The condensed ring skeleton (D) is, for example, a fluorene skeleton in which the carbon atom at the 9-position may be substituted with an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. Hydrogen atoms bonded to carbon atoms other than the 9-position may be substituted with the substituents exemplified in the description of the aromatic group.

当該フルオレン骨格を、以下の式(11)に示す。式(11)において9位の原子、即ちX1、が炭素原子の場合、R5、R6は互いに独立して、水素原子、ヒドロキシ基、カルボニル基、フェニル基(水素原子がメチル基、CF3基、ヒドロキシ基によって置換されていてもよい)、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基である。X1が酸素原子の場合、R5、R6は存在しない。X1が窒素原子の場合、R5は、水素原子であり、R6は存在しない。X1が硫黄原子の場合、R5およびR6は酸素原子である。 The fluorene skeleton is represented by the following formula (11). In the formula (11), when the 9-position atom, that is, X 1 is a carbon atom, R 5 and R 6 are independently of each other a hydrogen atom, a hydroxy group, a carbonyl group, a phenyl group (the hydrogen atom is a methyl group, CF 3 may be substituted with a hydroxy group), an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms. When X 1 is an oxygen atom, R 5 and R 6 do not exist. When X 1 is a nitrogen atom, R 5 is a hydrogen atom and R 6 does not exist. When X 1 is a sulfur atom, R 5 and R 6 are oxygen atoms.

縮合環骨格(D)が上記フルオレン骨格である場合、以下の式(12)に示すように、当該フルオレン骨格に2つのアミノ基が直接結合していることが好ましく、この場合、ポリイミド樹脂(A)の耐メタノール透過特性がさらに向上する。このときアミノ基は、式(12)に示すように、1〜4位の炭素原子に1つ、5〜8位の炭素原子に1つ結合していることが好ましい。このような縮合環骨格(D)を有する第2の芳香族ジアミンの例を以下の式(13)、(14)に示す。   When the condensed ring skeleton (D) is the fluorene skeleton, it is preferable that two amino groups are directly bonded to the fluorene skeleton as shown in the following formula (12). ) Resistance to methanol permeation is further improved. At this time, as shown in Formula (12), it is preferable that one amino group is bonded to a carbon atom at positions 1-4 and one is bonded to a carbon atom at positions 5-8. Examples of the second aromatic diamine having such a condensed ring skeleton (D) are shown in the following formulas (13) and (14).

式(13)に示す芳香族ジアミンは、2,7−ジアミノフルオレン(DAF)であり、式(14)に示す芳香族ジアミンは、3,7−ジアミノ−2,8−ジメチルジベンゾチオフェンスルホン(DDBT)である。   The aromatic diamine represented by the formula (13) is 2,7-diaminofluorene (DAF), and the aromatic diamine represented by the formula (14) is 3,7-diamino-2,8-dimethyldibenzothiophene sulfone (DDBT). ).

上記フルオレン骨格とは異なる縮合環骨格(D)の例は、オルトペリ縮合した環を有する縮合環骨格である。縮合環骨格(D)がオルトペリ縮合した環を有する場合、オルト縮合した環のみからなる縮合環骨格に比べて、その平面性がより高くなる。このため、ポリイミド樹脂(A)の耐メタノール透過特性がより向上する。   An example of the condensed ring skeleton (D) different from the fluorene skeleton is a condensed ring skeleton having an orthopericondensed ring. When the condensed ring skeleton (D) has an orthopericondensed ring, its planarity is higher than that of a condensed ring skeleton composed only of an orthofused ring. For this reason, the methanol permeation resistance characteristics of the polyimide resin (A) are further improved.

オルトペリ縮合した環を有する縮合環骨格(D)は、例えば、ピレン骨格、フェナントレン骨格である。また、当該縮合環骨格(D)に2つのアミノ基が直接結合していることが好ましく、この場合、ポリイミド樹脂(A)の耐メタノール透過特性がさらに向上する。このような縮合環骨格(D)を有する第2の芳香族ジアミンの例を、以下の式(15)に示す。   The condensed ring skeleton (D) having an ortho-perfused ring is, for example, a pyrene skeleton or a phenanthrene skeleton. Moreover, it is preferable that two amino groups are directly bonded to the condensed ring skeleton (D). In this case, the methanol permeation resistance of the polyimide resin (A) is further improved. An example of the second aromatic diamine having such a condensed ring skeleton (D) is shown in the following formula (15).

式(15)に示す芳香族ジアミンは、1,6−ジアミノピレン(DAP)である。   The aromatic diamine represented by the formula (15) is 1,6-diaminopyrene (DAP).

縮合環骨格(D)はフェナントリジン骨格であってもよく、このとき、フェナントリジン骨格に2つのアミノ基が直接結合していることが好ましい。これにより、ポリイミド樹脂(A)の耐メタノール透過特性がさらに向上する。このような縮合環骨格(D)を有する第2の芳香族ジアミンの例を、以下の式(16)に示す。   The condensed ring skeleton (D) may be a phenanthridine skeleton. In this case, it is preferable that two amino groups are directly bonded to the phenanthridine skeleton. Thereby, the methanol permeation resistance characteristics of the polyimide resin (A) are further improved. An example of the second aromatic diamine having such a condensed ring skeleton (D) is shown in the following formula (16).

式(16)に示す芳香族ジアミンは、3,8−ジアミノ−6−フェニルフェナントリジン(D6PPT)である。   The aromatic diamine represented by the formula (16) is 3,8-diamino-6-phenylphenanthridine (D6PPT).

ポリイミド樹脂(A)の全構成単位に占める構成単位(B)、(C)の割合(ポリイミド樹脂(A)における構成単位(B)、(C)の含有率)は特に限定されず、例えば、構成単位(B)が50〜95モル%、構成単位(C)が5〜50モル%である。本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜におけるポリイミド系高分子電解質膜では、そのバランスを従来になく良好に(例えば、メタノール透過率MCOに対するプロトン伝導度κの比[κ/MCO]を従来になく高く)することも可能である。   The proportion of the structural units (B) and (C) in the total structural units of the polyimide resin (A) (contents of the structural units (B) and (C) in the polyimide resin (A)) is not particularly limited. The structural unit (B) is 50 to 95 mol%, and the structural unit (C) is 5 to 50 mol%. The polyimide-based polymer electrolyte membrane in the proton-conducting polymer electrolyte membrane of the present invention has an unprecedented balance (for example, a ratio of proton conductivity κ to methanol permeability MCO [κ / MCO] has never been It is also possible to increase it).

ポリイミド樹脂(A)のイオン交換容量は、0.5〜3.0meq/gが好ましく、1.0〜2.5meq/gがより好ましい。イオン交換容量が過度に大きいと、使用時における電解質膜の膨潤度が高くなることに起因する膜の変形や、耐メタノール透過特性の低下が起こる。一方、イオン交換容量が過度に小さいと、電解質膜のプロトン伝導性が低下して、電解質膜として十分な発電特性が得られない。ポリイミド樹脂(A)のイオン交換容量は、第1の芳香族ジアミンの種類ならびに構成単位(B)、(C)の含有率によって調整できる。   The ion exchange capacity of the polyimide resin (A) is preferably 0.5 to 3.0 meq / g, and more preferably 1.0 to 2.5 meq / g. When the ion exchange capacity is excessively large, the membrane is deformed due to the high degree of swelling of the electrolyte membrane during use, and the methanol permeation resistance is lowered. On the other hand, if the ion exchange capacity is excessively small, the proton conductivity of the electrolyte membrane is lowered, and sufficient power generation characteristics as the electrolyte membrane cannot be obtained. The ion exchange capacity of the polyimide resin (A) can be adjusted by the type of the first aromatic diamine and the contents of the structural units (B) and (C).

ポリイミド樹脂(A)の製造には、公知のポリイミド樹脂の製造方法を適用できる。このとき、重合系における第1および第2の芳香族ジアミンの量を調整することによって、得られたポリイミド樹脂(A)における構成単位(B)、(C)の含有率を制御できる。   A known method for producing a polyimide resin can be applied to the production of the polyimide resin (A). At this time, the content rate of the structural units (B) and (C) in the obtained polyimide resin (A) can be controlled by adjusting the amounts of the first and second aromatic diamines in the polymerization system.

(ポリイミド系高分子電解質膜)
本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜は、ポリイミド樹脂(A)を主成分として含む。ここで主成分とは、電解質膜における含有率が最大の成分をいい、当該含有率は典型的には50重量%以上であり、60重量%以上が好ましく、70重量%以上がさらに好ましい。本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜におけるポリイミド系高分子電解質膜は、ポリイミド樹脂(A)からなってもよい。
(Polyimide polymer electrolyte membrane)
The polyimide polymer electrolyte membrane in the present invention contains a polyimide resin (A) as a main component. Here, the main component means a component having the maximum content in the electrolyte membrane, and the content is typically 50% by weight or more, preferably 60% by weight or more, and more preferably 70% by weight or more. The polyimide polymer electrolyte membrane in the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention may be composed of a polyimide resin (A).

本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜の厚さは、5〜100μmが好ましい。   As for the thickness of the polyimide type polymer electrolyte membrane in this invention, 5-100 micrometers is preferable.

本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜は、高い耐メタノール透過特性を有し、例えば、60℃におけるメタノール透過率(MCO)が0.025mmol/(hr・cm)以下である。ポリイミド樹脂(A)における構成単位(C)の構造(第2の芳香族ジアミンの種類)およびその含有率によっては、0.020mmol/(hr・cm)以下となる。   The polyimide-based polymer electrolyte membrane in the present invention has high methanol permeation resistance characteristics, for example, the methanol permeability (MCO) at 60 ° C. is 0.025 mmol / (hr · cm) or less. Depending on the structure (type of the second aromatic diamine) of the structural unit (C) in the polyimide resin (A) and the content thereof, the content is 0.020 mmol / (hr · cm) or less.

本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜は、高いプロトン伝導性を有し、例えば、実施例において測定したプロトン伝導度κにして0.13S/cm以上である。ポリイミド樹脂(A)の構成によっては、κは0.15S/cm以上となる。   The polyimide-based polymer electrolyte membrane in the present invention has high proton conductivity, for example, a proton conductivity κ measured in Examples is 0.13 S / cm or more. Depending on the configuration of the polyimide resin (A), κ is 0.15 S / cm or more.

本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜は、耐メタノール透過特性とプロトン伝導性とのバランスを従来になく良好にでき、例えば、実施例において測定したメタノール透過率(MCO)に対するプロトン伝導度κの比(κ/MCO)が7000(S・hr)/mol以上であり、ポリイミド樹脂(A)の構成によっては、7500(S・hr)/mol以上、8000(S・hr)/mol以上、さらには8500(S・hr)/mol以上となる。   The polyimide-based polymer electrolyte membrane according to the present invention has an unprecedented balance between methanol permeation resistance and proton conductivity. For example, the ratio of proton conductivity κ to methanol permeability (MCO) measured in the examples. (Κ / MCO) is 7000 (S · hr) / mol or more, and depending on the structure of the polyimide resin (A), it is 7500 (S · hr) / mol or more, 8000 (S · hr) / mol or more, 8500 (S · hr) / mol or more.

本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜は、ポリイミド樹脂(A)が主成分であるとともに、本発明の効果が得られる限り、ポリイミド樹脂(A)以外の樹脂あるいは添加剤を含んでいてもよい。ポリイミド樹脂(A)以外の樹脂は、例えば、ポリアリーレンエーテル樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂である。添加剤は、例えば、架橋剤、酸化防止剤、ラジカルクエンチャー、シリカゲルなどの無機フィラーである。   The polyimide-based polymer electrolyte membrane in the present invention contains the polyimide resin (A) as a main component and may contain a resin or additive other than the polyimide resin (A) as long as the effects of the present invention are obtained. Resins other than the polyimide resin (A) are, for example, a polyarylene ether resin and a polyether sulfone resin. Additives are inorganic fillers, such as a crosslinking agent, antioxidant, a radical quencher, a silica gel, for example.

(フッ素系高分子電解質膜)
本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜におけるフッ素系高分子電解質膜としては、イオン伝導性および電気化学的安定性に優れ、PEFCにおける使用に適したフッ素系樹脂からなる電解質膜であれば特に規定されない。フッ素系樹脂としては、非プロトン伝導性であるテトラフルオロエチレンと、プロトン伝導性の置換基を有するフルオロエチレンとの共重合体であるフッ素系樹脂の組成物からなることが好ましく、典型的には、デュポン社製「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成社製の「アシプレックス(登録商標)」に代表される、パーフルオロスルホン酸樹脂である。
(Fluorine polymer electrolyte membrane)
The fluorine-based polymer electrolyte membrane in the proton-conductive polymer electrolyte membrane of the present invention is particularly defined as long as it is an electrolyte membrane made of a fluorine-based resin that is excellent in ion conductivity and electrochemical stability and suitable for use in PEFC. Not. The fluororesin is preferably composed of a fluororesin composition that is a copolymer of a non-proton conductive tetrafluoroethylene and a proton conductive fluoroethylene, typically Perfluorosulfonic acid resins represented by “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, “Flemion (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass Co., and “Aciplex (registered trademark)” manufactured by Asahi Kasei.

フッ素系高分子電解質膜の厚さは、本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜の用途にもよるが、1〜100μmが好ましい。フッ素系高分子電解質膜の厚さが過小であると、ポリイミド系高分子電解質膜と電極とを密着させる効果が十分に得られない。一方、厚さが過大であると、プロトン伝導性が低下してPEFCおよびDMFCへの使用が困難となるとともに、コストが高くなる。   Although the thickness of a fluorine-type polymer electrolyte membrane is based also on the use of the proton conductive polymer electrolyte membrane of this invention, 1-100 micrometers is preferable. If the thickness of the fluorine-based polymer electrolyte membrane is too small, the effect of closely adhering the polyimide-based polymer electrolyte membrane and the electrode cannot be obtained. On the other hand, if the thickness is excessive, the proton conductivity is lowered, making it difficult to use in PEFC and DMFC, and the cost is increased.

(プロトン伝導性高分子電解質膜)
本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜は、上記のポリイミド系高分子電解質膜およびフッ素系高分子電解質膜を備えており、フッ素系高分子電解質膜はポリイミド系高分子電解質膜の少なくとも片面に積層されている。フッ素系高分子電解質膜をポリイミド系高分子電解質膜の両面に積層する場合、2つのフッ素系高分子電解質膜は同一であっても異なっていてもよい。これらの電解質膜を積層する方法としては、熱プレス法や直接塗布法など、公知の手法を採用できる。本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜の構造は、本発明の効果が得られる限り、特に限定されない。
(Proton conducting polymer electrolyte membrane)
The proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention comprises the above polyimide polymer electrolyte membrane and the fluorine polymer electrolyte membrane, and the fluorine polymer electrolyte membrane is laminated on at least one surface of the polyimide polymer electrolyte membrane. Has been. When laminating a fluorine polymer electrolyte membrane on both sides of a polyimide polymer electrolyte membrane, the two fluorine polymer electrolyte membranes may be the same or different. As a method of laminating these electrolyte membranes, a known method such as a hot press method or a direct coating method can be adopted. The structure of the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained.

本発明におけるプロトン伝導性高分子電解質膜の厚さは、その用途にもよるが、DMFCを含む一般的なPEFCに用いる場合には10〜200μmが好ましく、機械的強度、プロトン伝導性および耐メタノール透過特性のバランスを考慮すると、20〜100μmが好ましい。プロトン伝導性高分子電解質膜の厚さが過小になると、プロトン伝導性は向上するものの、それ以上に機械的強度および耐メタノール透過特性の低下が大きくなることで電解質膜としての実用性が低下する。一方、厚さが過大になると、機械的強度および耐メタノール透過特性は向上するものの、プロトン伝導性が低下してPEFCおよびDMFCへの使用が困難となる。   The thickness of the proton conductive polymer electrolyte membrane in the present invention depends on its use, but is preferably 10 to 200 μm when used for a general PEFC including DMFC, and has mechanical strength, proton conductivity and methanol resistance. Considering the balance of transmission characteristics, 20 to 100 μm is preferable. When the thickness of the proton conductive polymer electrolyte membrane becomes too small, the proton conductivity improves, but the mechanical strength and methanol permeability resistance decrease more than that, and the practicality as an electrolyte membrane decreases. . On the other hand, if the thickness is excessive, the mechanical strength and the methanol permeation resistance are improved, but the proton conductivity is lowered, making it difficult to use for PEFC and DMFC.

本発明の電解質膜の用途は特に限定されないが、PEFCにおける高分子電解質膜(PEM)としての用途、特に燃料にメタノールを含む溶液を用いるDMFCにおけるPEMとしての用途に好適である。   The use of the electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but is suitable for use as a polymer electrolyte membrane (PEM) in PEFC, particularly as a PEM in DMFC using a solution containing methanol as a fuel.

(膜−電極接合体)
本発明の膜−電極接合体(MEA)の一例を、図1に示す。
(Membrane-electrode assembly)
An example of the membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention is shown in FIG.

図1に示すMEA1は、電解質膜2と、電解質膜2を狭持するように配置された一対の電極(アノード電極3、カソード電極4)とを備え、電解質膜2と電極3,4とは互いに接合されている。ここで、電解質膜2は上述した本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜であり、ポリイミド系高分子電解質膜21の両面にフッ素系高分子電解質膜22が積層されている。アノード電極(燃料極)3およびカソード電極(酸素極)4の構成は、それぞれ、一般的なMEAのアノード電極、カソード電極と同様であればよい。MEA1は熱プレス法や直接塗布法など公知の手法により形成できる。熱プレス法では、電解質膜2を電極3と電極4との間に配置し、これを熱プレスすることでMEA1が得られる。直接塗布法では、例えば、ポリイミド系高分子電解質膜の表面にフッ素系高分子電解質溶液を塗布して溶媒を緩やかに蒸発させ、これに電極を重ね合わせて熱を加えることで膜−電極接合体が作製できる。ポリイミド系高分子電解質膜と電極との間にフッ素系高分子電解質膜を配置することで、ポリイミド系高分子電解質膜を高温で熱融着させる必要がなくなるため、熱や圧力による膜や電極等への損傷を軽減することができる。   The MEA 1 shown in FIG. 1 includes an electrolyte membrane 2 and a pair of electrodes (an anode electrode 3 and a cathode electrode 4) arranged so as to sandwich the electrolyte membrane 2. The electrolyte membrane 2 and the electrodes 3 and 4 are Are joined together. Here, the electrolyte membrane 2 is the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention described above, and the fluorine-based polymer electrolyte membrane 22 is laminated on both surfaces of the polyimide-based polymer electrolyte membrane 21. The configurations of the anode electrode (fuel electrode) 3 and the cathode electrode (oxygen electrode) 4 may be the same as those of a general MEA anode electrode and cathode electrode, respectively. The MEA 1 can be formed by a known method such as a hot press method or a direct coating method. In the hot pressing method, the electrolyte membrane 2 is disposed between the electrode 3 and the electrode 4, and MEA 1 is obtained by hot pressing this. In the direct coating method, for example, a membrane-electrode assembly is obtained by applying a fluorine-based polymer electrolyte solution to the surface of a polyimide-based polymer electrolyte membrane, slowly evaporating the solvent, and then applying heat by superimposing electrodes on this. Can be made. By disposing a fluorine-based polymer electrolyte membrane between the polyimide-based polymer electrolyte membrane and the electrode, it is not necessary to heat-fuse the polyimide-based polymer electrolyte membrane at a high temperature. Damage to the can be reduced.

なお、燃料電池の発電時、電流密度の変化により、カソード電極中の触媒層においてプロトンが酸素と反応して生じる水の量が変化し、それに伴い触媒層の厚さも変化する。フッ素系高分子電解質膜は、このような触媒層の厚さの変化に追随し易い。それゆえ、ポリイミド系高分子電解質膜の片面のみにフッ素系高分子電解質膜を積層してプロトン伝導性高分子電解質膜とする場合は、当該フッ素系高分子電解質膜側がカソード電極側となるように当該プロトン伝導性高分子電解質膜を配置して膜−電極接合体(MEA)を作製することが好ましい。   During power generation of the fuel cell, the amount of water generated by protons reacting with oxygen in the catalyst layer in the cathode electrode changes due to the change in current density, and the thickness of the catalyst layer also changes accordingly. The fluorine-based polymer electrolyte membrane easily follows such a change in the thickness of the catalyst layer. Therefore, when a fluorine-based polymer electrolyte membrane is laminated on only one side of a polyimide-based polymer electrolyte membrane to form a proton conductive polymer electrolyte membrane, the fluorine-based polymer electrolyte membrane side should be the cathode electrode side. It is preferable to prepare a membrane-electrode assembly (MEA) by arranging the proton conductive polymer electrolyte membrane.

本発明の膜−電極接合体(MEA)は、電解質膜と電極との密着性が優れている。MEAをPEFCに組み込むことにより、PEFC、特に燃料にメタノールを含む溶液を用いるDMFCの発電特性を向上できる。   The membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention has excellent adhesion between the electrolyte membrane and the electrode. By incorporating the MEA into the PEFC, the power generation characteristics of the PEFC, particularly the DMFC using a solution containing methanol as the fuel, can be improved.

(高分子電解質型燃料電池)
本発明の高分子電解質型燃料電池の一例を、図2に示す。
(Polymer electrolyte fuel cell)
An example of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is shown in FIG.

図2に示す燃料電池11は、電解質膜2と、電解質膜2を狭持するように配置された一対の電極(アノード電極3、カソード電極4)と、上記一対の電極を狭持するように配置された一対のセパレータ(アノードセパレータ5、カソードセパレータ6)とを備え、各部材は、当該部材の主面に垂直な方向に圧力が印加された状態で接合されている。電解質膜2と電極3,4とは、MEA1を構成している。ここで、電解質膜2は上述した本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜であり、ポリイミド系高分子電解質膜21の両面にフッ素系高分子電解質膜22が積層されている。   The fuel cell 11 shown in FIG. 2 sandwiches the electrolyte membrane 2, a pair of electrodes (anode electrode 3 and cathode electrode 4) disposed so as to sandwich the electrolyte membrane 2, and the pair of electrodes. It is provided with a pair of separators (anode separator 5 and cathode separator 6) arranged, and each member is joined in a state where pressure is applied in a direction perpendicular to the main surface of the member. The electrolyte membrane 2 and the electrodes 3 and 4 constitute the MEA 1. Here, the electrolyte membrane 2 is the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention described above, and the fluorine-based polymer electrolyte membrane 22 is laminated on both surfaces of the polyimide-based polymer electrolyte membrane 21.

アノード電極(燃料極)3、カソード電極(酸素極)4、アノードセパレータ5およびカソードセパレータ6の構成は、それぞれ、一般的なPEFCにおける各部材と同様であればよい。   The configurations of the anode electrode (fuel electrode) 3, the cathode electrode (oxygen electrode) 4, the anode separator 5 and the cathode separator 6 may be the same as those of each member in a general PEFC.

本発明の燃料電池は、必要に応じて、図2に示す部材以外の部材を備えていてもよい。また、図2に示すPEFC11はいわゆる単セルであるが、本発明の燃料電池は、このような単セルを複数積層したスタックであってもよい。   The fuel cell of the present invention may include members other than the members shown in FIG. 2 as necessary. 2 is a so-called single cell, the fuel cell of the present invention may be a stack in which a plurality of such single cells are stacked.

本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜により、発電特性に優れる(特に燃料にメタノールを含む溶液を用いるDMFCとしたときの発電特性に優れる)燃料電池11とすることができる。   With the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention, a fuel cell 11 having excellent power generation characteristics (particularly excellent in power generation characteristics when DMFC using a solution containing methanol as fuel) can be obtained.

以下、実施例により、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下に示す実施例に限定されない。最初に、電解質膜の評価方法について説明する。
(イオン交換容量)
作製した電解質膜(面積約12cm2)を濃度3モル/Lの塩化ナトリウム水溶液に浸漬し、ウォーターバスにより水溶液を60度に昇温して12時間以上保持した。次に、水溶液を室温まで冷却した後、電解質膜を水溶液から取り出してイオン交換水で十分に洗浄した。洗浄に用いたイオン交換水はすべて、電解質膜を取り出した後の水溶液に加えた。次に、電解質膜を取り出した後の水溶液に含まれるプロトン(水素イオン)量を、電位差自動滴定装置(京都電子工業株式会社製、AT−510)を用いて濃度0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液で滴定して求め、求めたプロトン量と、塩化ナトリウム水溶液に浸漬する前にあらかじめ測定しておいた電解質膜の重量とから、作製した電解質膜のイオン交換容量[meq/g]を求めた。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited to the examples shown below. First, a method for evaluating an electrolyte membrane will be described.
(Ion exchange capacity)
The prepared electrolyte membrane (area: about 12 cm 2 ) was immersed in an aqueous sodium chloride solution having a concentration of 3 mol / L, and the aqueous solution was heated to 60 ° C. with a water bath and held for 12 hours or more. Next, after the aqueous solution was cooled to room temperature, the electrolyte membrane was taken out of the aqueous solution and sufficiently washed with ion-exchanged water. All the ion exchange water used for washing was added to the aqueous solution after the electrolyte membrane was taken out. Next, the amount of protons (hydrogen ions) contained in the aqueous solution after taking out the electrolyte membrane was measured using a potentiometric automatic titrator (AT-510, manufactured by Kyoto Denshi Kogyo Co., Ltd.) and a sodium hydroxide aqueous solution having a concentration of 0.05N. The ion exchange capacity [meq / g] of the produced electrolyte membrane was obtained from the proton amount obtained by titration and the weight of the electrolyte membrane measured in advance before being immersed in the sodium chloride aqueous solution.

(プロトン伝導度:κ)
作製した電解質膜の膜厚方向の膜抵抗Rmを、当該電解質膜を濃度1Mの硫酸水溶液に浸漬した状態で測定した。膜抵抗Rmは、電解質膜の膜厚方向に0〜0.3Aの範囲で電流を印加し、その際に測定された、電解質膜による電圧降下(電解質膜の膜厚方向に生じる電位差)の傾き(印加電流に対する傾き)から求めることができる。なお、測定に用いた電解質膜は、硫酸水溶液に浸漬させる前に、予め25℃の水に1時間以上浸漬し膨潤させた。プロトン伝導度κは、以下の式(17)により求めることができる。
(Proton conductivity: κ)
The membrane resistance Rm in the film thickness direction of the produced electrolyte membrane was measured in a state where the electrolyte membrane was immersed in a sulfuric acid aqueous solution having a concentration of 1M. The membrane resistance Rm is the slope of the voltage drop (potential difference generated in the thickness direction of the electrolyte membrane) measured by applying an electric current in the range of 0 to 0.3 A in the thickness direction of the electrolyte membrane. (Slope with respect to applied current). The electrolyte membrane used for the measurement was previously immersed in water at 25 ° C. for 1 hour or more and swollen before being immersed in the sulfuric acid aqueous solution. The proton conductivity κ can be obtained by the following equation (17).

κ=d1/(Rm×A) (17)
式(17)において、κはプロトン伝導度[S/cm]、Rmは膜抵抗[Ω]、d1は測定前の電解質膜の厚さ[cm]、Aは電解質膜における測定面積[cm2]である。
κ = d1 / (Rm × A) (17)
In equation (17), κ is proton conductivity [S / cm], Rm is membrane resistance [Ω], d1 is the thickness of the electrolyte membrane before measurement [cm], and A is the measurement area [cm 2 ] in the electrolyte membrane. It is.

(メタノール透過率:MCO)
作製した電解質膜を隔壁として、同一形状の一対のガラス容器を、その開口部において互いに連結した。次に、一方のガラス容器に、当該容器における上記とは別の開口部から濃度3モル/Lのメタノール水溶液(温度60℃)を、他方のガラス容器に、当該容器における上記とは別の開口部から蒸留水(温度60℃)を注ぎ入れた後、電解質膜を介して蒸留水側に透過したメタノールの量を、容器全体をウォーターバスにより60℃に保持した状態で一定時間ごとに定量した。メタノールの定量はガスクロマトグラフィ(GC)により行い、定量には、所定の濃度のメタノール水溶液に対するGC測定から作成した検量線を使用した。定量したメタノール量を経過時間に対してプロットし、当該プロットの傾きtから、以下の式(18)により電解質膜のメタノール透過率MCOを求めた。
(Methanol permeability: MCO)
A pair of glass containers having the same shape were connected to each other at the opening using the produced electrolyte membrane as a partition. Next, in one glass container, an aqueous methanol solution (temperature 60 ° C.) having a concentration of 3 mol / L from an opening different from the above in the container, and an opening different from the above in the container in the other glass container. After pouring distilled water (temperature 60 ° C.) from the part, the amount of methanol permeated to the distilled water side through the electrolyte membrane was quantified at regular intervals while the entire container was held at 60 ° C. with a water bath. . Methanol was quantified by gas chromatography (GC), and a calibration curve prepared from GC measurement on a methanol aqueous solution having a predetermined concentration was used for quantification. The determined amount of methanol was plotted against the elapsed time, and the methanol permeability MCO of the electrolyte membrane was determined from the slope t of the plot by the following equation (18).

MCO=t×d2/S (18)
式(18)において、MCOはメタノール透過率[mmol/(hr・cm)]、tはプロットの傾き[mmol/hr]、d2はMCOを評価した直後に測定した、膨潤した電解質膜の厚さ[cm]、Sは電解質膜における隔壁部分の面積[cm2]である。
MCO = t × d2 / S (18)
In formula (18), MCO is the methanol permeability [mmol / (hr · cm)], t is the slope of the plot [mmol / hr], and d2 is the thickness of the swollen electrolyte membrane measured immediately after evaluating the MCO. [Cm] and S are the area [cm 2 ] of the partition walls in the electrolyte membrane.

(参照例1)
第1の芳香族ジアミンとして、以下の式(19)で示す4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル−3,3’−ジスルホン酸(BAPBDS)を2.43g、第2の芳香族ジアミンとして、式(13)で示した2,7−ジアミノフルオレン(DAF)を0.451g、重合溶媒としてm−クレゾールを15mL、ならびにトリエチルアミンを1.32mLを内容積100mLの四つ口フラスコに加え、窒素気流下、内温80℃にて撹拌しながら、全体を均一に溶解させた。溶解後、テトラカルボン酸二無水物として、1.85gのナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物(NTDA)と、反応触媒として1.32gの安息香酸を四つ口フラスコに加え、そのままフラスコ内に窒素を流すとともに内容物を攪拌しながら、180℃で20時間重合を進行させた。重合終了後、得られた重合溶液をアセトンに滴下し、滴下によって析出した固形物を濾別して乾燥させた。
(Reference Example 1)
As the first aromatic diamine, 2.43 g of 4,4′-bis (4-aminophenoxy) biphenyl-3,3′-disulfonic acid (BAPBDS) represented by the following formula (19), the second aromatic diamine As a diamine, 0.451 g of 2,7-diaminofluorene (DAF) represented by the formula (13), 15 mL of m-cresol as a polymerization solvent, and 1.32 mL of triethylamine were added to a 100 mL four-necked flask. The whole was uniformly dissolved while stirring at an internal temperature of 80 ° C. under a nitrogen stream. After dissolution, 1.85 g of naphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic dianhydride (NTDA) as a tetracarboxylic dianhydride and 1.32 g of benzoic acid as a reaction catalyst in a four-necked flask In addition, while allowing the nitrogen to flow into the flask as it was and stirring the contents, the polymerization was allowed to proceed at 180 ° C. for 20 hours. After the completion of the polymerization, the obtained polymerization solution was added dropwise to acetone, and the solid matter precipitated by the addition was filtered and dried.

次に、得られた固形物をm−クレゾ−ルに溶解させて濃度8重量%のキャスト溶液とし、当該溶液をガラス板上に800μmの厚さでキャストした。キャスト後、全体を120℃で12時間乾燥させた後、得られたキャスト膜を濃度1mol/Lの硫酸に60℃で24時間浸漬させてプロトン交換した。次に、プロトン交換後のキャスト膜を純水で洗浄した後、150℃で12時間真空乾燥させて、ポリイミド系高分子電解質膜を得た。   Next, the obtained solid was dissolved in m-cresol to form a cast solution having a concentration of 8% by weight, and the solution was cast on a glass plate at a thickness of 800 μm. After casting, the whole was dried at 120 ° C. for 12 hours, and the obtained cast membrane was immersed in sulfuric acid having a concentration of 1 mol / L at 60 ° C. for 24 hours to exchange protons. Next, the cast membrane after proton exchange was washed with pure water, and then vacuum-dried at 150 ° C. for 12 hours to obtain a polyimide polymer electrolyte membrane.

(参照例2)
BAPBDSの使用量を2.11gとし、第2の芳香族ジアミンとして式(15)で示した1,6−ジアミノピレン(DAP)を0.465g使用し、m−クレゾールの使用量を25mL、トリエチルアミンの使用量を1.15mLとし、NTDAの使用量を1.61g、安息香酸の使用量を1.15gとし、キャスト溶液の濃度を6.5重量%とし、ガラス板上にキャストする厚さを900μmとした以外は、参照例1と同様にしてポリイミド系高分子電解質膜を得た。
(Reference Example 2)
The amount of BAPBDS used was 2.11 g, 0.465 g of 1,6-diaminopyrene (DAP) represented by formula (15) was used as the second aromatic diamine, the amount of m-cresol used was 25 mL, and triethylamine The amount used is 1.15 mL, the amount of NTDA used is 1.61 g, the amount of benzoic acid used is 1.15 g, the concentration of the casting solution is 6.5% by weight, and the thickness cast on the glass plate is A polyimide polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that the thickness was 900 μm.

(参照例3)
第2の芳香族ジアミンとして式(14)で示した3,7−ジアミノ−2,8−ジメチルジベンゾチオフェンスルホン(DDBT)を0.63g使用し、m−クレゾールの使用量を25mLとした以外は参照例1と同様にしてポリイミド系高分子電解質膜を得た。
(Reference Example 3)
Except that 0.63 g of 3,7-diamino-2,8-dimethyldibenzothiophenesulfone (DDBT) represented by the formula (14) was used as the second aromatic diamine and the amount of m-cresol used was 25 mL. A polyimide polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Reference Example 1.

(参照例4)
第2の芳香族ジアミンとして式(16)で示した3,8−ジアミノ−6−フェニルペンチルフェナンチリジン(D6PPT)を0.656g使用した以外は参照例3と同様にしてポリイミド系高分子電解質膜を得た。
(Reference Example 4)
A polyimide polymer electrolyte in the same manner as in Reference Example 3 except that 0.656 g of 3,8-diamino-6-phenylpentylphenanthridine (D6PPT) represented by the formula (16) was used as the second aromatic diamine. A membrane was obtained.

(参照例5)
第2の芳香族ジアミンとして以下の式(20)に示す1,4−フェニレンジアミン(PPD)を0.249g使用した以外は参照例3と同様にしてポリイミド系高分子電解質膜を得た。この膜の厚さは約40μmであった。
(Reference Example 5)
A polyimide polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Reference Example 3 except that 0.249 g of 1,4-phenylenediamine (PPD) represented by the following formula (20) was used as the second aromatic diamine. The thickness of this film was about 40 μm.

(参照例6)
第2の芳香族ジアミンとして以下の式(21)に示す1,5−ナフタレンジアミン(15ND)を0.364g使用した以外は参照例1と同様にしてポリイミド系高分子電解質膜を得た。
(Reference Example 6)
A polyimide polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that 0.364 g of 1,5-naphthalenediamine (15ND) represented by the following formula (21) was used as the second aromatic diamine.

(比較参照例1)
BAPBDSの使用量を3.65gとし、第2の芳香族ジアミンを使用しなかった以外は参照例1と同様にしてポリイミド系高分子電解質膜を得た。
(Comparative Reference Example 1)
A polyimide polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that the amount of BAPBDS used was 3.65 g and the second aromatic diamine was not used.

(比較参照例2)
市販のパーフルオロスルホン酸膜であるデュポン社製ナフィオン115膜(厚さ125μm)を電解質膜とした。
(Comparative Reference Example 2)
A Nafion 115 membrane (thickness 125 μm) manufactured by DuPont, which is a commercially available perfluorosulfonic acid membrane, was used as the electrolyte membrane.

これら参照例1〜6および比較参照例1,2の電解質膜について、イオン交換容量、プロトン伝導度およびメタノール透過率を測定した結果を以下の表1に示す。なお、表1における「Φ」は、メタノール透過率(MCO)に対するプロトン伝導度κの比(κ/MCO)である。電解質膜のΦの値が高い程、メタノールに対してプロトンを選択的に透過させる度合いが大きく、膜の性能が良いと判断できる。   Table 1 below shows the results of measuring the ion exchange capacity, proton conductivity and methanol permeability of the electrolyte membranes of Reference Examples 1 to 6 and Comparative Reference Examples 1 and 2. In Table 1, “Φ” is the ratio (κ / MCO) of proton conductivity κ to methanol permeability (MCO). It can be judged that the higher the value of Φ of the electrolyte membrane, the greater the degree of selective permeation of protons to methanol, and the better the performance of the membrane.

参照例1〜6の電解質膜は、本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜であり、第1の芳香族ジアミンと第2の芳香族ジアミンを用いている。これにより、参照例1〜6の電解質膜は高いプロトン伝導度および低いメタノール透過率を示し、Φの値が高く優れた膜である。特に、参照例1〜4の電解質膜は、3以上の環からなる縮合環骨格を有する第2の芳香族ジアミンが用いられているため、極めて高いΦを有している。これらに対し、比較参照例1ではプロトン伝導基を有さない第2の芳香族ジアミンが用いられていないため、Φの値が低い。また、比較参照例2は従来のフッ素系高分子電解質膜であり、プロトン伝導度およびΦの値が極めて低い。   The electrolyte membranes of Reference Examples 1 to 6 are polyimide polymer electrolyte membranes according to the present invention, and use the first aromatic diamine and the second aromatic diamine. Thus, the electrolyte membranes of Reference Examples 1 to 6 are high membranes exhibiting high proton conductivity and low methanol permeability, and having high values of Φ. In particular, the electrolyte membranes of Reference Examples 1 to 4 have an extremely high Φ because the second aromatic diamine having a condensed ring skeleton composed of three or more rings is used. On the other hand, in Comparative Reference Example 1, since the second aromatic diamine having no proton conductive group is not used, the value of Φ is low. Comparative Reference Example 2 is a conventional fluorine-based polymer electrolyte membrane, and the proton conductivity and the value of Φ are extremely low.

(実施例1)
参照例5で得たポリイミド系高分子電解質膜(厚さ約40μm)の両面に、フッ素系高分子電解質膜として、市販のパーフルオロスルホン酸膜であるデュポン社製ナフィオン膜(NRE−212CS、厚さ50μm)を配置した。この3つの電解質膜からなる積層体を、135℃、20MPaで3分間熱プレスした後、プレス機から取り出し、室温まで自然放冷した。こうして得られた積層膜を、プロトン伝導性高分子電解質膜として用いた。なお、このプロトン伝導性高分子電解質膜の厚さは136μmであり、このうち、ポリイミド系高分子電解質膜の厚さは40μmであり、2枚のフッ素系高分子電解質膜のそれぞれの厚さはいずれも48μmであった。
Example 1
On both sides of the polyimide polymer electrolyte membrane (thickness: about 40 μm) obtained in Reference Example 5, a commercially available perfluorosulfonic acid membrane Nafion membrane (NRE-212CS, thickness) as a fluoropolymer electrolyte membrane. 50 μm). The laminate composed of the three electrolyte membranes was hot-pressed at 135 ° C. and 20 MPa for 3 minutes, then taken out from the press and allowed to cool naturally to room temperature. The laminated film thus obtained was used as a proton conductive polymer electrolyte membrane. The proton conductive polymer electrolyte membrane has a thickness of 136 μm. Among these, the polyimide polymer electrolyte membrane has a thickness of 40 μm, and the thickness of each of the two fluoropolymer electrolyte membranes is Both were 48 μm.

この電解質膜を用いて以下に説明するように膜−電極接合体を作製し、燃料電池における出力特性を評価した。   Using this electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly was prepared as described below, and the output characteristics of the fuel cell were evaluated.

(アノード電極の作製)
白金−ルテニウム合金ブラック粉末(英国ジョンソンマッセイ社製 HiSPEC6000 Pt−Ru Black、Ruに対するPtの重量比=2)10g、ナフィオン粉末(デュポン社製 Nafion溶液DE−520をスプレードライ法で粉末化したもの)0.15g、純水8g、2−プロパノール6.4g、1−プロパノール6.4gを、遊星ボールミル粉砕機にて200rpmで3.0時間粉砕混合してペーストにした。ペーストから粉砕用のボールを取り除くことにより、触媒を含有するペーストを得た。このペーストを塗工機(テスター産業製 PI−1210自動塗工装置)にて5cm角の導電性撥水層担持カーボンペーパー上に塗布し、60℃で5分間加熱して乾燥させた後、135℃にて1分間ホットプレス成形を行って電極板を得た。カーボンペーパー上における固形分担持量は115mgであり、白金−ルテニウムの担持量は112mg(4.5mg/cm2)であった。この電極板を2.3cm角に切断してアノード電極とした。
(Preparation of anode electrode)
Platinum-ruthenium alloy black powder (Johnson Massey UK, HiSPEC6000 Pt-Ru Black, Pt to Ru weight ratio = 2) 10 g, Nafion powder (Dupon Nafion solution DE-520 powdered by spray drying) 0.15 g, pure water 8 g, 2-propanol 6.4 g, and 1-propanol 6.4 g were pulverized and mixed at 200 rpm for 3.0 hours in a planetary ball mill pulverizer to obtain a paste. The paste containing the catalyst was obtained by removing the balls for grinding from the paste. The paste was applied on a 5 cm square conductive water-repellent layer-supporting carbon paper with a coating machine (PI-1210 automatic coating apparatus manufactured by Tester Sangyo), heated at 60 ° C. for 5 minutes and dried, then 135 An electrode plate was obtained by hot press molding at 1 ° C. for 1 minute. The solid content supported on the carbon paper was 115 mg, and the supported amount of platinum-ruthenium was 112 mg (4.5 mg / cm 2 ). This electrode plate was cut into 2.3 cm square to form an anode electrode.

(カソード電極の作製)
白金を46重量%担持させた導電性カーボンブラック粉末触媒(田中貴金属社製 TEC10E50E)6.7g、Nafion粉末(上記と同一のもの)3.4g、純水16g、1−プロパノール12g、2−プロパノール12gを、遊星ボールミル粉砕機にて200rpmで3.0時間粉砕混合してペーストとした。ペーストから粉砕用のボールを取り除くことにより、触媒を含有するペーストを得た。このペーストを、上記と同様に、塗工機で5cm角の導電性撥水層担持カーボンペーパー上に塗布し、80℃で30分間加熱して乾燥させて電極板を得た。カーボンペーパー上における固形分担持量は115mgであり、白金の担持量は32.5mg(1.3mg/cm2)であった。この電極板を2.3cm角に切断し、カソード電極とした。
(Preparation of cathode electrode)
6.7 g of conductive carbon black powder catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) carrying 46% by weight of platinum, 3.4 g of Nafion powder (same as above), 16 g of pure water, 12 g of 1-propanol, 2-propanol 12 g was pulverized and mixed at 200 rpm for 3.0 hours with a planetary ball mill pulverizer to obtain a paste. The paste containing the catalyst was obtained by removing the balls for grinding from the paste. In the same manner as above, this paste was applied onto a 5 cm square conductive water-repellent layer-carrying carbon paper with a coating machine, heated at 80 ° C. for 30 minutes and dried to obtain an electrode plate. The amount of the solid content supported on the carbon paper was 115 mg, and the amount of platinum supported was 32.5 mg (1.3 mg / cm 2 ). This electrode plate was cut into 2.3 cm square to form a cathode electrode.

(膜−電極接合体の作製)
上述のプロトン伝導性高分子電解質膜を5cm角に切断した。アノード電極を、カーボンペーパー側の面が下となるように置き、この上に電解質膜を重ね合わせ、さらにこの上にカソード電極を、カーボンペーパー側の面が上となるように重ね合わせた。この積層体を135℃、3MPaで3分間プレスした後、プレス機から取り出して室温まで自然放冷し、膜−電極接合体を得た。
(Preparation of membrane-electrode assembly)
The proton conductive polymer electrolyte membrane was cut into 5 cm square. The anode electrode was placed so that the surface on the carbon paper side was down, the electrolyte membrane was overlaid thereon, and the cathode electrode was overlaid thereon so that the surface on the carbon paper side was up. The laminate was pressed at 135 ° C. and 3 MPa for 3 minutes, then taken out of the press and allowed to cool naturally to room temperature to obtain a membrane-electrode assembly.

(燃料電池の出力特性の評価)
膜−電極接合体を燃料電池セル(エレクトロケム社製)に組み込み、燃料電池評価装置(東陽テクニカ(株)製)を用いてセルの温度を70℃とした。大気圧下、加湿器温度70℃、流量250mL/分で酸素をカソード電極へ供給し、大気圧下、加湿器温度70℃(相対湿度100%に相当)、流量100mL/分で水素をアノード電極へ供給した。セルの電位を0.9Vから0.2Vまで掃引することを15回繰り返し、15回目における電流−出力カーブから最大出力密度を求めた。この結果、最大出力密度は480mW/cm2であった。
(Evaluation of fuel cell output characteristics)
The membrane-electrode assembly was incorporated into a fuel cell (manufactured by Electrochem), and the cell temperature was adjusted to 70 ° C. using a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica). Oxygen is supplied to the cathode electrode at a humidifier temperature of 70 ° C. and a flow rate of 250 mL / min at atmospheric pressure, and hydrogen is supplied to the anode electrode at a humidifier temperature of 70 ° C. (corresponding to a relative humidity of 100%) and a flow rate of 100 mL / min at atmospheric pressure. Supplied. Sweeping the cell potential from 0.9 V to 0.2 V was repeated 15 times, and the maximum output density was determined from the current-output curve at the 15th time. As a result, the maximum power density was 480 mW / cm 2 .

次に、上記燃料電池セルのDMFCとしての性能を評価した。まず、燃料電池セルのアノード電極側の燃料供給路を濃度1Mのメタノール水溶液で置換し、流量1.5mL/minで3時間保持した。その後、濃度10Mのメタノール水溶液で同様に置換して1時間保持した。その後、燃料電池評価装置(東陽テクニカ(株)製)を用いてセルの温度を70℃とした。加湿器温度70℃、流量250mL/minで酸素をカソード電極へ供給し、加湿器温度70℃(相対湿度100%に相当)、流量1.5mL/minで濃度10Mのメタノール水溶液をアノード電極へ供給した。このセルの電位を0.7Vから0.2Vまで掃引することを3回繰り返し、3回目における電流−出力カーブから最大出力密度を求めた。この結果、最大出力密度は110mW/cm2であった。 Next, the performance of the fuel cell as a DMFC was evaluated. First, the fuel supply path on the anode electrode side of the fuel cell was replaced with a 1 M concentration aqueous methanol solution, and held at a flow rate of 1.5 mL / min for 3 hours. Then, it substituted similarly with the methanol solution of concentration 10M, and hold | maintained for 1 hour. Thereafter, the cell temperature was set to 70 ° C. using a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.). Oxygen is supplied to the cathode electrode at a humidifier temperature of 70 ° C. and a flow rate of 250 mL / min, and an aqueous methanol solution having a concentration of 10 M is supplied to the anode electrode at a humidifier temperature of 70 ° C. (corresponding to a relative humidity of 100%) and a flow rate of 1.5 mL / min. did. The potential of the cell was swept from 0.7 V to 0.2 V three times, and the maximum output density was determined from the current-output curve at the third time. As a result, the maximum power density was 110 mW / cm 2 .

(比較例1)
比較参照例2のデュポン社製ナフィオン115膜(厚さ125μm)をプロトン伝導性高分子電解質膜として用い、実施例1と同様に膜−電極接合体を作製して燃料電池評価を行った。この結果、水素を燃料とした場合の最大出力密度は450mW/cm2、メタノールを燃料とした場合の最大出力密度は80mW/cm2であった。
(Comparative Example 1)
Using a Nafion 115 membrane (thickness: 125 μm) manufactured by DuPont of Comparative Reference Example 2 as a proton conductive polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 and evaluated for a fuel cell. As a result, the maximum output density in the case where hydrogen as fuel is the maximum power density in the case of 450 mW / cm 2, methanol and fuel was 80 mW / cm 2.

(実施例2)
2.3cm角の大きさのアノード電極を、実施例1と同様の方法で作製した。この電極の上に、参照例5で得たポリイミド系高分子電解質膜を5cm角に切断して配置し、さらにポリイミド系高分子電解質膜の表面にポリイミドテープを貼り付けて、ポリイミドテープで囲われた2.3cm角の窓を形成した。この窓部分にフッ素系高分子電解質溶液(デュポン社製 Nafion DE−520)を少しずつ滴下し、全体に均一な厚さとなるように塗布した。塗膜に含まれる溶媒を室温で約1時間風乾させて蒸発させ、厚さ3μmの塗膜を得た。この塗膜上に実施例1と同様のカソード電極を重ね合わせ、この積層体を135℃、3MPaで3分間熱プレスすることにより膜−電極接合体を得た。
(Example 2)
An anode electrode having a size of 2.3 cm square was produced in the same manner as in Example 1. On this electrode, the polyimide polymer electrolyte membrane obtained in Reference Example 5 was cut into a 5 cm square and placed, and a polyimide tape was attached to the surface of the polyimide polymer electrolyte membrane and surrounded by the polyimide tape. A 2.3 cm square window was formed. A fluorine-based polymer electrolyte solution (Nafion DE-520 manufactured by DuPont) was dropped little by little on this window portion, and applied to a uniform thickness throughout. The solvent contained in the coating film was air dried at room temperature for about 1 hour and evaporated to obtain a coating film having a thickness of 3 μm. A cathode electrode similar to that in Example 1 was placed on this coating film, and this laminate was hot-pressed at 135 ° C. and 3 MPa for 3 minutes to obtain a membrane-electrode assembly.

この膜−電極接合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察したときの写真を図5に示す。表面平滑性の高いポリイミド系高分子電解質膜と、表面に凹凸の多い電極とが、ナフィオン膜を介して密に接着されている。   A photograph of the cross section of this membrane-electrode assembly observed with a scanning electron microscope is shown in FIG. A polyimide-based polymer electrolyte membrane with high surface smoothness and an electrode with many irregularities on the surface are closely bonded via a Nafion membrane.

この膜−電極接合体を燃料電池セル(エレクトロケム社製)に組み込み、燃料電池評価装置(東陽テクニカ(株)製)を用いてセルの温度を70℃とした。大気圧下、加湿器温度70℃、流量250mL/minで合成空気(窒素:酸素=80:20)をカソード電極へ供給し、大気圧下、加湿器温度70℃、流量150mL/minで水素をアノード電極へ供給した。このセルを、セル内部の温度と湿度とを一定にする目的で1時間、負荷電流密度0mA/cm2の状態で保持した。この後、セル電位を0.6Vに固定して運転を開始し、運転時間と電流値とを測定してこれらの関係を調べた。この結果、図3(a)に示すように、セルの出力は20時間で電流値7.0Aに安定し、内部抵抗は8mΩであった。 This membrane-electrode assembly was incorporated into a fuel cell (manufactured by Electrochem) and the temperature of the cell was set to 70 ° C. using a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.). Synthetic air (nitrogen: oxygen = 80: 20) is supplied to the cathode electrode at a humidifier temperature of 70 ° C. and a flow rate of 250 mL / min under atmospheric pressure, and hydrogen is supplied at a humidifier temperature of 70 ° C. and a flow rate of 150 mL / min under atmospheric pressure. Supply to the anode electrode. This cell was held at a load current density of 0 mA / cm 2 for 1 hour for the purpose of keeping the temperature and humidity inside the cell constant. Thereafter, the cell potential was fixed at 0.6 V, the operation was started, the operation time and the current value were measured, and these relations were examined. As a result, as shown in FIG. 3A, the output of the cell was stabilized at a current value of 7.0 A in 20 hours, and the internal resistance was 8 mΩ.

燃料電池セルが安定した後、負荷電流密度を変化させたときの出力特性を測定して、この関係を調べた。この結果を図4(a)に示す。電位0.6Vにおける出力密度は168mW/cm2であった。また、セルの内部抵抗は負荷電流密度に依存せず、8.3mΩであった。 After the fuel cell was stabilized, the output characteristics when the load current density was changed were measured to investigate this relationship. The result is shown in FIG. The output density at a potential of 0.6 V was 168 mW / cm 2 . Further, the internal resistance of the cell was 8.3 mΩ without depending on the load current density.

(比較例2)
参照例5で得たポリイミド系高分子電解質膜をプロトン伝導性高分子電解質膜として用い、膜−電極接合体を作製した。なお、実施例1と同様の方法により膜−電極接合体を作製すると膜が電極から容易に剥がれたため、膜−電極接合体の作製は、膜の固定用型枠を用いることにより行った。すなわち、プロトン伝導性高分子電解質膜を5cm角に切断し、2.3cm角の窓を有する固定用型枠に固定した。これを実施例1と同様のアノード電極とカソード電極との間に配置することにより、膜−電極接合体を得た。
(Comparative Example 2)
Using the polyimide-based polymer electrolyte membrane obtained in Reference Example 5 as a proton conductive polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly was produced. Note that, when a membrane-electrode assembly was produced by the same method as in Example 1, the membrane was easily peeled off from the electrode. Therefore, the membrane-electrode assembly was produced by using a membrane fixing mold. That is, the proton conductive polymer electrolyte membrane was cut into a 5 cm square and fixed to a fixing mold having a 2.3 cm square window. This was disposed between an anode electrode and a cathode electrode similar to those in Example 1 to obtain a membrane-electrode assembly.

この膜−電極接合体を用いた以外は実施例2と同様にして燃料電池セルを作製し、運転時間と電流値との関係を調べた。この結果、図3(b)に示すように、セルの出力は41時間で電流値7.0Aに安定し、内部抵抗は10mΩであった。また、セル安定後の負荷電流密度と出力特性との関係を調べると、図4(b)に示す結果が得られた。電位0.6Vにおける出力密度は168mW/cm2であった。また、セルの内部抵抗は負荷電流密度に依存せず、9.6mΩであった。 A fuel cell was produced in the same manner as in Example 2 except that this membrane-electrode assembly was used, and the relationship between the operation time and the current value was examined. As a result, as shown in FIG. 3B, the output of the cell stabilized at a current value of 7.0 A in 41 hours, and the internal resistance was 10 mΩ. Further, when the relationship between the load current density after the cell was stabilized and the output characteristics was examined, the result shown in FIG. 4B was obtained. The output density at a potential of 0.6 V was 168 mW / cm 2 . The internal resistance of the cell was 9.6 mΩ regardless of the load current density.

以上のように、実施例1の燃料電池セルでは、本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜を用いており、水素を燃料としたときの最大出力が480mW/cm2、メタノールを燃料としたときの最大出力が110mW/cm2と高くなり、優れた発電特性が得られた。 As described above, the fuel cell of Example 1 uses the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention. When hydrogen is used as the fuel, the maximum output is 480 mW / cm 2 and when methanol is used as the fuel. The maximum output was as high as 110 mW / cm 2, and excellent power generation characteristics were obtained.

これに対し、比較例1の燃料電池セルでは、本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜を用いていないため、水素を燃料とした時およびメタノールを燃料とした時の最大出力が、それぞれ450mW/cm2、80mW/cm2と低くなり、セルの発電特性が劣っている。 In contrast, the fuel cell of Comparative Example 1 does not use the polyimide-based polymer electrolyte membrane of the present invention, so that the maximum output when hydrogen is used as fuel and when methanol is used as fuel is 450 mW / cm, respectively. 2 and 80 mW / cm 2, and the power generation characteristics of the cell are inferior.

実施例2および比較例2の燃料電池セルには、共に、本発明におけるポリイミド系高分子電解質膜が用いられている。このため、両セルにおいて、セル電位を0.6Vに固定して安定化させたときの電流値がともに7.0Aとなり、負荷電流を変化させたときの出力特性もほぼ等しくなった。   In each of the fuel cells of Example 2 and Comparative Example 2, the polyimide polymer electrolyte membrane of the present invention is used. For this reason, in both cells, the current value when the cell potential was fixed at 0.6 V and stabilized was 7.0 A, and the output characteristics when the load current was changed were substantially equal.

実施例2の燃料電池セルでは、ポリイミド系高分子電解質のカソード側にフッ素系高分子電解質膜が形成された、本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜を用いている。これにより、セルの運転開始から安定までの所要時間が20時間と短く、また、内部抵抗が8.3mΩと小さくなり、優れた発電特性が得られた。   The fuel cell of Example 2 uses the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention in which a fluorine polymer electrolyte membrane is formed on the cathode side of the polyimide polymer electrolyte. As a result, the time required from the start of operation of the cell to its stability was as short as 20 hours, and the internal resistance was as small as 8.3 mΩ, and excellent power generation characteristics were obtained.

これに対し、比較例2の燃料電池セルでは、ポリイミド系高分子電解質を単独でプロトン伝導性高分子電解質膜として用いている。このため、膜と電極との密着性が低く、セルの運転開始から安定までの所要時間が41時間と長く、また、内部抵抗が9.6mΩと大きくなり、セルの発電特性が劣っている。   On the other hand, in the fuel cell of Comparative Example 2, the polyimide polymer electrolyte is used alone as a proton conductive polymer electrolyte membrane. For this reason, the adhesion between the membrane and the electrode is low, the time required from the start of operation of the cell to the stabilization is as long as 41 hours, the internal resistance is as large as 9.6 mΩ, and the power generation characteristics of the cell are inferior.

以上のように、本発明では、ポリイミド系高分子質膜を適切に選択し、この少なくとも片面に適切なフッ素系高分子電解質膜を積層したことにより、プロトン伝導性が高く、耐メタノール透過性に優れたプロトン伝導性高分子電解質膜が得られる。また、本発明では、電解質膜や電極等に対して温度や圧力による損傷を与えることなく、電解質膜と電極との密着性が高い膜−電極接合体が得られる。さらに、これを用いた本発明の燃料電池セルでは、水素およびメタノールのいずれを燃料とした場合においても、優れた発電特性が得られる。   As described above, in the present invention, by appropriately selecting a polyimide polymer membrane and laminating an appropriate fluorine polymer electrolyte membrane on at least one surface, the proton conductivity is high and the methanol permeability resistance is improved. An excellent proton conductive polymer electrolyte membrane can be obtained. Further, in the present invention, a membrane-electrode assembly having high adhesion between the electrolyte membrane and the electrode can be obtained without damaging the electrolyte membrane, the electrode and the like due to temperature and pressure. Furthermore, in the fuel battery cell of the present invention using this, excellent power generation characteristics can be obtained regardless of whether hydrogen or methanol is used as the fuel.

本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜は、高分子電解質型燃料電池(PEFC)、特に、メタノールを含む溶液を燃料極に供給するダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)の電解質膜として好適に使用でき、従来のフッ素系高分子電解質膜よりも、発電特性に優れたPEFC、DMFCが実現できる。   The proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention can be suitably used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), particularly a direct methanol fuel cell (DMFC) for supplying a solution containing methanol to a fuel electrode. Thus, PEFC and DMFC, which have better power generation characteristics than conventional fluoropolymer electrolyte membranes, can be realized.

1 膜−電極接合体(MEA)
2 高分子電解質膜(PEM)
3 アノード電極
4 カソード電極
5 アノードセパレータ
6 カソードセパレータ
11 高分子電解質型燃料電池(PEFC)
21 ポリイミド系高分子電解質膜
22 フッ素系高分子電解質膜
1 Membrane-electrode assembly (MEA)
2 Polymer electrolyte membrane (PEM)
3 Anode electrode 4 Cathode electrode 5 Anode separator 6 Cathode separator 11 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC)
21 Polyimide polymer electrolyte membrane 22 Fluorine polymer electrolyte membrane

Claims (11)

ポリイミド系高分子電解質膜と、前記ポリイミド系高分子電解質膜の少なくとも片面に積層されたフッ素系高分子電解質膜とを備えるプロトン伝導性高分子電解質膜であって、
前記ポリイミド系高分子電解質膜は、テトラカルボン酸二無水物と、プロトン伝導基を有する第1の芳香族ジアミンと、プロトン伝導基を有さない第2の芳香族ジアミンと、の重縮合により形成されたポリイミド樹脂を主成分とする、プロトン伝導性高分子電解質膜。
A proton conductive polymer electrolyte membrane comprising a polyimide polymer electrolyte membrane and a fluorine polymer electrolyte membrane laminated on at least one side of the polyimide polymer electrolyte membrane,
The polyimide-based polymer electrolyte membrane is formed by polycondensation of tetracarboxylic dianhydride, a first aromatic diamine having a proton conductive group and a second aromatic diamine having no proton conductive group. Proton-conducting polymer electrolyte membrane comprising a polyimide resin as a main component.
前記第2の芳香族ジアミンが3以上の環からなる縮合環骨格を有する、請求項1に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the second aromatic diamine has a condensed ring skeleton composed of three or more rings. 前記第2の芳香族ジアミンが、前記縮合環骨格に2つのアミノ基が直接結合した構造を有する請求項2に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the second aromatic diamine has a structure in which two amino groups are directly bonded to the condensed ring skeleton. 前記縮合環骨格が、9位の炭素原子が酸素原子、窒素原子または硫黄原子によって置換されていてもよいフルオレン骨格である請求項2に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton-conducting polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the condensed ring skeleton is a fluorene skeleton in which the carbon atom at the 9-position may be substituted with an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom. 前記フルオレン骨格に2つのアミノ基が直接結合している請求項4に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein two amino groups are directly bonded to the fluorene skeleton. 前記縮合環骨格が、オルトペリ縮合した環を有する請求項2に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the condensed ring skeleton has an ortho-pericondensed ring. 前記縮合環骨格が、フェナントリジン骨格である請求項2に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the condensed ring skeleton is a phenanthridine skeleton. 前記プロトン伝導基がスルホン酸基である請求項1〜7のいずれかに記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the proton conductive group is a sulfonic acid group. 高分子電解質膜と、前記電解質膜を挟持するように配置された一対の電極とを備え、
前記電解質膜が、請求項1〜8のいずれかに記載のプロトン伝導性高分子電解質膜である膜−電極接合体。
A polymer electrolyte membrane, and a pair of electrodes arranged to sandwich the electrolyte membrane,
A membrane-electrode assembly, wherein the electrolyte membrane is the proton conductive polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8.
高分子電解質膜と、
前記電解質膜を狭持するように配置された一対の電極と、
前記一対の電極を狭持するように配置された一対のセパレータと、を備え、
前記高分子電解質膜が、請求項1〜8のいずれかに記載のプロトン伝導性高分子電解質膜である高分子電解質型燃料電池。
A polymer electrolyte membrane;
A pair of electrodes arranged to sandwich the electrolyte membrane;
A pair of separators arranged to sandwich the pair of electrodes, and
A polymer electrolyte fuel cell, wherein the polymer electrolyte membrane is the proton conductive polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8.
ダイレクトメタノール型である請求項10に記載の高分子電解質型燃料電池。
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 10, which is a direct methanol type.
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