JP2013229325A - Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and fuel cell Download PDF

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Yutaka Kasai
裕 葛西
Toru Okayama
透 岡山
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Aomori Prefectural Industrial Technology Research Center
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Aomori Prefectural Industrial Technology Research Center
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a polymer electrolyte membrane excellent in dimensional stability in a wet state, improved in mechanical strength, and low in environmental loads in disposal; a membrane electrode assembly including the polymer electrolyte membrane; and a fuel cell including the membrane electrode assembly.SOLUTION: A polymer electrolyte membrane is a membrane containing sulfoalkyl cellulose and cellulose nanofibers and including a crosslinked structure formed by a crosslinking agent therein. A membrane electrode assembly includes the polymer electrolyte membrane. A fuel cell includes the membrane electrode assembly.

Description

本発明は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を用いた膜電極接合体、およびこの
膜電極接合体を用いた燃料電池に関する。
The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell using the membrane electrode assembly.

電解質にプロトン伝導性の高分子を用いる固体高分子形燃料電池は、エネルギー変換効
率が高く、汚染物質の発生のないクリーンな発電装置であることから、省エネルギーや環
境問題の観点から注目されている。さらに固体高分子形燃料電池は、比較的低温で作動す
ることや、小型化が可能で高出力密度であるという特徴を有しており、電気自動車用や家
庭用の電源として期待されている。また、固体高分子形燃料電池の一種でメタノールを燃
料とする直接メタノール形燃料電池はエネルギー密度が高いことから小型電子機器用など
の可搬型の電源として期待されている。
Solid polymer fuel cells that use proton-conducting polymers as electrolytes are attracting attention from the viewpoints of energy saving and environmental problems because they are clean power generators with high energy conversion efficiency and no generation of pollutants. . Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell has features such that it operates at a relatively low temperature, can be miniaturized, and has a high output density, and is expected as a power source for electric vehicles and households. In addition, a direct methanol fuel cell using methanol as a kind of solid polymer fuel cell is expected to be a portable power source for small electronic devices because of its high energy density.

従来、固体高分子形燃料電池用の電解質膜としてはナフィオン(登録商標)等のパーフ
ルオロスルホン酸系高分子膜が用いられてきた。しかし、パーフルオロスルホン酸系高分
子膜は製造工程が複雑で非常に高価であるという問題があり、フッ素を含むため製造時、
廃棄時には環境への影響を考慮する必要もある。また、直接メタノール形燃料電池の電解
質膜に用いた場合には燃料のメタノールが電解質膜を透過(クロスオーバー)しやすいた
め、空気極に達したメタノールが酸素と直接反応し燃料の利用効率を低下させるばかりか
、過電圧が増大し電位を低下させてしまうという問題があった。
Conventionally, perfluorosulfonic acid polymer membranes such as Nafion (registered trademark) have been used as electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells. However, the perfluorosulfonic acid polymer membrane has a problem that the manufacturing process is complicated and very expensive, and since it contains fluorine,
It is also necessary to consider the environmental impact at the time of disposal. In addition, when used as an electrolyte membrane in a direct methanol fuel cell, the fuel methanol easily permeates (crosses over) the electrolyte membrane, so the methanol that reaches the air electrode directly reacts with oxygen, reducing the fuel utilization efficiency. In addition, there is a problem that the overvoltage increases and the potential is lowered.

そのため、低メタノール透過性であり、フッ素を含まない電解質膜として特許文献1に
は架橋スルホアルキルセルロース電解質膜が開示されている。
Therefore, Patent Document 1 discloses a crosslinked sulfoalkyl cellulose electrolyte membrane as an electrolyte membrane that has low methanol permeability and does not contain fluorine.

特開2010−218742号公報JP 2010-218742 A

しかしながら、特許文献1に記載の高分子電解質膜は含水時の膜の寸法安定性や機械強
度が不十分であり、燃料電池用電解質膜として実用面での課題があり、特にこの高分子電
解質膜を用いた膜電極接合体、およびこの膜電極接合体を用いた燃料電池においては、メ
タノール水溶液への耐性に課題があった。
However, the polymer electrolyte membrane described in Patent Document 1 has insufficient dimensional stability and mechanical strength when it contains water, and has practical problems as an electrolyte membrane for fuel cells. In the membrane electrode assembly using and the fuel cell using this membrane electrode assembly, there was a problem in resistance to the aqueous methanol solution.

そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、メタノール水溶
液により電解質膜が膨潤したり破損したりすることがなく、含水時の寸法安定性に優れ、
機械強度が改良された高分子電解質膜、この高分子電解質膜を用いた膜電極接合体、およ
びこの膜電極接合体を用いた燃料電池を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and the electrolyte membrane does not swell or break with the aqueous methanol solution, and has excellent dimensional stability when containing water,
It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte membrane with improved mechanical strength, a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell using the membrane electrode assembly.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、スルホアルキルセルロースとセル
ロースナノファイバーを含む膜であって、膜中に架橋剤によって架橋構造が付与されてい
る高分子電解質膜であることを要旨とする。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane comprising a sulfoalkyl cellulose and cellulose nanofiber, wherein the membrane is provided with a crosslinked structure by a crosslinking agent. This is the gist.

本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様で説明した高分子電解質膜と、この高分子
電解質膜の少なくとも片面に設けられた電極とを備える膜電極接合体であることを要旨と
する。
The second aspect of the present invention is a membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane described in the first aspect of the present invention and an electrode provided on at least one surface of the polymer electrolyte membrane. And

本発明の第3の態様は、(a)メタノール水溶液燃料タンクと、(b)本発明の第2の
態様で説明した膜電極接合体と、(c)この膜電極接合体を両側から挟持し、酸素および
メタノール水溶液燃料タンクから供給されるメタノール水溶液、空気供給装置から供給さ
れる酸素が通過可能な溝または開口部を有する一対の導電性のセパレーターとを備える燃
料電池であることを要旨とする。
The third aspect of the present invention includes (a) a methanol aqueous solution fuel tank, (b) the membrane electrode assembly described in the second aspect of the present invention, and (c) sandwiching the membrane electrode assembly from both sides. A fuel cell comprising: a methanol aqueous solution supplied from an oxygen and methanol aqueous solution fuel tank; and a pair of conductive separators having a groove or an opening through which oxygen supplied from an air supply device can pass. .

本発明によれば、メタノール水溶液により電解質膜が膨潤したり破損したりすることが
なく、含水時の寸法安定性に優れ、機械強度が改良され、廃棄時に環境負荷の少ない高分
子電解質膜、この高分子電解質膜を用いた膜電極接合体、およびこの膜電極接合体を用い
た燃料電池を提供することができる。
According to the present invention, the electrolyte membrane does not swell or break due to the aqueous methanol solution, has excellent dimensional stability when containing water, improved mechanical strength, and has a low environmental impact when discarded. A membrane electrode assembly using a polymer electrolyte membrane and a fuel cell using the membrane electrode assembly can be provided.

本発明の膜電極接合体の断面構造の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the cross-section of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の燃料電池の断面構造の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the cross-section of the fuel cell of this invention. 実施例4における燃料電池セルの電流密度と出力特性との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the current density and output characteristics of a fuel cell in Example 4. 実施例5における各メタノール濃度に対する燃料電池セルの電流密度と電圧との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the current density and voltage of a fuel cell with respect to each methanol concentration in Example 5. 実施例5における各メタノール濃度に対する燃料電池セルの電流密度と出力密度との関係を示すグラフである。10 is a graph showing the relationship between the current density and output density of a fuel cell with respect to each methanol concentration in Example 5.

本発明の高分子電解質膜は、セルロースナノファイバーにスルホアルキルセルロースが
複合化された複合膜に対して架橋反応を行うことによりスルホアルキルセルロースおよび
セルロースナノファイバー分子間に架橋構造を付与させることによって得られる。
The polymer electrolyte membrane of the present invention is obtained by providing a crosslinked structure between sulfoalkylcellulose and cellulose nanofiber molecules by performing a crosslinking reaction on a composite membrane in which sulfoalkylcellulose is combined with cellulose nanofiber. It is done.

本発明で用いるセルロースナノファイバーは平均繊維径が200nm以下のセルロース
繊維であればよく、公知のものが利用できる。セルロースナノファイバーとしては酢酸菌
等のバクテリアにより産生されるバクテリアセルロースや、植物由来のセルロースを解繊
処理したもの等が利用できる。
The cellulose nanofiber used by this invention should just be a cellulose fiber with an average fiber diameter of 200 nm or less, and a well-known thing can be utilized. Cellulose nanofibers that can be used include bacterial cellulose produced by bacteria such as acetic acid bacteria, and fibrillated cellulose derived from plants.

スルホアルキルセルロースはセルロースをスルホアルキル化することにより得られる。
その製造方法は特に限定されず、例えばセルロースを溶媒中で、ハロゲン化アルカンスル
ホン酸、ハロゲン化アルカンスルホン酸塩またはスルトン等のスルホアルキル化剤と反応
させる方法が利用できる。
Sulfoalkyl cellulose is obtained by sulfoalkylating cellulose.
The production method is not particularly limited. For example, a method in which cellulose is reacted with a sulfoalkylating agent such as halogenated alkanesulfonic acid, halogenated alkanesulfonic acid salt or sultone in a solvent can be used.

セルロースナノファイバーにスルホアルキルセルロースが複合化された複合膜は次のよ
うに製造することができる。スルホアルキルセルロースを水等の可溶性溶媒に溶解し、セ
ルロースナノファイバーと共にミキサーやホモジナイザーを用いて混合することにより、
スルホアルキルセルロース溶液中にセルロースナノファイバーが分散された分散溶液を得
る。次に、この分散溶液をガラス製や樹脂製の支持基材上に流延し、溶媒を揮発させ乾燥
することにより複合膜が得られる。
A composite membrane in which cellulose nanofibers are combined with sulfoalkyl cellulose can be produced as follows. By dissolving sulfoalkyl cellulose in a soluble solvent such as water and mixing with cellulose nanofibers using a mixer or homogenizer,
A dispersion solution in which cellulose nanofibers are dispersed in a sulfoalkylcellulose solution is obtained. Next, this dispersion solution is cast on a glass or resin support substrate, and the solvent is volatilized and dried to obtain a composite membrane.

また、複合膜の製造は、膜状や不織布状のセルロースナノファイバーに対してスルホア
ルキルセルロース溶液を含浸させ、次いで溶媒を揮発させ乾燥させる方法や、膜状や不織
布状のセルロースナノファイバーに対して直接スルホアルキル化を行い、セルロースナノ
ファイバーの一部をスルホアルキルセルロースに転化させる方法によっても可能である。
The composite membrane can be produced by impregnating a cellulose or non-woven cellulose nanofiber with a sulfoalkyl cellulose solution and then evaporating and drying the solvent. Direct sulfoalkylation is also possible, and a method of converting a part of cellulose nanofibers to sulfoalkylcellulose is also possible.

また、スルホアルキルセルロース溶液に後述する架橋剤を混合した上で複合膜を製造す
ることにより、架橋剤を含有する複合膜を得ることもできる。
Moreover, the composite film containing a crosslinking agent can also be obtained by mixing the sulfoalkyl cellulose solution with a crosslinking agent described later and then producing the composite film.

膜の厚さは10〜200μmが好ましく、膜厚が10μm未満であると強度が低下する
ほか、燃料である水素やメタノールの透過を十分阻止できないおそれがあり、200μm
を超えると膜抵抗が高くなり好ましくない。
The thickness of the membrane is preferably 10 to 200 μm. If the thickness is less than 10 μm, the strength is lowered, and the permeation of hydrogen or methanol as a fuel may not be sufficiently prevented.
Exceeding this is undesirable because the film resistance increases.

複合膜中のセルロースナノファイバーの含有量は5質量%以上80質量%以下であるこ
とが好ましい。セルロースナノファイバーの含有量が5質量%未満の場合は膜の寸法安定
性や強度が低下するため好ましくない。80質量%を超えると電解質膜のスルホン酸基濃
度が低くなり良好なプロトン伝導性が得られない。
The cellulose nanofiber content in the composite membrane is preferably 5% by mass or more and 80% by mass or less. When the content of the cellulose nanofiber is less than 5% by mass, the dimensional stability and strength of the film are lowered, which is not preferable. If it exceeds 80% by mass, the sulfonic acid group concentration of the electrolyte membrane will be low, and good proton conductivity will not be obtained.

複合膜に架橋構造を付与する方法は特に限定されず、例えば、複合膜を架橋剤を含む反
応溶液に浸漬し架橋反応を行う方法や、架橋剤を含有する複合膜に加熱等を行うことによ
り架橋反応を進行させる方法等を用いることができる。
The method for imparting a crosslinked structure to the composite membrane is not particularly limited. For example, by immersing the composite membrane in a reaction solution containing a crosslinking agent to carry out a crosslinking reaction, or by heating the composite membrane containing a crosslinking agent. A method of allowing the crosslinking reaction to proceed can be used.

架橋剤としてはホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、グルタルアルデヒド等のアルデ
ヒド類、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジ
ルエーテル、グリセロールポリグリシジルエーテル、ビスフェノールAジグリシジルエー
テル等のポリグリシジルエーテル類、コハク酸、シュウ酸、マレイン酸等の多価カルボン
酸類、エピクロロヒドリン等のエピハロヒドリン化合物類、テトラメトキシシラン、テト
ラエトキシシラン等の金属アルコキシド等を挙げることができる。
Examples of the crosslinking agent include aldehydes such as formaldehyde, acetaldehyde, and glutaraldehyde, ethylene glycol diglycidyl ether, polyethylene glycol diglycidyl ether, glycerol polyglycidyl ether, polyglycidyl ethers such as bisphenol A diglycidyl ether, succinic acid, oxalic acid, Examples thereof include polyvalent carboxylic acids such as maleic acid, epihalohydrin compounds such as epichlorohydrin, metal alkoxides such as tetramethoxysilane and tetraethoxysilane.

本発明の高分子電解質膜のイオン交換容量は0.5〜3.0meq/gにあることが好
ましい。0.5meq/g未満ではプロトン伝導度が低くなりすぎるため好ましくない。
3.0meq/gを超えると、膨潤が大きくなりメタノールの透過性が増加するため好ま
しくない。
The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 3.0 meq / g. If it is less than 0.5 meq / g, the proton conductivity becomes too low, which is not preferable.
If it exceeds 3.0 meq / g, swelling is increased and methanol permeability is increased, which is not preferable.

本発明の高分子電解質膜を燃料電池に用いる際には、必要に応じて電解質膜を塩酸水溶
液、硫酸水溶液等の酸水溶液に浸漬しスルホン酸塩をスルホン酸にイオン交換した後に使
用される。
When the polymer electrolyte membrane of the present invention is used in a fuel cell, it is used after the electrolyte membrane is immersed in an acid aqueous solution such as a hydrochloric acid aqueous solution or a sulfuric acid aqueous solution, and the sulfonate is ion-exchanged to sulfonic acid as necessary.

図1に本発明の膜電極接合体の断面構造の一例を模式的に示す。本発明の膜電極接合体
10は、前記高分子電解質膜1の少なくとも片面に電極4を備えたものであり、公知の方
法によって製造することが可能である。例えば、高分子電解質膜1の表面に電極4をホッ
トプレス等により接合することにより得られる。電極4は触媒層2のみ、または触媒層2
と拡散層3から形成される。触媒層2は触媒成分と電解質から形成された層であり、触媒
成分は白金や白金−ルテニウム合金等の微粒子、またはこれら微粒子をカーボン等の担体
に担持したものを用いることができ、電解質は前記スルホアルキルセルロースやパーフル
オロスルホン酸樹脂等を用いることができる。拡散層3としてはカーボンペーパーやカー
ボンクロス等を用いることができる。また、塗布法などにより高分子電解質膜1の表面に
直接触媒層2を形成することにより膜電極接合体10を製造することも可能である。
FIG. 1 schematically shows an example of a cross-sectional structure of the membrane electrode assembly of the present invention. The membrane / electrode assembly 10 of the present invention includes the electrode 4 on at least one surface of the polymer electrolyte membrane 1 and can be manufactured by a known method. For example, it can be obtained by bonding the electrode 4 to the surface of the polymer electrolyte membrane 1 by hot pressing or the like. The electrode 4 is the catalyst layer 2 only, or the catalyst layer 2
And the diffusion layer 3. The catalyst layer 2 is a layer formed from a catalyst component and an electrolyte, and the catalyst component can be a fine particle such as platinum or platinum-ruthenium alloy, or a material in which these fine particles are supported on a carrier such as carbon. A sulfoalkyl cellulose, a perfluorosulfonic acid resin, or the like can be used. As the diffusion layer 3, carbon paper, carbon cloth, or the like can be used. It is also possible to manufacture the membrane electrode assembly 10 by forming the catalyst layer 2 directly on the surface of the polymer electrolyte membrane 1 by a coating method or the like.

本発明の高分子電解質膜を用いて燃料電池を構成する方法は特に限定されず、公知の種
々の構造が採用可能である。図2に本発明の燃料電池の断面構造の一例を模式的に示す。
燃料電池11は前記膜電極接合体10を反応ガスやメタノール水溶液を供給する溝または
開口部が設けられた導電性の一対のセパレーター5で両側から挟持する構造をその一部に
含む。また、前記高分子電解質膜1の両面を一対の前記電極4で挟持し、この一対の電極
4を一対のセパレーター5で挟持することによっても燃料電池11を得ることができる。
膜電極接合体10を一対のセパレーター5で挟持した構造を直列的に多数積み重ねた構造
とすることもできる。
A method for constructing a fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, and various known structures can be employed. FIG. 2 schematically shows an example of a cross-sectional structure of the fuel cell of the present invention.
The fuel cell 11 includes a part of the structure in which the membrane electrode assembly 10 is sandwiched from both sides by a pair of conductive separators 5 provided with grooves or openings for supplying a reaction gas and an aqueous methanol solution. The fuel cell 11 can also be obtained by sandwiching both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 with a pair of the electrodes 4 and sandwiching the pair of electrodes 4 with a pair of separators 5.
A structure in which many membrane electrode assemblies 10 are sandwiched between a pair of separators 5 may be stacked in series.

以下に本発明の実施の形態をさらに詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらに
限定されるものではない。
Embodiments of the present invention will be described in more detail below, but the technical scope of the present invention is not limited thereto.

(合成例1:スルホエチルセルロースの合成)
2−プロパノール25mLにセルロース1.6gおよび30質量%水酸化ナトリウム水
溶液4.0mLを加え、1時間かくはんした。2−ブロモエタンスルホン酸ナトリウム2
.1gを加え、かくはんしながら70℃にてスルホエチル化反応を5時間行った。反応生
成物をろ過し、70質量%メタノール水溶液で洗浄後、さらにメタノールにて洗浄し、乾
燥することによりスルホエチルセルロースを得た。
(Synthesis Example 1: Synthesis of sulfoethyl cellulose)
1.6 g of cellulose and 4.0 mL of a 30% by mass sodium hydroxide aqueous solution were added to 25 mL of 2-propanol and stirred for 1 hour. Sodium 2-bromoethanesulfonate 2
. 1 g was added, and the sulfoethylation reaction was carried out at 70 ° C. with stirring for 5 hours. The reaction product was filtered, washed with a 70 mass% aqueous methanol solution, further washed with methanol, and dried to obtain sulfoethylcellulose.

(実施例1)
合成例1で作製したスルホエチルセルロースを蒸留水に溶解することにより約2質量%
水溶液を得た。この水溶液をバクテリアセルロースと共にホモジナイザーで混合すること
により分散溶液を得た。なお、スルホエチルセルロースとバクテリアセルロースの質量比
は1:1となるように調整した。この分散溶液をプラスチックシャーレ上に流延し、室温
にて乾燥することにより複合膜を作製した。
2−プロパノール40部に対しエチレングリコールジグリシジルエーテルを40部、お
よび0.1N水酸化ナトリウム水溶液を20部の割合で混合し架橋反応溶液を作製した。
この反応溶液に上記の複合膜を浸漬し、60℃にて5時間架橋反応を行った。この膜を0
.5N塩酸溶液に2時間浸漬することによりナトリウムイオンを水素イオンにイオン交換
後、蒸留水で十分洗浄し高分子電解質膜を得た。
Example 1
About 2% by mass by dissolving the sulfoethylcellulose prepared in Synthesis Example 1 in distilled water
An aqueous solution was obtained. This aqueous solution was mixed with bacterial cellulose by a homogenizer to obtain a dispersion solution. The mass ratio of sulfoethyl cellulose to bacterial cellulose was adjusted to 1: 1. This dispersion solution was cast on a plastic petri dish and dried at room temperature to prepare a composite membrane.
40 parts of ethylene glycol diglycidyl ether and 20 parts of 0.1N sodium hydroxide aqueous solution were mixed at a ratio of 20 parts to 40 parts of 2-propanol to prepare a crosslinking reaction solution.
The composite film was immersed in this reaction solution, and a crosslinking reaction was performed at 60 ° C. for 5 hours. This membrane is 0
. After immersing in a 5N hydrochloric acid solution for 2 hours, sodium ions were exchanged for hydrogen ions, and then sufficiently washed with distilled water to obtain a polymer electrolyte membrane.

(実施例2)
スルホエチルセルロースとバクテリアセルロースの質量比が3:1である以外は、実施
例1と同様にして高分子電解質膜を得た。
(Example 2)
A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio of sulfoethyl cellulose to bacterial cellulose was 3: 1.

(実施例3)
スルホエチルセルロースとバクテリアセルロースの質量比が1:3である以外は、実施
例1と同様にして高分子電解質膜を得た。
(Example 3)
A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio of sulfoethyl cellulose to bacterial cellulose was 1: 3.

(比較例1)
合成例1で作製したスルホエチルセルロースを蒸留水に溶解することにより約1.5質
量%水溶液を得た。この水溶液をプラスチックシャーレ上に流延し、室温にて乾燥するこ
とにより製膜した。
2−プロパノール40部に対しエチレングリコールジグリシジルエーテルを40部、お
よび0.1N水酸化ナトリウム水溶液を20部の割合で混合し架橋反応溶液を作製した。
この反応溶液に上記の膜を浸漬し、60℃にて5時間架橋反応を行った。この膜を0.5
N塩酸溶液に2時間浸漬することによりナトリウムイオンを水素イオンにイオン交換後、
蒸留水で十分洗浄し高分子電解質膜を得た。
(Comparative Example 1)
About 1.5 mass% aqueous solution was obtained by melt | dissolving the sulfoethyl cellulose produced by the synthesis example 1 in distilled water. This aqueous solution was cast on a plastic petri dish and dried at room temperature to form a film.
40 parts of ethylene glycol diglycidyl ether and 20 parts of 0.1N sodium hydroxide aqueous solution were mixed at a ratio of 20 parts to 40 parts of 2-propanol to prepare a crosslinking reaction solution.
The film was immersed in this reaction solution, and a crosslinking reaction was performed at 60 ° C. for 5 hours. This membrane is 0.5
After ion exchange of sodium ions for hydrogen ions by immersion in N hydrochloric acid solution for 2 hours,
The polymer electrolyte membrane was obtained by thoroughly washing with distilled water.

実施例1〜3および比較例1の高分子電解質膜に対し、以下のような方法で寸法変化率
、引張強度および破断伸び、プロトン伝導度を測定し、その結果を表1に示した。
With respect to the polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the dimensional change rate, tensile strength and elongation at break, and proton conductivity were measured by the following methods, and the results are shown in Table 1.

(膨潤時の寸法変化率の測定)
蒸留水または濃度5Mのメタノール水溶液中に1日間浸漬した電解質膜の面方向の大き
さ(Lw)と、1日間真空乾燥した電解質膜の面方向の大きさ(Ld)を測定し、以下の
式により寸法変化率を求めた。
寸法変化率(%)=(Lw−Ld)/Ld×100
(Measurement of dimensional change rate during swelling)
The size (Lw) in the surface direction of the electrolyte membrane immersed in distilled water or an aqueous methanol solution having a concentration of 5 M for 1 day and the size (Ld) in the surface direction of the electrolyte membrane vacuum-dried for 1 day were measured. Thus, the dimensional change rate was obtained.
Dimensional change rate (%) = (Lw−Ld) / Ld × 100

(引張強度および破断伸びの測定)
幅5.0mmの長方形に切断した乾燥状態と含水状態の電解質膜に対し、引張速度10
mm/minで引張試験を行い、引張強度および破断伸びを求めた。
(Measurement of tensile strength and elongation at break)
Tensile speed of 10% for dry and water-containing electrolyte membrane cut into 5.0mm width rectangle
A tensile test was performed at mm / min to determine tensile strength and elongation at break.

(プロトン伝導度の測定)
電解質膜を白金黒をめっきした白金はく電極を備えたフッ素樹脂製セルに挟み込み、S
olartron社製インピーダンスアナライザー(SI−1260)を用いて、室温に
て0.1Hz〜100kHzの周波数範囲で交流インピーダンス法により固体高分子電解
質膜の抵抗を測定しプロトン伝導度を求めた。測定中、電解質膜は湿潤状態に保持した。
(Measurement of proton conductivity)
The electrolyte membrane is sandwiched between fluororesin cells equipped with platinum-plated electrodes plated with platinum black, and S
The resistance of the solid polymer electrolyte membrane was measured by an alternating current impedance method in the frequency range of 0.1 Hz to 100 kHz at room temperature using an impedance analyzer (SI-1260) manufactured by polartron to determine proton conductivity. During the measurement, the electrolyte membrane was kept in a wet state.

Figure 2013229325
Figure 2013229325

(実施例4)
アノード用に白金ルテニウム担持カーボン、カソード用に白金担持カーボンをそれぞれ
ナフィオン(登録商標)溶液と混合し触媒インクを作製した。触媒インクをガス拡散層と
なるカーボンペーパー上にそれぞれ触媒担持量2mg/cmとなるように塗布し電極を
作製した。実施例1で作製した高分子電解質膜の両面をアノード用とカソード用の電極で
挟み込みホットプレスすることにより電極面積9cmの膜電極接合体を作製した。
上記の膜電極接合体を一対のグラファイト製セパレーターで両側から挟持し、メタノー
ル水溶液燃料タンクと、空気供給用の開口部を備えたセルに組み込み、パッシブ型の直接
メタノール形燃料電池を作製した。
上記の燃料電池を用いて、室温にて濃度5Mのメタノール水溶液を燃料として燃料電池
特性を評価した。その結果、図3に示すように最大出力密度は4.3mW/cmであっ
た。
Example 4
Platinum ruthenium-supported carbon for the anode and platinum-supported carbon for the cathode were mixed with a Nafion (registered trademark) solution to prepare a catalyst ink. The catalyst ink was applied onto carbon paper serving as a gas diffusion layer so that the amount of the catalyst supported was 2 mg / cm 2 , respectively, to produce an electrode. A membrane / electrode assembly having an electrode area of 9 cm 2 was produced by sandwiching both sides of the polymer electrolyte membrane produced in Example 1 with anode and cathode electrodes and hot pressing.
The membrane electrode assembly was sandwiched between a pair of graphite separators from both sides and incorporated into a cell having a methanol aqueous solution fuel tank and an air supply opening to produce a passive direct methanol fuel cell.
Using the above fuel cell, the fuel cell characteristics were evaluated using a methanol aqueous solution having a concentration of 5M at room temperature as a fuel. As a result, the maximum power density was 4.3 mW / cm 2 as shown in FIG.

(実施例5)
電極面積4cmである以外は、実施例4と同様にして膜電極接合体を作製した。
上記の膜電極接合体をメタノール水溶液または酸素の供給用の溝が設けられた一対のグ
ラファイト製セパレーターで両側から挟持し、さらにその外側を2枚の集電板と2枚の締
付板で挟持し、直接メタノール形燃料電池を作製した。
上記の燃料電池を用いて、温度25℃、メタノール水溶液の流量3mL/cm、酸素
の流量50mL/cmにて燃料電池特性を評価した。メタノール水溶液の濃度は1〜1
8Mにて評価した。その結果、図4および5に示すように、濃度18Mのような高濃度メ
タノール水溶液を用いた場合でも発電が可能であり、濃度5Mのメタノール水溶液を用い
た場合には最大出力密度は11mW/cmであった。
(Example 5)
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 4 except that the electrode area was 4 cm 2 .
The membrane electrode assembly is sandwiched from both sides by a pair of graphite separators provided with a groove for supplying methanol aqueous solution or oxygen, and the outside is sandwiched by two current collector plates and two clamping plates. Thus, a direct methanol fuel cell was produced.
Using the above fuel cell, the fuel cell characteristics were evaluated at a temperature of 25 ° C., a methanol aqueous solution flow rate of 3 mL / cm 2 , and an oxygen flow rate of 50 mL / cm 2 . The concentration of aqueous methanol solution is 1-1.
Evaluated at 8M. As a result, as shown in FIGS. 4 and 5, power generation is possible even when a high concentration methanol aqueous solution having a concentration of 18M is used, and when a methanol aqueous solution having a concentration of 5M is used, the maximum output density is 11 mW / cm. 2 .

(比較例2)
比較例1で作製した高分子電解質膜を用いて実施例4と同様に膜電極接合体と燃料電池
を作製して燃料電池特性を評価した。その結果、ほとんど発電しなかった。燃料電池から
膜電極接合体を取り出し状態を確認すると、電解質膜が破損していた。燃料電池内部でメ
タノール水溶液により電解質膜が膨潤し破損したものと考えられる。
(Comparative Example 2)
Using the polymer electrolyte membrane produced in Comparative Example 1, a membrane electrode assembly and a fuel cell were produced in the same manner as in Example 4, and the fuel cell characteristics were evaluated. As a result, almost no power was generated. When the state of taking out the membrane electrode assembly from the fuel cell was confirmed, the electrolyte membrane was damaged. It is considered that the electrolyte membrane was swollen and damaged by the methanol aqueous solution inside the fuel cell.

以上のように、本発明ではセルロースナノファイバーと複合化することにより、メタノ
ール水溶液により電解質膜が膨潤したり破損したりすることがなく、寸法安定性に優れ、
機械強度が改良された高分子電解質膜、およびこの高分子電解質膜を用いた膜電極接合体
を得ることができる。本発明の高分子電解質膜およびこの高分子電解質膜を用いた膜電極
接合体は直接メタノール形燃料電池に好適に使用できる。
As described above, in the present invention, by combining with cellulose nanofibers, the electrolyte membrane does not swell or break with the aqueous methanol solution, and has excellent dimensional stability.
A polymer electrolyte membrane with improved mechanical strength and a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte membrane can be obtained. The polymer electrolyte membrane of the present invention and the membrane electrode assembly using this polymer electrolyte membrane can be suitably used for direct methanol fuel cells.

1 高分子電解質膜
2 触媒層
3 拡散層
4 電極
5 セパレーター
10 膜電極接合体
11 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2 Catalyst layer 3 Diffusion layer 4 Electrode 5 Separator 10 Membrane electrode assembly 11 Fuel cell

Claims (10)

スルホアルキルセルロースとセルロースナノファイバーを含む膜であって、該膜中に架
橋剤によって架橋構造が付与されていることを特徴とする高分子電解質膜。
A polymer electrolyte membrane comprising a sulfoalkyl cellulose and cellulose nanofibers, wherein a crosslinked structure is imparted to the membrane by a crosslinking agent.
前記スルホアルキルセルロースがスルホエチルセルロース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膜。
The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the sulfoalkyl cellulose is sulfoethyl cellulose.
前記架橋剤がエポキシ基を有する架橋剤であることを特徴とする請求項1または2に記
載の高分子電解質膜。
The polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the crosslinking agent is a crosslinking agent having an epoxy group.
前記エポキシ基を有する架橋剤がエチレングリコールジグリシジルエーテルであること
を特徴とする請求項3に記載の高分子電解質膜。
The polymer electrolyte membrane according to claim 3, wherein the crosslinking agent having an epoxy group is ethylene glycol diglycidyl ether.
スルホアルキルセルロースとセルロースナノファイバーを含む膜であって、該膜中に架
橋剤によって架橋構造が付与されている高分子電解質膜と、
該高分子電解質膜の少なくとも片面に設けられた電極と
を備えることを特徴とする膜電極接合体。
A membrane comprising sulfoalkyl cellulose and cellulose nanofibers, wherein the membrane is provided with a crosslinked structure by a crosslinking agent; and
A membrane / electrode assembly comprising: an electrode provided on at least one surface of the polymer electrolyte membrane.
前記スルホアルキルセルロースがスルホエチルセルロースであることを特徴とする請求
項5に記載の膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 5, wherein the sulfoalkyl cellulose is sulfoethyl cellulose.
前記架橋剤がエポキシ基を有する架橋剤であることを特徴とする請求項5または6に記
載の膜電極接合体。
The membrane / electrode assembly according to claim 5 or 6, wherein the crosslinking agent is a crosslinking agent having an epoxy group.
メタノール水溶液燃料タンクと、
膜電極接合体と、
該膜電極接合体を両側から挟持し、酸素および前記メタノール水溶液燃料タンクから供
給されるメタノール水溶液が通過可能な溝または開口部を有する一対の導電性のセパレー
ターと
を備え、前記膜電極接合体が、スルホアルキルセルロースとセルロースナノファイバー
を含む膜であって、該膜中に架橋剤によって架橋構造が付与されている高分子電解質膜と
、該高分子電解質膜の少なくとも片面に設けられた電極とを備えることを特徴とする燃料
電池。
A methanol aqueous fuel tank,
A membrane electrode assembly;
A pair of conductive separators sandwiching the membrane electrode assembly from both sides and having a groove or an opening through which oxygen and a methanol aqueous solution supplied from the methanol aqueous solution fuel tank can pass, the membrane electrode assembly comprising: A polymer electrolyte membrane comprising a sulfoalkyl cellulose and cellulose nanofibers, wherein a polymer electrolyte membrane is provided with a crosslinking structure by a crosslinking agent, and an electrode provided on at least one surface of the polymer electrolyte membrane. A fuel cell comprising the fuel cell.
前記スルホアルキルセルロースがスルホエチルセルロースであることを特徴とする請求
項8に記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 8, wherein the sulfoalkyl cellulose is sulfoethyl cellulose.
前記架橋剤がエポキシ基を有する架橋剤であることを特徴とする請求項8または9に記
載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 8 or 9, wherein the cross-linking agent is a cross-linking agent having an epoxy group.
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