JP4143906B2 - Membrane electrode assembly, diffusion layer-containing material, and fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly, diffusion layer-containing material, and fuel cell Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に適用することが好ましい膜電極接合体、拡散層含有材料及びそれらを適用した燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単位セルは一般に膜電極接合体(以下、「MEA」と称する)の両面を燃料ガス(水素等)流路及び酸化剤ガス(酸素等)流路を備えたセパレータで狭持したものである。この単位セルを多数積層したものをスタックという。MEAは電子を通さず、イオンを透過する固体高分子電解質膜と、その固体高分子電解質膜の両面を狭持する電極とからなる。電極は、触媒を含む触媒層を固体高分子電解質膜に接する側の面にもつ。触媒層は燃料ガスと酸化剤ガスとの反応を触媒する作用をもつ。更に電極は触媒層の固体高分子電解質膜と接する面と反対側の面に拡散層をもつことができる。拡散層は燃料ガス又は酸化剤ガスや反応により生成した水等を拡散・透過させ触媒層で発生した電子を透過できる作用をもつ。
【0003】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池では発電の過程で発生する水の処理が問題となる。反応によって生成する水は主にカソード側に出てくるが、一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に出る。
【0004】
固体高分子電解質膜にはフッ素系の高分子材料が最も一般的に使用されている。代表的な電解質膜には市販のNafionTM(米国・デュポン社製商品名)がある。この固体高分子電解質膜は、他の固体高分子電解質と比較してプロトン伝導性が高いが、固体高分子電解質膜が乾燥すると急激にプロトン伝導性が低下する(ドライアップ)。また反対に、水が多量に存在すると性能低下を起こす(フラッディング)。このため固体高分子電解質型燃料電池では常に固体高分子電解質膜を適当な含水状態に制御することが求められる。同様に触媒層についても一定範囲の水分含有量を保持することが好ましい。触媒層もイオン伝導性を付与するために固体高分子電解質を含有するからである。この水分量は電池反応により生成する水を用いることで制御することが合理的である。
【0005】
通常、固体高分子電解質膜等の水分量は、拡散層によって制御している。従来の拡散層はガス透過性を付与するためのフッ素樹脂からなる多孔質高分子と導電性及び水透過性を付与するためのカーボン粉末等からなる導電助剤との混合物から構成される膜を機械的性質を向上するための基材上に形成することで製造される。
【0006】
また、水との相互作用が高く物質移動を促進するメタロキサンポリマーを触媒層に含有させることで水分量を調節する方法が特許文献1に開示されている。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−325963号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術の燃料電池では、一定条件下におけるガス透過性及び水透過性の制御はある程度達成できるものの、燃料電池の運転条件によっては充分な特性を発揮できない場合があった。たとえば、燃料電池を高出力で運転する場合には排水が追い付かずにフラッディングが生じたり、反対に排水しすぎてドライアップが生じたりした。その結果として本来燃料電池が有する高効率が生かし切れない。
【0009】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、適正な水分状態を制御できる燃料電池を提供すること及び同燃料電池に好適な膜電極接合体及び電極内の拡散層に使用できる拡散層含有材料を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意検討を行った結果、電池反応による生成水の発生に応じて電極の透水性を適正に変動させる方法に想到した。具体的には、生成水の発生量と相関性の高い指標として、電極の温度に着目した。電極の温度は燃料電池の電池反応の進行に応じて変化する。燃料電池の電池反応が進行すると、生成水の発生量は増加する。従って、生成水の発生量と電極温度とは相関性が高いと考えられる。
【0011】
すなわち、本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜上に接合された触媒層と前記触媒層に接合された拡散層とをもち該固体高分子電解質膜上に配設された電極と、を有する膜電極接合体であって、前記拡散層は、多孔質のカーボン粉末である導電助剤と、アクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、アクリル酸ペンタフルオロプロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸(ポリエチレンオキシド)モノメチルエーテル及びアクリル酸からなる群から選択される1以上のモノマーからなるホモポリマー又はコポリマーであり前記導電助剤の表面に共有結合された前記感温材料とをもつことを特徴とする。つまり、温度変化により物性が変化する感温材料を電極に含有させることで電極の透水性を電極の温度によって変動させている。
【0012】
料電池は電池反応の進行により、生成水の発生量も増加し、電極からの排水を促進する必要がある。そして、電池反応が進行すると電極の温度は上昇する。従って、前記電極は、所定温度以下で透水性が減少する。
【0013】
例えば、安定化した燃料電池の運転温度として想定する定常温度以上では想定されるよりも電池反応が活発化されており生成水の発生量が増加しているので、電極の透水性を向上することで電極からの排水を促進してフラッディングを防止する。反対に、電池の起動時のように、定常温度以下では電池反応が低下しているので生成水の発生量も減少しており、電極の透水性を減少させることで電極に水を保持することでドライアップを防止する。そこで、電極の透水性を変化させる所定温度として燃料電池を運転する際の定常温度等を採用することで触媒層の湿度を適正に制御できる。
【0014】
極における触媒層の湿度は生成水の流路構造に影響される。拡散層は生成水の流路構造と密接な関係にある。従って、電極の湿度を制御する為に拡散層によって透水性を変動させるものである。ここで、拡散層は触媒層の電池反応で発生した電子を集電する作用をもつ。拡散層は触媒層からの集電作用を効率的に発揮させるために、触媒層に含まれる粒子(例えばカーボン粉末にPt等の触媒微粒子を担持した粒子)と同程度の粒子径をもつ導電助剤を含む。拡散層が集電作用と水分量調節機能とを効率的に発揮するために、導電助剤の表面に感温材料を結合させる。
【0015】
導電助剤は、多孔質のカーボン粉末である。多孔質のカーボン粉末は入手性・集電性能等にも優れると共に、比表面積の大きさから、表面に結合される感温材料の効果を効率的に発揮できる。そして、燃料電池の電極内の過酷な環境にも耐えられるように、前記カーボン粉末と前記感温材料との間の結合は共有結合である。
【0016】
また、上記課題を解決する本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜上に接合された触媒層と前記触媒層に接合された拡散層とをもち該固体高分子電解質膜上に配設された電極と、を有する膜電極接合体であって、
前記拡散層は、多孔質のカーボン粉末である導電助剤と、下記一般式(1)〜(7)のいずれかに示す化学構造をもつ高分子材料(それぞれにおけるm、n、l、aは自然数)であり前記導電助剤の表面に共有結合された前記感温材料とをもつことを特徴とする。
【0020】
更に上記課題を解決する本発明の拡散層含有材料は、多孔質のカーボン粉末と、アクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、アクリル酸ペンタフルオロプロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸(ポリエチレンオキシド)モノメチルエーテル及びアクリル酸からなる群から選択される1以上のモノマーからなるホモポリマー又はコポリマーであり、該カーボン粉末の表面に共有結合された感温材料と、を有することを特徴とする。なお、拡散層含有材料とは、拡散層中に含まれる導電助剤と同様に電極内の拡散層に含有することで電極中で導電パスを形成する作用を発揮すると共に、電極の透水性を電極の温度に従って制御する作用をもつ材料である。
【0021】
そして上記課題を解決する本発明の燃料電池は、前述した膜電極接合体を有することを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
〔膜電極接合体〕
本実施形態の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜上に配設された電極とを有する。固体高分子電解質膜はイオン(プロトン)透過性に優れ且つ電流を流さない材料から構成される。現在汎用されている材料としてはパーフルオロスルホン酸系ポリマー(例えば商品名:NafionTM)を挙げることができる。この固体高分子電解質膜を特に限定されない一般的な厚さで用いることができる。
【0023】
電極は感温材料を含有し、触媒層をもつ。触媒層は水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとの反応を触媒する部材である。触媒層は固体高分子電解質膜上に接合されている。触媒層の構成は特に限定されず、通常の構成のものを採用できる。例えば、カーボン粉末等の触媒担体上に白金や白金のアロイ等の貴金属を含む触媒微粒子を分散させた触媒を製膜して用いることが可能である。例えば、この触媒を固体高分子電解質からなる結着剤等と混合してインクを製造した後に、固体高分子電解質膜表面に塗布・乾燥して製膜することで触媒層を形成できる。
【0024】
更に電極は拡散層をもつ。拡散層は触媒層(固体高分子電解質膜と接合する側の面と反対側の面)に接合される。拡散層は燃料ガス、酸化剤ガス及び生成水の触媒層への出入りを制御すると共に、触媒層で発生した電子を集電する部材である。拡散層は導電性及び水透過性を付与するためのカーボン粉末からなる導電助剤をもつ。更に、ガス透過性を付与するためのフッ素樹脂等からなる多孔質高分子をもつことができる。これらの混合物からなる膜を機械的性質を向上するためのカーボン繊維等の基材上に形成することなどで製造される。
【0025】
感温材料は温度変化により物性が変化する材料であり、物性の変化(物性の変化としては親水性が変化して水が透過し易くなる場合のほか、材料が有する細孔径が変化して水が透過し易くなる場合等がある。)によって、電極の透水性を変化させる。感温材料としては所定温度以下で透水性が減少する(又は、所定温以上で透水性が向上する)材料である
【0026】
所定温度としては本膜電極接合体が適用された燃料電池が定常運転している際の電極の定常温度(例えば80℃)が採用できる。電極の定常温度は電極温度を安定化させるために循環させている水等の熱媒体の温度等によって制御されている。電極の温度が定常温度以下の場合には電極で発生した生成水は相対的に高温の熱媒体によって蒸発し易く乾燥気味となるので、電極の透水性を減少させることにより、生成水を電極に保持することでドライアップを防止する。反対に電極の温度が定常温度よりも高い場合には電極で発生した生成水は相対的に低温の熱媒体により凝縮しやすくなって湿潤気味となるので、電極の透水性を高めることで、生成水の電極からの排出を促進することでフラッディングを防止する。
【0027】
温材料は拡散層に含ませる。拡散層はカーボン粉末等の導電助剤をもち、その導電助剤の表面に感温材料を結合させる。
【0028】
導電助剤としては比表面積を大きくするために多孔質のカーボン粉末とする。導電助剤の大きさは触媒層に用いられた、触媒担体の粒子径と同程度の大きさとすることが好ましく、1〜3μm程度とすることができる。感温材料はその導電助剤の表面に結合されており、長さが数10〜数百nm程度である。導電助剤が炭素材料である場合に、感温材料を結合する量は、感温材料:炭素材料の質量比で1:1000〜2:1程度とすることができる。
【0029】
導電助剤と感温材料とは共有結合により結合する。その結果、燃料電池内における安定性が向上する。
【0030】
感温材料はアクリルアミド、N−置換アクリルアミド、アクリル酸及びアクリル酸エステルからなる群から選択される1以上のモノマーからなるホモポリマー又はコポリマーが例示できる。具体的には、アクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、アクリル酸ペンタフルオロプロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸(ポリエチレンオキシド)モノメチルエーテル及びアクリル酸のうちの少なくとも1種からなるモノマーからなるホモポリマー又はコポリマーである。これら高分子化合物の分子量は特に限定しないが数百〜数万とすることができる。これらの感温材料がコポリマーである場合にはブロック共重合体、ランダム共重合体等の分子構造については特に限定されない。
【0031】
また、以下に示すような構造式で表される高分子化合物(m、n、laは自然数)を感温材料として採用することもできる。フッ素元素を側鎖に有し、親水性の低いモノマー(フッ素含有モノマー)をN−イソプロピルアクリルアミド等のある程度親水性が高く且つ温度変化により水への親和性が変化するモノマーと共重合させてコポリマーとすることによって感温材料の透水性を好ましいものとすることができる。
【0032】
つまり、フッ素含有モノマーを共重合させることで、感温材料の透水性変化(透水性変化前後の透水量の絶対値の差又は透水性変化前後の透水量の比)を大きくすることができ、感温材料の透水性が低い場合には確実に水を電極に保持し、反対に感温材料の透水性が高くなる場合には電極からの水の放出を促進できる。
【0033】
具体的には、低温時のように、N−イソプロピルアクリルアミド等の作用で透水性が低くなっている場合に、共重合されたフッ素含有モノマーの作用で、感温材料が全体として親水性が低下して透水性を低くすることができる。高温時にはN−イソプロピルアクリルアミド等の作用で感温材料の親水性が向上するのでフッ素含有モノマーによる親水性の低下の影響は少なくなると考えられる。
【0034】
【化1】
【0035】
【化2】
【0036】
【化3】
【0037】
【化4】
【0038】
【化5】
【0039】
【化6】
【0040】
【化7】
【0041】
カーボン粉末等の導電助剤の表面に高分子化合物からなる感温材料を結合させる方法としては、例えば、導電助剤の存在下で感温材料を構成するモノマーを重合させることで行うことができる。特にラジカル重合により感温材料の重合を行うと、ラジカル移動反応により導電助剤表面にもラジカルが発生することで、導電助剤の表面に感温材料を共有結合により結合することができる。
【0042】
膜電極接合体を製造する方法としては特に限定しない。例えば、固体高分子電解質からなる固体高分子電解質膜の表面に表面に触媒微粒子を担持したカーボン粉末等の触媒担体からなる触媒を固体高分子電解質溶液中に添加、混合してペースト状としたインクを塗布・乾燥して触媒層を形成し製造することができる。触媒層を構成するインク中に感温材料を添加することで、触媒層中に感温材料を添加でき、触媒層の透水性が温度によって変化する。触媒層の表面に拡散層を構成する材料(導電助剤、基材、固体高分子電解質等)を分散させたインク中に感温材料を添加することで、拡散層中に感温材料を添加でき、拡散層の透水性が温度によって変化する。感温材料を添加する場合に、構成材料に結合させた状態で添加すると、電極中での感温材料の安定性が向上する。
【0043】
〔触媒材料〕
本実施形態の触媒材料は燃料電池の電極内、特に電極の拡散層内に添加され、電極の透水性を制御する作用を発揮する材料である。具体的には、カーボン粉末と、アクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、アクリル酸ペンタフルオロプロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸(ポリエチレンオキシド)モノメチルエーテル及びアクリル酸からなる群から選択される1以上のモノマーからなるホモポリマー又はコポリマーであり、そのカーボン粉末の表面に結合された感温材料と、を有する。製造方法その他、詳細については「膜電極接合体」の欄で説明した通りなので更なる説明は省略する。
【0044】
〔燃料電池〕
本実施形態の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池である。本実施形態の燃料電池としては燃料電池セルを単独で又は複数積層したスタックを形成しているものである。燃料電池セルは、前述の膜電極接合体を有し、更にその膜電極接合体をセパレータで狭持している。膜電極接合体に含まれる感温材料が透水性を変化させる温度としては燃料電池を運転する場合の定常温度を採用することが好ましい。定常温度は燃料電池の冷却水温度等によって近似できる。本燃料電池の膜電極接合体において含まれる感温材料は、特にカソード内に含有させて発生する生成水を制御することが好ましい。
【0045】
膜電極接合体の固体高分子電解質膜を挟んだ両側の電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するガス供給装置がそれぞれ対応する側のセパレータから接続される。そして燃料ガスとしては水素ガスを酸化剤ガスとして空気をそれぞれ便宜的に規定する。
【0046】
セパレータも一般的に使用されている材質、形態のものが使用できる。セパレータには燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路が形成され、その流路には燃料ガスを供給するためのガス供給装置が接続されると同時に、反応しなかった燃料ガス及び発生した水を除去する手段とが接続される。
【0047】
【実施例】
以下に本発明の膜電極接合体に用いることができる感温性材料を導電助剤としてのアセチレンブラック上に結合した拡散層含有材料としての試験試料について詳細に説明する。この試験試料を燃料電池に適用するためには、ナフィオン等の固体高分子電解質によりこれらの試験試料を結着させて成形した膜を拡散膜として用いることができる。適用する燃料電池の定常運転温度に応じて、選択される試験試料が使用できる。
【0048】
〔試験試料の調製〕
(実施例1)
アクリルアミド20質量部、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミド]2質量部、水78質量部の配合比で調製した水溶液60gに、導電助剤としてのアセチレンブラック10gを添加し、100℃で3時間加熱して反応を行った。アクリルアミドのホモポリマーが感温材料として作用する。反応終了後、水に不溶の部分(不溶部)をろ取した。この不溶部を水200mL中に入れ、100℃で5分間加熱撹拌した後にろ取する操作を5回繰り返して、洗浄した。洗浄水中に流れ出た高分子化合物量の分析から、導電助剤への感温材料の導入割合は質量比で100:9.6(=導電助剤:感温材料)であった。
【0049】
得られた不溶部1gを水100mL中に入れて様子を観察したところ、水への分散性が向上し、よく水と馴染むことが観察された。それに対して反応前のアセチレンブラックは顕著な撥水性を示した。更に反応直後の不溶部についても親水性の様子を観察したが、5回洗浄後の不溶部と同様の親水性が観察された。従って、親水性を発揮できる高分子化合物をアセチレンブラックの表面に耐久性よく結合していることが確認できた。
【0050】
得られた不溶部を風熱乾燥機中、120℃で12時間乾燥させ、得られた粉末を実施例1の試験試料とした。
【0051】
(参考)
アクリルアミド20質量部、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミド]2質量部、水78質量部の配合比で調製した水溶液10gに1cm×1cm角の炭素シートを浸漬し、100℃で3時間加熱して反応を行った。その後、反応後の炭素シートから水溶物を抽出した。抽出はソックスレー抽出器と水とを用いて16時間行った。抽出後の炭素シートを風熱乾燥機中、120℃で12時間乾燥させた。反応前後の炭素シートの水に対する接触角を測定したところ、反応前が95°、反応後が55°となり、炭素シート表面の親水性が向上したことが分かった。この接触角は温度の上昇と共に小さくなるものと考えら得る。反応後の炭素シートの親水性は水溶物の抽出後でも認められたことから炭素シートの表面にアクリルアミドが強固に結合していることが推察できる。
【0052】
(実施例2〜4)
アクリルアミドとN−イソプロピルアクリルアミドとを20:80(実施例2)、30:70(実施例3)、50:50(実施例4)の質量比で混合した混合物を20質量部、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミド]2質量部、メタノール78質量部の配合比で調製した溶液60gに、アセチレンブラック10gを添加し、80℃のオイルバスで加熱し、メタノールを3時間還流させて反応を行った。アクリルアミドとN−イソプロピルアクリルアミドとのコポリマーが感温材料として作用する。反応終了後、メタノールに不溶の部分(不溶部)をろ取した。この不溶部をメタノール200mL中に入れ、5分間、撹拌した後にろ取する操作を5回繰り返して、洗浄した。洗浄水中に流れ出た高分子化合物量の分析から、導電助剤への感温材料の導入割合は質量比で100:10.2(実施例2)、100:8.3(実施例3)、100:9.4(実施例4)(=導電助剤:感温材料)であった。得られた不溶部を風熱乾燥機中、120℃で12時間乾燥させた。得られた粉末をそれぞれ実施例2〜4の試験試料とした。
【0053】
(実施例5)
N−イソプロピルアクリルアミド20質量部、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミド]2質量部、メタノール78質量部の配合比で調製した溶液60gに、アセチレンブラック10gを添加し、80℃で3時間加熱して反応を行った。N−イソプロピルアクリルアミドのホモポリマーが感温材料として作用する。反応終了後、メタノールに不溶の部分(不溶部)をろ取した。この不溶部をメタノール200mL中に入れ、5分間、撹拌した後にろ取する操作を5回繰り返して、洗浄した。洗浄水中に流れ出た高分子化合物量の分析から、導電助剤への感温材料の導入割合は質量比で100:9.0(=導電助剤:感温材料)であった。得られた不溶部を風熱乾燥機中、120℃で12時間乾燥させた。得られた粉末を実施例5の試験試料とした。
【0054】
(実施例6)
アクリル酸ペンタフルオロプロピル20質量部、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミド]2質量部、トルエン78質量部の配合比で調製した溶液60gに、アセチレンブラック10gを添加し、100℃で3時間加熱して反応を行った。アクリル酸ペンタフルオロプロピルのホモポリマーが感温材料として作用する。反応終了後、トルエンに不溶の部分(不溶部)をろ取した。この不溶部をトルエン200mL中に入れ、5分間、撹拌した後にろ取する操作を5回繰り返して、洗浄した。洗浄水中に流れ出た高分子化合物量の分析から、導電助剤への感温材料の導入割合は質量比で100:44(=導電助剤:感温材料)であった。得られた不溶部を風熱乾燥機中、120℃で12時間乾燥させた。得られた粉末を実施例6の試験試料とした。
【0055】
(比較例)
実施例1〜6で用いたアセチレンブラックをそのまま比較例の試験試料とした。
【0056】
〔透水性試験〕
図1に示すように、実施例1〜6及び比較例のそれぞれの試験試料200mgを2枚の濾紙(直径6cm)に均一に挟み込んだ試料10を、更に内径2.8cmの2本のガラス管11,12の管口で挟み込んで透水試験管1を作製した。
【0057】
作製した透水試験管1に種々の温度の水Wを101kPaの圧力で通して、1分間で通過した水の質量を測定した。
【0058】
結果を図2(実施例1)、図3(実施例2)、図4(実施例3)、図5(実施例4)、図6(実施例5)、図7(実施例6)、図8(比較例)に示す。各実施例の試験試料はすべて特定の温度以上となると透水量が増加することが分かった。実施例1の試験試料(図2)では70乃至は80℃程度を境に透水性が変化していることが判明した。実施例2の試験試料(図3)では60乃至は70℃程度を境に透水性が変化していることが判明した。実施例3の試験試料(図4)では60乃至は70℃程度を境に透水性が変化していることが判明した。実施例4の試験試料(図5)では60℃程度を境に透水性が変化していることが判明した。実施例5の試験試料(図6)では50乃至は60℃程度を境に透水性が変化していることが判明した。実施例6の試験試料(図7)では60乃至は70℃程度を境に透水性が変化していることが判明した。それに対して比較例の試験試料(図8)では温度に係わらず透水性は、ほぼ一定であることが判明した。
【0059】
実施例1〜5の結果から、N−イソプロピルアクリルアミドの混合比が50%以上(アクリルアミドの混合比が50%以下)にすると、50℃乃至は60℃程度の特定の温度を超えたあたりから顕著な透水性の向上が認められた。
【0060】
反対に、N−イソプロピルアクリルアミドの混合比を50%未満(アクリルアミドの混合比が50%超)とすると、透水する水の温度上昇に従い緩やかに透水性が向上することが明らかとなった。ポリアクリル酸ペンタフルオロプロピルを結合した実施例6の試験試料は温度変化により導電助剤表面に結合した分子鎖の流動性が向上し、水流が流れるようになったものと推測できる。
【0061】
また、実施例2の試験試料について透水する水の温度を20℃と60℃とで交互に変化させた場合の1分間あたりの透水量を測定したところ、表1に示すように、水の温度が低いときには透水量が小さく、水の温度が高い場合には透水量が大きくなり、且つ水の温度の高低により可逆的に透水性を制御できることが確認された。
【0062】
【表1】
【0063】
以上説明した実施例1〜6のような感温材料を表面に結合した導電助剤は固体高分子電解質型燃料電池の電極内に含有させることで、電極の透水性を適正に制御することができるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】透水試験の試験方法を示した概略図である。
【図2】実施例1の試験試料おける透水量の温度依存性を示したグラフである。
【図3】実施例2の試験試料おける透水量の温度依存性を示したグラフである。
【図4】実施例3の試験試料おける透水量の温度依存性を示したグラフである。
【図5】実施例4の試験試料おける透水量の温度依存性を示したグラフである。
【図6】実施例5の試験試料おける透水量の温度依存性を示したグラフである。
【図7】実施例6の試験試料おける透水量の温度依存性を示したグラフである。
【図8】比較例の試験試料おける透水量の温度依存性を示したグラフである。
【符号の説明】
1…透水試験管
10…試料 11、12…ガラス管
2…ビーカ
3…秤
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention is preferably applied to a solid polymer electrolyte fuel cell membrane electrode assembly, Diffusion layer-containing materials, and fuel cells using themAbout.
[0002]
[Prior art]
A unit cell, which is the minimum power generation unit of a solid polymer electrolyte fuel cell, generally has a fuel gas (hydrogen etc.) flow path and an oxidant gas (oxygen etc.) flow on both sides of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”). It is sandwiched by a separator with a path. A stack of many unit cells is called a stack. The MEA includes a solid polymer electrolyte membrane that does not transmit electrons and transmits ions, and electrodes that sandwich both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. The electrode has a catalyst layer containing a catalyst on the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane. The catalyst layer has a function of catalyzing a reaction between the fuel gas and the oxidant gas. Furthermore, the electrode can have a diffusion layer on the surface of the catalyst layer opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane. The diffusion layer has a function of diffusing and permeating fuel gas or oxidant gas, water generated by the reaction, and the like, and transmitting electrons generated in the catalyst layer.
[0003]
By the way, in the solid polymer electrolyte fuel cell, treatment of water generated in the process of power generation becomes a problem. The water produced by the reaction mainly comes out to the cathode side, but part of it passes through the solid polymer electrolyte membrane and comes out to the anode side.
[0004]
For the solid polymer electrolyte membrane, a fluorine-based polymer material is most commonly used. A typical electrolyte membrane is a commercially available NafionTM(Product name manufactured by DuPont, USA). This solid polymer electrolyte membrane has a higher proton conductivity than other solid polymer electrolytes, but when the solid polymer electrolyte membrane dries, the proton conductivity rapidly decreases (dry up). Conversely, if a large amount of water is present, the performance deteriorates (flooding). For this reason, in a solid polymer electrolyte fuel cell, it is always required to control the solid polymer electrolyte membrane to an appropriate water-containing state. Similarly, it is preferable to maintain a moisture content within a certain range for the catalyst layer. This is because the catalyst layer also contains a solid polymer electrolyte in order to impart ion conductivity. It is reasonable to control this amount of water by using water generated by the battery reaction.
[0005]
Usually, the moisture content of the solid polymer electrolyte membrane or the like is controlled by a diffusion layer. A conventional diffusion layer is a film composed of a mixture of a porous polymer made of a fluororesin for imparting gas permeability and a conductive additive made of carbon powder or the like for imparting conductivity and water permeability. Manufactured by forming on a substrate to improve mechanical properties.
[0006]
Further, Patent Document 1 discloses a method of adjusting the amount of water by including in the catalyst layer a metalloxane polymer that has a high interaction with water and promotes mass transfer.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-325963 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell, although control of gas permeability and water permeability under a certain condition can be achieved to some extent, sufficient characteristics may not be exhibited depending on the operating conditions of the fuel cell. For example, when the fuel cell is operated at a high output, the drainage does not catch up and flooding occurs. As a result, the high efficiency inherent in the fuel cell cannot be fully utilized.
[0009]
  The present invention has been made in view of the above points. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of controlling an appropriate moisture state, and a membrane electrode assembly and an electrode suitable for the fuel cell.Inner diffusion layerCan be used forContains diffusion layerTo provide materials.
[0010]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
As a result of intensive investigations aimed at solving the above-mentioned problems, the present inventors have come up with a method for appropriately varying the water permeability of the electrode according to the generation of water produced by the battery reaction. Specifically, the temperature of the electrode was focused as an index highly correlated with the amount of generated water. The temperature of the electrode changes according to the progress of the cell reaction of the fuel cell. As the cell reaction of the fuel cell proceeds, the amount of generated water increases. Therefore, the amount of generated water and the electrode temperature are considered to have a high correlation.
[0011]
  That is, the membrane electrode assembly of the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane and a catalyst layer bonded on the solid polymer electrolyte membrane.And a diffusion layer joined to the catalyst layerAn electrode disposed on the solid polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly comprising:The diffusion layer is composed of a conductive assistant that is porous carbon powder, acrylamide, N-isopropylacrylamide, pentafluoropropyl acrylate, butyl acrylate, hydroxyethyl acrylate, acrylic acid (polyethylene oxide) monomethyl ether, and acrylic acid. A homopolymer or copolymer comprising one or more monomers selected from the group consisting of the thermosensitive material covalently bonded to the surface of the conductive additiveIt is characterized byTheIn other words, the water permeability of the electrode is varied depending on the temperature of the electrode by including in the electrode a temperature-sensitive material whose physical properties change with temperature change.
[0012]
BurningIn the battery, the amount of generated water increases as the battery reaction proceeds, and it is necessary to promote drainage from the electrode. As the battery reaction proceeds, the temperature of the electrode rises. Therefore, the permeability of the electrode decreases below a predetermined temperature.The
[0013]
For example, since the cell reaction is more active than expected and the amount of generated water is increased above the steady temperature assumed as the operating temperature of the stabilized fuel cell, the water permeability of the electrode is improved. In order to prevent flooding by promoting drainage from the electrode. On the other hand, as the battery starts up, the battery reaction is reduced below the steady temperature, so the amount of generated water is also reduced, and water is retained in the electrode by reducing the water permeability of the electrode. To prevent dry-up. Therefore, the humidity of the catalyst layer can be properly controlled by adopting a steady temperature or the like when operating the fuel cell as the predetermined temperature for changing the water permeability of the electrode.
[0014]
ElectricThe humidity of the catalyst layer at the pole is affected by the flow path structure of the produced water. The diffusion layer is closely related to the flow path structure of the generated water. Therefore, the water permeability is changed by the diffusion layer to control the humidity of the electrode.Is a thing. Here, the diffusion layer has a function of collecting electrons generated by the battery reaction of the catalyst layer. In order for the diffusion layer to efficiently exhibit the current collecting action from the catalyst layer, a conductive assistant having a particle size comparable to that of the particles contained in the catalyst layer (for example, particles having catalyst fine particles such as Pt supported on carbon powder). Contains agents. In order for the diffusion layer to efficiently perform the current collecting action and the moisture content adjusting function, a temperature sensitive material is bonded to the surface of the conductive additive.The
[0015]
  The conductive additive is porous carbon powder.ThePorous carbon powder is excellent in availability, current collecting performance, and the like, and can effectively exhibit the effect of the temperature-sensitive material bonded to the surface due to the large specific surface area. The bond between the carbon powder and the temperature sensitive material is a covalent bond so that it can withstand the harsh environment in the electrode of the fuel cell.The
[0016]
A membrane electrode assembly of the present invention that solves the above problems comprises a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer bonded on the solid polymer electrolyte membrane, and a diffusion layer bonded to the catalyst layer. An electrode disposed on the solid polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly comprising:
The diffusion layer includes a conductive assistant that is porous carbon powder, and a polymer material having a chemical structure represented by any of the following general formulas (1) to (7) (m, n, l, and a in each are And the temperature sensitive material covalently bonded to the surface of the conductive additive.
[0020]
  Furthermore, the present invention that solves the above problemsContains diffusion layerthe material is,PorousCarbon powder and one or more monomers selected from the group consisting of acrylamide, N-isopropylacrylamide, pentafluoropropyl acrylate, butyl acrylate, hydroxyethyl acrylate, acrylic acid (polyethylene oxide) monomethyl ether and acrylic acid A temperature-sensitive material which is a homopolymer or a copolymer and is covalently bonded to the surface of the carbon powder. In addition,Contains diffusion layerA material is an electrode similar to a conductive additive contained in a diffusion layer.Inner diffusion layerIt is a material that exhibits the effect of forming a conductive path in the electrode by containing it in the electrode and has the function of controlling the water permeability of the electrode according to the temperature of the electrode.
[0021]
  A fuel cell according to the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized by having the above-described membrane electrode assembly.The
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly of this embodiment has a solid polymer electrolyte membrane and an electrode disposed on the solid polymer electrolyte membrane. The solid polymer electrolyte membrane is made of a material that is excellent in ion (proton) permeability and does not flow current. Currently used materials include perfluorosulfonic acid polymers (for example, trade name: Nafion).TM). This solid polymer electrolyte membrane can be used in a general thickness that is not particularly limited.
[0023]
The electrode contains a temperature sensitive material and has a catalyst layer. The catalyst layer is a member that catalyzes the reaction between a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as oxygen. The catalyst layer is bonded on the solid polymer electrolyte membrane. The structure of a catalyst layer is not specifically limited, The thing of a normal structure is employable. For example, a catalyst in which catalyst fine particles containing noble metal such as platinum or platinum alloy are dispersed on a catalyst carrier such as carbon powder can be formed into a film and used. For example, the catalyst layer can be formed by mixing the catalyst with a binder made of a solid polymer electrolyte to produce an ink, and coating and drying on the surface of the solid polymer electrolyte membrane to form a film.
[0024]
  The electrode also has a diffusion layerOne.The diffusion layer is bonded to the catalyst layer (the surface on the side opposite to the surface on which the solid polymer electrolyte membrane is bonded). The diffusion layer is a member that collects electrons generated in the catalyst layer while controlling the flow of fuel gas, oxidant gas, and generated water into and out of the catalyst layer. Diffusion layerIt has a conductive additive made of carbon powder for imparting electrical conductivity and water permeability. More, Porous polymer made of fluororesin or the like for imparting gas permeabilityCan have. theseForming a mixture film on a substrate such as carbon fiber to improve mechanical propertiesSuchManufactured by.
[0025]
  A temperature-sensitive material is a material whose physical properties change with changes in temperature, and changes in physical properties (changes in physical properties include the case where hydrophilicity changes and water easily permeates, and the pore diameter of the material changes and water ), The water permeability of the electrode is changed. As a temperature-sensitive material, a material whose water permeability decreases at a predetermined temperature or lower (or whose water permeability improves at a predetermined temperature or higher)Is.
[0026]
As the predetermined temperature, a steady electrode temperature (for example, 80 ° C.) when the fuel cell to which the membrane electrode assembly is applied is in steady operation can be used. The steady temperature of the electrode is controlled by the temperature of a heat medium such as water that is circulated in order to stabilize the electrode temperature. When the temperature of the electrode is lower than the steady temperature, the generated water generated at the electrode tends to evaporate with a relatively high-temperature heat medium and becomes dry, so reducing the water permeability of the electrode reduces the generated water to the electrode. Prevents dry-up by holding. On the other hand, when the electrode temperature is higher than the steady temperature, the water generated at the electrode tends to condense due to the relatively low-temperature heat medium and becomes moist, so it is generated by increasing the water permeability of the electrode. Prevent flooding by promoting drainage of water from the electrode.
[0027]
FeelingInclude warm material in the diffusion layerThe ExpansionThe scattering layer has a conductive aid such as carbon powder, and a temperature sensitive material is bonded to the surface of the conductive aid.The
[0028]
  As a conductive aid, porous carbon powder is used to increase the specific surface area.TheThe size of the conductive auxiliary agent is preferably about the same as the particle size of the catalyst carrier used in the catalyst layer, and can be about 1 to 3 μm. The temperature-sensitive material is bonded to the surface of the conductive additive and has a length of about several tens to several hundreds of nanometers. When the conductive additive is a carbon material, the amount of the temperature-sensitive material to be bonded can be about 1: 1000 to 2: 1 in a mass ratio of the temperature-sensitive material: carbon material.
[0029]
  Conductive aid and temperature sensitive material are covalently bonded. as a result,Stability in fuel cellsWill improve.
[0030]
  The temperature-sensitive material can be exemplified by a homopolymer or copolymer comprising one or more monomers selected from the group consisting of acrylamide, N-substituted acrylamide, acrylic acid and acrylate ester.In particular, Acrylamide, N-isopropylacrylamide, pentafluoropropyl acrylate, butyl acrylate, hydroxyethyl acrylate, acrylic acid (polyethylene oxide) monomethyl ether and a homopolymer or copolymer comprising a monomer consisting of at least one of acrylic acidIs. The molecular weight of these polymer compounds is not particularly limited, but can be several hundred to tens of thousands. When these temperature-sensitive materials are copolymers, the molecular structure of the block copolymer, random copolymer, etc. is not particularly limited.
[0031]
  Further, a polymer compound represented by the structural formula shown below (m, n, l,a is a natural number) can also be adopted as a temperature sensitive material. Copolymer by copolymerizing a monomer having fluorine element in the side chain and a low hydrophilic monomer (fluorine-containing monomer) with a monomer having a certain degree of hydrophilicity such as N-isopropylacrylamide and having a change in affinity for water due to temperature change. Thus, the water permeability of the temperature sensitive material can be made preferable.
[0032]
That is, by copolymerizing the fluorine-containing monomer, the water permeability change of the temperature-sensitive material (the difference in the absolute value of the water permeability before and after the water permeability change or the ratio of the water permeability before and after the water permeability change) can be increased. When the water-permeable material of the temperature-sensitive material is low, water can be reliably held on the electrode, and on the contrary, when the water-permeable material of the temperature-sensitive material becomes high, the water release from the electrode can be promoted.
[0033]
Specifically, when the water permeability is low due to the action of N-isopropylacrylamide or the like as at low temperatures, the hydrophilicity of the temperature-sensitive material as a whole decreases due to the action of the copolymerized fluorine-containing monomer. Thus, the water permeability can be lowered. At high temperatures, the hydrophilicity of the temperature-sensitive material is improved by the action of N-isopropylacrylamide and the like, so it is considered that the influence of the decrease in hydrophilicity due to the fluorine-containing monomer is reduced.
[0034]
[Chemical 1]
[0035]
[Chemical 2]
[0036]
[Chemical 3]
[0037]
[Formula 4]
[0038]
[Chemical formula 5]
[0039]
[Chemical 6]
[0040]
[Chemical 7]
[0041]
As a method of bonding a temperature sensitive material made of a polymer compound to the surface of a conductive auxiliary agent such as carbon powder, for example, it can be performed by polymerizing a monomer constituting the temperature sensitive material in the presence of the conductive auxiliary agent. . In particular, when a temperature-sensitive material is polymerized by radical polymerization, radicals are also generated on the surface of the conductive assistant by a radical transfer reaction, so that the temperature-sensitive material can be covalently bonded to the surface of the conductive assistant.
[0042]
It does not specifically limit as a method of manufacturing a membrane electrode assembly. For example, a paste made by adding a catalyst comprising a catalyst carrier such as carbon powder having catalyst fine particles supported on the surface of a solid polymer electrolyte membrane comprising a solid polymer electrolyte into the solid polymer electrolyte solution and mixing it The catalyst layer can be formed by coating and drying. By adding a temperature-sensitive material to the ink constituting the catalyst layer, the temperature-sensitive material can be added to the catalyst layer, and the water permeability of the catalyst layer changes depending on the temperature. Adds a temperature-sensitive material to the diffusion layer by adding a temperature-sensitive material to the ink in which the materials that make up the diffusion layer (conductive aid, substrate, solid polymer electrolyte, etc.) are dispersed on the surface of the catalyst layer The water permeability of the diffusion layer varies depending on the temperature. When adding a temperature-sensitive material, the stability of the temperature-sensitive material in the electrode is improved by adding the temperature-sensitive material in a state of being bonded to the constituent material.
[0043]
  [Catalyst material]
The catalyst material of the present embodiment is a material that is added in the electrode of the fuel cell, particularly in the diffusion layer of the electrode, and exhibits the function of controlling the water permeability of the electrode. Specifically, carbon powder,Acrylamide, N-isopropylacrylamide, pentafluoropropyl acrylate, butyl acrylate, hydroxyethyl acrylate, acrylic acid (polyethylene oxide) monomethyl ether and acrylic acidAnd a temperature-sensitive material bonded to the surface of the carbon powder. The homopolymer or copolymer is composed of one or more monomers selected from the group consisting of: Since the manufacturing method and other details are the same as described in the section of “Membrane electrode assembly”, further description is omitted.
[0044]
〔Fuel cell〕
The fuel cell of this embodiment is a solid polymer electrolyte fuel cell. As the fuel cell of this embodiment, a stack in which fuel cells are singly or plurally stacked is formed. The fuel cell has the membrane electrode assembly described above, and the membrane electrode assembly is sandwiched between separators. As the temperature at which the temperature sensitive material contained in the membrane electrode assembly changes the water permeability, it is preferable to adopt a steady temperature when operating the fuel cell. The steady temperature can be approximated by the coolant temperature of the fuel cell. It is preferable that the temperature sensitive material contained in the membrane electrode assembly of the present fuel cell is particularly controlled within the cathode to generate water.
[0045]
Gas supply devices for supplying fuel gas and oxidant gas to the electrodes on both sides of the membrane electrode assembly sandwiching the solid polymer electrolyte membrane are connected from the corresponding separators. As the fuel gas, air is defined for convenience, using hydrogen gas as an oxidant gas.
[0046]
The separator can also use the material and form generally used. The separator is provided with a flow path through which fuel gas or oxidant gas flows, and a gas supply device for supplying the fuel gas is connected to the flow path. A means for removing is connected.
[0047]
【Example】
  In the following, a temperature-sensitive material that can be used for the membrane electrode assembly of the present invention was bonded onto acetylene black as a conductive auxiliary agent.Contains diffusion layerA test sample as a material will be described in detail. In order to apply this test sample to a fuel cell, a membrane formed by binding these test samples with a solid polymer electrolyte such as Nafion can be used as a diffusion membrane. Depending on the steady operating temperature of the applied fuel cell, a selected test sample can be used.
[0048]
[Preparation of test sample]
Example 1
To 60 g of an aqueous solution prepared with a mixing ratio of 20 parts by mass of acrylamide, 2 parts by mass of 2,2′-azobis [N- (2-carboxyethyl) -2-methylpropionamide] and 78 parts by mass of water, 10 g of acetylene black was added and the reaction was performed by heating at 100 ° C. for 3 hours. Acrylamide homopolymers act as temperature sensitive materials. After completion of the reaction, a water-insoluble part (insoluble part) was collected by filtration. The insoluble part was put into 200 mL of water, and the operation of heating and stirring at 100 ° C. for 5 minutes and then filtering was repeated 5 times for washing. From the analysis of the amount of the polymer compound that flowed into the washing water, the introduction ratio of the temperature-sensitive material to the conductive auxiliary agent was 100: 9.6 (= conductive auxiliary agent: temperature-sensitive material) in mass ratio.
[0049]
When 1 g of the obtained insoluble part was put in 100 mL of water and the state was observed, it was observed that the dispersibility in water was improved and it was well adapted to water. On the other hand, acetylene black before reaction showed remarkable water repellency. Furthermore, although the hydrophilic state was observed also about the insoluble part immediately after reaction, the hydrophilic property similar to the insoluble part after 5 times washing | cleaning was observed. Therefore, it was confirmed that the polymer compound capable of exhibiting hydrophilicity was bonded with good durability to the surface of acetylene black.
[0050]
The obtained insoluble part was dried at 120 ° C. for 12 hours in an air-heat dryer, and the obtained powder was used as a test sample of Example 1.
[0051]
(reference)
Carbon of 1 cm × 1 cm square was added to 10 g of an aqueous solution prepared with a mixing ratio of 20 parts by mass of acrylamide, 2 parts by mass of 2,2′-azobis [N- (2-carboxyethyl) -2-methylpropionamide], and 78 parts by mass of water. The sheet was dipped and reacted by heating at 100 ° C. for 3 hours. Thereafter, a water-soluble substance was extracted from the carbon sheet after the reaction. The extraction was performed for 16 hours using a Soxhlet extractor and water. The extracted carbon sheet was dried at 120 ° C. for 12 hours in a wind-heat dryer. When the contact angle with respect to the water of the carbon sheet before and after the reaction was measured, it was found that the hydrophilicity of the carbon sheet surface was improved by 95 ° before the reaction and 55 ° after the reaction. This contact angle can be considered to decrease with increasing temperature. Since the hydrophilicity of the carbon sheet after the reaction was recognized even after the extraction of the aqueous solution, it can be inferred that acrylamide was firmly bonded to the surface of the carbon sheet.
[0052]
(Examples 2 to 4)
20 parts by mass of a mixture of acrylamide and N-isopropylacrylamide mixed at a mass ratio of 20:80 (Example 2), 30:70 (Example 3), and 50:50 (Example 4), 2, 2 ′ -10 g of acetylene black was added to 60 g of a solution prepared at a mixing ratio of 2 parts by mass of azobis [N- (2-carboxyethyl) -2-methylpropionamide] and 78 parts by mass of methanol, and heated in an oil bath at 80 ° C. Then, methanol was refluxed for 3 hours to carry out the reaction. A copolymer of acrylamide and N-isopropylacrylamide acts as a temperature sensitive material. After completion of the reaction, a portion insoluble in methanol (insoluble portion) was collected by filtration. The insoluble part was placed in 200 mL of methanol, and the operation of stirring for 5 minutes and then filtering was repeated 5 times for washing. From the analysis of the amount of the polymer compound that has flowed into the washing water, the introduction ratio of the temperature-sensitive material to the conductive assistant is 100: 10.2 (Example 2), 100: 8.3 (Example 3) by mass ratio, 100: 9.4 (Example 4) (= conductive aid: temperature-sensitive material). The obtained insoluble part was dried at 120 ° C. for 12 hours in an air-heat dryer. The obtained powders were used as test samples of Examples 2 to 4, respectively.
[0053]
(Example 5)
To 60 g of a solution prepared with a mixing ratio of 20 parts by mass of N-isopropylacrylamide, 2 parts by mass of 2,2′-azobis [N- (2-carboxyethyl) -2-methylpropionamide] and 78 parts by mass of methanol, acetylene black was added. 10 g was added, and the reaction was performed by heating at 80 ° C. for 3 hours. A homopolymer of N-isopropylacrylamide acts as a temperature sensitive material. After completion of the reaction, a portion insoluble in methanol (insoluble portion) was collected by filtration. The insoluble part was placed in 200 mL of methanol, and the operation of stirring for 5 minutes and then filtering was repeated 5 times for washing. From the analysis of the amount of the polymer compound that flowed into the washing water, the introduction ratio of the temperature-sensitive material to the conductive auxiliary agent was 100: 9.0 (= conductive auxiliary agent: temperature-sensitive material) in mass ratio. The obtained insoluble part was dried at 120 ° C. for 12 hours in an air-heat dryer. The obtained powder was used as a test sample of Example 5.
[0054]
(Example 6)
To 60 g of a solution prepared with a blending ratio of 20 parts by mass of pentafluoropropyl acrylate, 2 parts by mass of 2,2′-azobis [N- (2-carboxyethyl) -2-methylpropionamide] and 78 parts by mass of toluene, acetylene was added. Black 10g was added and it reacted by heating at 100 degreeC for 3 hours. A homopolymer of pentafluoropropyl acrylate acts as a temperature sensitive material. After completion of the reaction, a portion insoluble in toluene (insoluble portion) was collected by filtration. This insoluble part was put in 200 mL of toluene, and the operation of stirring for 5 minutes and then filtering was repeated 5 times for washing. From the analysis of the amount of the polymer compound that flowed into the washing water, the introduction ratio of the temperature-sensitive material to the conductive auxiliary agent was 100: 44 (= conductive auxiliary agent: temperature-sensitive material) in mass ratio. The obtained insoluble part was dried at 120 ° C. for 12 hours in an air-heat dryer. The obtained powder was used as a test sample of Example 6.
[0055]
(Comparative example)
The acetylene black used in Examples 1 to 6 was used as a test sample for comparison.
[0056]
(Water permeability test)
As shown in FIG. 1, a sample 10 in which 200 mg of each of the test samples of Examples 1 to 6 and the comparative example are uniformly sandwiched between two filter papers (diameter 6 cm) is further added to two glass tubes having an inner diameter of 2.8 cm. The water-permeable test tube 1 was produced by being sandwiched between 11 and 12 tube ports.
[0057]
Water W at various temperatures was passed through the produced water-permeable test tube 1 at a pressure of 101 kPa, and the mass of the water that passed in 1 minute was measured.
[0058]
The results are shown in Fig. 2 (Example 1), Fig. 3 (Example 2), Fig. 4 (Example 3), Fig. 5 (Example 4), Fig. 6 (Example 5), Fig. 7 (Example 6), This is shown in FIG. 8 (comparative example). It turned out that the amount of water permeability increases when all the test samples of each example become above a specific temperature. In the test sample of Example 1 (FIG. 2), it was found that the water permeability changed around 70 to 80 ° C. In the test sample of Example 2 (FIG. 3), it was found that the water permeability changed at about 60 to 70 ° C. In the test sample of Example 3 (FIG. 4), it was found that the water permeability changed at about 60 to 70 ° C. In the test sample of Example 4 (FIG. 5), it was found that the water permeability changed around 60 ° C. In the test sample of Example 5 (FIG. 6), it was found that the water permeability changed at about 50 to 60 ° C. In the test sample of Example 6 (FIG. 7), it was found that the water permeability changed at about 60 to 70 ° C. On the other hand, it was found that the water permeability of the test sample of the comparative example (FIG. 8) was almost constant regardless of the temperature.
[0059]
From the results of Examples 1 to 5, when the mixing ratio of N-isopropylacrylamide is 50% or more (the mixing ratio of acrylamide is 50% or less), it is prominent from around a specific temperature of about 50 ° C to 60 ° C. A significant improvement in water permeability was observed.
[0060]
On the other hand, when the mixing ratio of N-isopropylacrylamide was less than 50% (acrylamide mixing ratio was more than 50%), it became clear that the water permeability gradually improved as the temperature of the water passing through increased. It can be inferred that the test sample of Example 6 to which poly (acrylic acid) pentafluoropropyl was bonded improved the fluidity of the molecular chain bonded to the surface of the conductive assistant due to temperature change, and the water flow started to flow.
[0061]
Moreover, when the water permeation amount per minute when the temperature of water to be permeated was alternately changed between 20 ° C. and 60 ° C. for the test sample of Example 2 was measured, as shown in Table 1, the water temperature It was confirmed that the water permeability is small when the water temperature is low, the water permeability is large when the water temperature is high, and the water permeability can be reversibly controlled by the water temperature.
[0062]
[Table 1]
[0063]
By containing the conductive assistant having the temperature-sensitive material as described in Examples 1 to 6 bound to the surface thereof in the electrode of the solid polymer electrolyte fuel cell, the water permeability of the electrode can be appropriately controlled. It is considered possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a test method of a water permeability test.
2 is a graph showing the temperature dependence of the water permeability in the test sample of Example 1. FIG.
3 is a graph showing the temperature dependence of the water permeability in the test sample of Example 2. FIG.
4 is a graph showing the temperature dependence of the water permeability in the test sample of Example 3. FIG.
5 is a graph showing the temperature dependence of the water permeability in the test sample of Example 4. FIG.
6 is a graph showing the temperature dependence of the water permeability in the test sample of Example 5. FIG.
7 is a graph showing the temperature dependence of the water permeability in the test sample of Example 6. FIG.
FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the water permeability in a test sample of a comparative example.
[Explanation of symbols]
1 ... Permeability test tube
10 ... Sample 11, 12 ... Glass tube
2 ... Beak
3 ... Scale

Claims (4)

固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜上に接合された触媒層と前記触媒層に接合された拡散層とをもち該固体高分子電解質膜上に配設された電極と、を有する膜電極接合体であって、
前記拡散層は、多孔質のカーボン粉末である導電助剤と、アクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、アクリル酸ペンタフルオロプロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸(ポリエチレンオキシド)モノメチルエーテル及びアクリル酸からなる群から選択される1以上のモノマーからなるホモポリマー又はコポリマーであり前記導電助剤の表面に共有結合された前記感温材料とをもつことを特徴とする膜電極接合体。
A solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer bonded on the solid polymer electrolyte membrane, and a diffusion layer bonded to the catalyst layer, and an electrode disposed on the solid polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly,
The diffusion layer is composed of a conductive assistant that is porous carbon powder, acrylamide, N-isopropylacrylamide, pentafluoropropyl acrylate, butyl acrylate, hydroxyethyl acrylate, acrylic acid (polyethylene oxide) monomethyl ether, and acrylic acid. A membrane electrode assembly comprising the temperature-sensitive material that is a homopolymer or copolymer composed of one or more monomers selected from the group consisting of, and is covalently bonded to the surface of the conductive additive.
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜上に接合された触媒層と前記触媒層に接合された拡散層とをもち該固体高分子電解質膜上に配設された電極と、を有する膜電極接合体であって、
前記拡散層は、多孔質のカーボン粉末である導電助剤と、下記一般式(1)〜(7)のいずれかに示す化学構造をもつ高分子材料(それぞれにおけるm、n、l、aは自然数)であり前記導電助剤の表面に共有結合された前記感温材料とをもつことを特徴とする膜電極接合体。
A solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer bonded on the solid polymer electrolyte membrane, and a diffusion layer bonded to the catalyst layer, and an electrode disposed on the solid polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly,
The diffusion layer includes a conductive assistant that is porous carbon powder, and a polymer material having a chemical structure represented by any of the following general formulas (1) to (7) (m, n, l, and a in each are A temperature-sensitive material that is a natural number) and is covalently bonded to the surface of the conductive additive.
多孔質のカーボン粉末と、
アクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、アクリル酸ペンタフルオロプロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸(ポリエチレンオキシド)モノメチルエーテル及びアクリル酸からなる群から選択される1以上のモノマーからなるホモポリマー又はコポリマーであり、該カーボン粉末の表面に共有結合された感温材料と、を有することを特徴とし、固体高分子電解質型燃料電池の電極内の拡散層に含有される拡散層含有材料。
Porous carbon powder,
Homopolymers or copolymers comprising one or more monomers selected from the group consisting of acrylamide, N-isopropylacrylamide, pentafluoropropyl acrylate, butyl acrylate, hydroxyethyl acrylate, acrylic acid (polyethylene oxide) monomethyl ether and acrylic acid , and the characterized in that it has a temperature sensitive material that is covalently bonded to the surface of the carbon powder, a diffusion layer containing material contained in the diffusion layer in the electrode of the solid polymer electrolyte fuel cell.
請求項1又は2に記載の膜電極接合体を有することを特徴とする燃料電池。  A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1.
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