JP4255890B2 - Membrane / electrode assembly and fuel cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等に用いられる電解質膜等に好適な耐酸化性等に優れ、低コスト高耐久性を有する新規な膜/電極接合体及びそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention is excellent in oxidation resistance suitable for an electrolyte membrane used in a fuel cell, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor, etc., and has low cost and high durability. The present invention relates to a novel membrane / electrode assembly and a fuel cell using the same.
固体高分子電解質は高分子鎖中にスルホン酸基等の電解質基を有する固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形し、電気透析、拡散透析、電池隔膜等、各種の用途に利用されている。 A solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in the polymer chain, and has a property of binding firmly to a specific ion or selectively transmitting a cation or an anion. Therefore, it is formed into particles, fibers, or membranes, and is used for various applications such as electrodialysis, diffusion dialysis, and battery diaphragm.
改質ガス燃料電池はプロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設け、メタン、メタノール等、低分子の炭化水素を改質することにより得られる水素ガスを燃料ガスとして一方の電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤として他方の電極(空気極)へ供給し、起電力を得るものである。また、水電解は、固体高分子電解質膜を用いて水を電気分解することにより水素と酸素を製造するものである。 A reformed gas fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton-conducting solid polymer electrolyte membrane, and hydrogen gas obtained by reforming low-molecular hydrocarbons such as methane and methanol is used as a fuel gas. It supplies to an electrode (fuel electrode), supplies oxygen gas or air to the other electrode (air electrode) as an oxidizing agent, and obtains an electromotive force. In water electrolysis, hydrogen and oxygen are produced by electrolyzing water using a solid polymer electrolyte membrane.
燃料電池や水電解等の固体高分子電解質膜として、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(登録商標、旭化成工業株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)の商品名で知られる高いプロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸膜に代表されるふっ素系電解質膜が化学的安定性に優れていることから使用されている。 As solid polymer electrolyte membranes for fuel cells and water electrolysis, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) A fluorine-based electrolyte membrane represented by a known perfluorosulfonic acid membrane having high proton conductivity is used because of its excellent chemical stability.
また、食塩電解は固体高分子電解質膜を用いて塩化ナトリウム水溶液を電気分解することにより、水酸化ナトリウム、塩素と水素を製造するものである。この場合、固体高分子電解質膜は塩素と高温、高濃度の水酸化ナトリウム水溶液にさらされるので、これらに対する耐性の乏しい炭化水素系電解質膜を使用することができない。そのため、食塩電解用の固体高分子電解質膜には、一般に、塩素及び高温、高濃度の水酸化ナトリウム水溶液に対して耐性があり、さらに、発生するイオンの逆拡散を防ぐために表面に部分的にカルボン酸基を導入したパーフルオロスルホン酸膜が用いられている。 Moreover, salt electrolysis produces sodium hydroxide, chlorine, and hydrogen by electrolyzing a sodium chloride aqueous solution using a solid polymer electrolyte membrane. In this case, since the solid polymer electrolyte membrane is exposed to chlorine, high temperature, and high concentration sodium hydroxide aqueous solution, it is not possible to use a hydrocarbon electrolyte membrane having poor resistance to these. For this reason, solid polymer electrolyte membranes for salt electrolysis are generally resistant to chlorine and high-temperature, high-concentration sodium hydroxide aqueous solution, and in addition, partly on the surface to prevent back diffusion of generated ions. A perfluorosulfonic acid film into which a carboxylic acid group is introduced is used.
ところで、パーフルオロスルホン酸膜に代表されるふっ素系電解質は、C−F結合を有しているために化学的安定性が非常に大きく、上述した燃料電池用、水電解用、あるいは食塩電解用の固体高分子電解質膜の他、ハロゲン化水素酸電解用の固体高分子電解質膜としても用いられ、さらにはプロトン伝導性を利用して、湿度センサ、ガスセンサ、酸素濃縮器等にも広く応用されている。 By the way, a fluorine-based electrolyte typified by a perfluorosulfonic acid membrane has a very large chemical stability because it has a C—F bond, and is used for the fuel cell, water electrolysis, or salt electrolysis described above. In addition to these solid polymer electrolyte membranes, they are also used as solid polymer electrolyte membranes for hydrohalic acid electrolysis, and further widely applied to humidity sensors, gas sensors, oxygen concentrators, etc. using proton conductivity. ing.
しかしながら、ふっ素系電解質は製造が困難で、非常に高価であるという欠点がある。そのため、ふっ素系電解質膜は、宇宙用あるいは軍用の固体高分子型燃料電池等、特殊な用途に用いられ、自動車用の低公害動力源としての固体高分子型燃料電池等、民生用への応用を困難なものとしていた。 However, the fluorine-based electrolyte has a drawback that it is difficult to manufacture and is very expensive. For this reason, fluorine-based electrolyte membranes are used for special applications such as solid polymer fuel cells for space or military use, and consumer applications such as solid polymer fuel cells as low-pollution power sources for automobiles. It was difficult.
そこで、安価な固体高分子電解質膜として特許文献1にはスルホン化ポリエーテルエーテルケトン、特許文献2、特許文献3にはスルホン化ポリエーテルスルホン、特許文献4にはスルホン化アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマー、特許文献5にはスルホン化ポリスルフィッド、特許文献6にはスルホン化ポリフェニレン等の芳香族炭化水素系電解質膜が提案された。これらエンジニアプラスチックをスルホン化した芳香族炭化水素系電解質膜はナフィオンに代表されるふっ素系電解質膜と比較すると、製造が容易で低コストという利点がある。しかし、その一方、芳香族炭化水素系電解質膜は劣化し易いという問題が残されていた。特許文献7によると、固体高分子電解質膜と空気極(酸化剤極)の界面に形成された触媒層において生成した過酸化水素が芳香族炭化水素骨格を酸化劣化させるため、芳香族炭化水素骨格を有する電解質膜は劣化し易い。
Therefore, as an inexpensive solid polymer electrolyte membrane,
そこで、ふっ素系電解質膜と同等以上の耐酸化劣化特性を有し、しかも低コストで製造可能な固体高分子電解質膜を得るために、従来から種々の試みがなされている。例えば、特許文献8には、炭化ふっ素系ビニルモノマと炭化水素系ビニルモノマとの共重合によって作られた主鎖と、スルホン酸基を有する炭化水素系側鎖とから構成される、スルホン酸型ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)膜が提案されている。
Therefore, various attempts have been made in the past to obtain a solid polymer electrolyte membrane that has an oxidation deterioration resistance equal to or better than that of a fluorine-based electrolyte membrane and can be manufactured at low cost. For example,
特許文献8に開示されているスルホン酸型ポリスチレン−グラフト−ETFE膜は安価であり、燃料電池用の固体高分子電解質膜として十分な強度を有し、しかもスルホン酸基の導入量を増やすことによって導電率を向上させることが可能とされている。しかしながら、スルホン酸型ポリスチレン−グラフト−ETFE膜は、炭化ふっ素系ビニルモノマと炭化水素系ビニルモノマとの共重合によって作られた主鎖部分の耐酸化劣化特性は高いが、スルホン酸基を導入した側鎖部分は、酸化劣化を受けやすい芳香族炭化水素系高分子である。従って、これを燃料電池に用いた場合には、膜全体の耐酸化劣化特性が不十分であり、耐久性に乏しいという問題がある。
The sulfonic acid type polystyrene-graft-ETFE membrane disclosed in
また、特許文献9及び特許文献10には、炭化ふっ素系ビニルモノマと炭化水素系ビニルモノマとの共重合によって作られた膜に、α,β,β-トリフルオロスチレンをグラフト重合させ、これにスルホン酸基を導入して固体高分子電解質膜とした、スルホン酸型ポリ(トリフルオロスチレン)−グラフト−ETFE膜が提案されている。これは、前記のスルホン酸基を導入したポリスチレン側鎖部の化学的安定性が十分ではないとの認識を前提に、スチレンの代わりに、部分的にふっ素化したα,β,β-トリフルオロスチレンを用いたものである。しかしながら、側鎖部分の原料となるα,β,β-トリフルオロスチレンは、合成が困難であるため、燃料電池用の固体高分子電解質膜として応用することを考えた場合には、前述のナフィオンの場合と同様にコストの問題がある。また、α,β,β-トリフルオロスチレンは重合反応性が低いためグラフト側鎖として導入できる量が少なく、得られる膜の導電率が低いという問題がある。
In
本発明の目的は、ふっ素系電解質と同等以上、もしくは実用上十分な耐劣化特性を有し、しかも製造容易な高耐久性固体高分子電解質を電極形成のバインダーとして有する膜/電極接合体及びそれを用いた燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly having a highly durable solid polymer electrolyte as a binder for electrode formation, which has a deterioration resistance equal to or higher than that of a fluorine-based electrolyte and is practically sufficient, and is easy to manufacture. It is providing the fuel cell using this.
上記課題を解決するために電解質膜の劣化メカニズムを検討したところ、芳香族炭化水素系電解質膜の劣化は酸化劣化よりもむしろ芳香族環に直接スルホン酸基が結合しているため、強酸、高温下で芳香族環からスルホン酸基が脱離し、そのことによりイオン伝導率が低下する現象が主因であることが分かった。 In order to solve the above-mentioned problems, the degradation mechanism of the electrolyte membrane was examined. The degradation of the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane is due to the strong acid, high temperature because the sulfonic acid group is bonded directly to the aromatic ring rather than the oxidation degradation. It was found that the sulfonic acid group was eliminated from the aromatic ring underneath, and the ionic conductivity was lowered due to this phenomenon.
本発明に係る高耐久性固体高分子電解質は、スルホン酸基の代わりに(化1)で示されるスルホアルキル基を側鎖に導入した芳香族炭化水素系高分子化合物からなることを要旨とするもので、ふっ素系電解質と同等以上、もしくは実用上十分な耐久性を有し、しかも経済的な高耐久性固体高分子電解質を得ることが可能となる。又、同じイオン交換基当量重量ならばスルホアルキル基を導入した電解質のイオン導電率はスルホン酸基を導入した電解質のイオン導電率より大きい利点がある。これはスルホアルキル基の方がスルホン酸基より運動し易いことと関係があるものと思われる。 The high durability solid polymer electrolyte according to the present invention is composed of an aromatic hydrocarbon polymer compound in which a sulfoalkyl group represented by (Chemical Formula 1) is introduced into a side chain instead of a sulfonic acid group. Therefore, it is possible to obtain a solid polymer electrolyte having high durability equal to or higher than that of a fluorine-based electrolyte or having practically sufficient durability and economical. Moreover, if the ion exchange group equivalent weight is the same, the ionic conductivity of the electrolyte into which the sulfoalkyl group is introduced is more advantageous than the ionic conductivity of the electrolyte into which the sulfonic acid group is introduced. This seems to be related to the fact that the sulfoalkyl group is easier to move than the sulfonic acid group.
更に、触媒金属の微粒子を担持した炭素材からなる導電材にバインダーを加えた電極触媒被覆用溶液として、前記バインダーに前述に記載の高分子電解質を含むものである。 Furthermore, as an electrode catalyst coating solution prepared by adding a binder to the conductive material comprising fine particles of catalyst metal from carrying carbon material, the binder is intended to include polymer electrolyte according to above.
本発明の膜/電極接合体は、触媒金属の微粒子が担持された炭素材を有する導電材からなる電極材が、固体高分子電解質膜の表面にバインダーによって結合されたものであって、前記固体高分子電解質膜及びバインダーが、(化1)で表されるスルホアルキル基を側鎖に含む芳香族炭化水素系高分子化合物を有する固体高分子電解質を用いたことを特徴とする。特に、前述の高分子電解質膜と、該高分子電解質膜を介して両側に配置されたカソード電極及びアノード電極からなるガス拡散電極とで構成される固体高分子型燃料電池用膜/電極接合体であること、又、前記ガス拡散電極が触媒金属の微粒子が担持された炭素材を有する導電材からなり、その電極がバインダーによって前述の高分子電解質膜に結合されるものである。 Membrane / electrode assembly of the present invention, the electrode material particles of the catalyst metal is made of a conductive material having a carbon material borne is, which has been bound by the binder on the surface of the solid polymer electrolyte membrane, the solid The polymer electrolyte membrane and the binder are characterized by using a solid polymer electrolyte having an aromatic hydrocarbon polymer compound having a sulfoalkyl group represented by (Chemical Formula 1) in the side chain. In particular, a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising the aforementioned polymer electrolyte membrane and a gas diffusion electrode comprising a cathode electrode and an anode electrode disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane it is also the gas diffusion electrode is Ri Do a conductive material having a carbonaceous material fine particles are supported catalytic metal, the electrodes are those that will be coupled to a polymer electrolyte membrane described above by a binder.
又、本発明においては、前述の膜/電極接合体を用いた燃料電池にあり、特に、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜を介して両側に配置されたカソード電極及びアノード電極からなるガス拡散電極と、該ガス拡散電極を挟むように設置されたガス不透過性の一対のセパレータと、前記固体高分子電解質膜と前記セパレータとの間に配置された一対の集電材とを有する固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子電解質膜が前述の固体高分子電解質を有すること、又、ガス拡散電極が前述の膜/電極接合体からなることが好ましい。 The present invention is also a fuel cell using the above-mentioned membrane / electrode assembly, and particularly comprises a polymer electrolyte membrane and a cathode electrode and an anode electrode arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane. A solid having a gas diffusion electrode, a pair of gas-impermeable separators disposed so as to sandwich the gas diffusion electrode, and a pair of current collectors disposed between the solid polymer electrolyte membrane and the separator In the polymer fuel cell, it is preferable that the solid polymer electrolyte membrane has the solid polymer electrolyte described above, and that the gas diffusion electrode is composed of the membrane / electrode assembly described above.
本発明のスルホアルキル化芳香族炭化水素系電解質はスルホアルキル基を側鎖に導入した主鎖に芳香族環を有する炭化水素系電解質であれば特に制限は無い。具体例としては、1977年イギリスのICI社によって開発された(化2)で代表される構造単位を有するポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ドイツBASF社で開発された半結晶性のポリアリールエーテルケトン(PAEK)、住友化学工業等で販売されている(化3)で代表される構造単位を有するポリエーテルケトン(PEK)、テイジンアモコエンジニアリングプラスチックスで販売されているポリケトン(PK)、住友化学工業、テイジンアモコエンジニアリングプラスチックスや三井化学等で販売されている(化4)で代表される構造単位を有するポリエーテルスルホン(PES)、テイジンアモコエンジニアリングプラスチックスで販売されている(化5)で代表される構造単位を有するポリスルホン(PSU)、東レ、大日本化学工業、トープレン、出光石油化学や呉羽化学工業等で販売されている(化6)で代表される構造単位を有するリニア或いは架橋型のポリフェニレンサルフィッド(PPS)、旭化成工業、日本ジーイープラスチックス、三菱エンジニアリングプラスチックスや住友化学工業で販売されている(化7)で代表される構造単位を有する変性ポリフェニレンエーテル(PPE)等のエンジニアリングプラスチック或いはそのポリマアロイに(化1)で表されるスルホアルキル基を側鎖に導入した芳香族炭化水素系高分子化合物である。このうち、主鎖の耐酸化劣化特性の観点からスルホアルキル化PEEK、PEAK、PEK、PK、PPS、PESが好ましい。 The sulfoalkylated aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention is not particularly limited as long as it is a hydrocarbon electrolyte having an aromatic ring in the main chain having a sulfoalkyl group introduced in the side chain. Specific examples include polyetheretherketone (PEEK) having a structural unit represented by (Chemical Formula 2) developed by ICI in 1977 and semicrystalline polyaryletherketone developed by BASF Germany (PAEK), polyether ketone (PEK) having a structural unit represented by (Chemical Formula 3) sold by Sumitomo Chemical Industries, etc., polyketone (PK) sold by Teijin Amoco Engineering Plastics, Sumitomo Chemical , Polyethersulfone (PES) having a structural unit represented by Teijin Amoco Engineering Plastics and Mitsui Chemicals (Chemical Formula 4), represented by Teijin Amoco Engineering Plastics (Chemical Formula 5) Polysulfone (PSU), Toray, Dainippon Chemical Industry, Toprene, Idemitsu Petrochemical and Kureha Chemical Sold in linear or cross-linked polyphenylene sulfide (PPS) having structural units represented by (Chemical Formula 6), Asahi Kasei, Nippon GE Plastics, Mitsubishi Engineering Plastics and Sumitomo Chemical An aromatic hydrocarbon in which a sulfoalkyl group represented by (Chemical Formula 1) is introduced into a side chain of an engineering plastic such as modified polyphenylene ether (PPE) having a structural unit represented by Chemical Formula 7 or a polymer alloy thereof. Based polymer compound. Of these, sulfoalkylated PEEK, PEAK, PEK, PK, PPS, and PES are preferred from the viewpoint of oxidation resistance deterioration characteristics of the main chain.
本発明で用いられる高分子電解質のイオン交換基当量重量は250〜2500g/molのスルホアルキル化ポリマーである。好ましくは、イオン交換基当量重量は300〜1500g/molであり、さらに好ましくは350〜1000g/molである。イオン交換基当量重量が2500g/molを越えると出力性能が低下することがあり、250g/molより低いと該重合体の耐水性が低下し、それぞれ好ましくない。 The polyelectrolyte used in the present invention is a sulfoalkylated polymer having an ion exchange group equivalent weight of 250 to 2500 g / mol. Preferably, the ion exchange group equivalent weight is 300 to 1500 g / mol, more preferably 350 to 1000 g / mol. When the ion exchange group equivalent weight exceeds 2500 g / mol, the output performance may decrease, and when it is lower than 250 g / mol, the water resistance of the polymer decreases, which is not preferable.
なお、本発明でイオン交換基当量重量とは、導入されたスルホアルキル基単位モルあたりの該スルホアルキル化ポリマーの分子量を表し、値が小さいほどスルホアルキル化度が高いことを示す。イオン交換基当量重量は、1H−NMRスペクトロスコピー、元素分析、特許文献11に記載の酸塩基滴定、非水酸塩基滴定(規定液はカリウムメトキシドのベンゼン・メタノール溶液)等により測定が可能である。
In the present invention, the ion exchange group equivalent weight represents the molecular weight of the sulfoalkylated polymer per mole of the introduced sulfoalkyl group, and the smaller the value, the higher the sulfoalkylation degree. Ion-exchange group equivalent weight can be measured by 1 H-NMR spectroscopy, elemental analysis, acid-base titration described in
スルホアルキル化された該高分子電解質のイオン交換基当量重量を250〜2500g/molに制御する方法としては、芳香族炭化水素系高分子とスルホアルキル化剤の配合比、反応温度、反応時間、芳香族炭化水素系高分子の化学構造等を変化させることで、目的とするイオン交換基当量重量を有するスルホアルキル化ポリマーを得ることができる。 As a method for controlling the ion exchange group equivalent weight of the sulfoalkylated polyelectrolyte to 250 to 2500 g / mol, the mixing ratio of the aromatic hydrocarbon polymer and the sulfoalkylating agent, the reaction temperature, the reaction time, By changing the chemical structure or the like of the aromatic hydrocarbon polymer, a sulfoalkylated polymer having a target ion exchange group equivalent weight can be obtained.
本発明で用いられる高分子電解質を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態で使用される。スルホアルキル化ポリマーを膜へ転化する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法(溶液キャスト法)あるいは溶融状態より製膜する方法(溶融プレス法もしくは溶融押し出し法)等が可能である。具体的には前者については、たとえばポリマー溶液をガラス板上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する。 When the polymer electrolyte used in the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state. The method for converting the sulfoalkylated polymer into a membrane is not particularly limited, but a method of forming a film from a solution state (solution casting method) or a method of forming a film from a molten state (melt press method or melt extrusion method) is possible. is there. Specifically, the former is formed by, for example, casting a polymer solution on a glass plate and removing the solvent.
製膜に用いる溶媒は、高分子を溶解し、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、N,N'-ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒、あるいはエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、ジクロロメタン、トリクロロエタン等のハロゲン系溶媒、i-プロピルアルコール、t-ブチルアルコール等のアルコールが好適に用いられる。 The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it dissolves the polymer and can be removed thereafter. N, N′-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone , Aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide, or alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, halogen solvents such as dichloromethane and trichloroethane, Alcohols such as i-propyl alcohol and t-butyl alcohol are preferably used.
該高分子電解質膜の厚みは特に制限はないが10〜200μmが好ましい。特に30〜100μmが好ましい。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能向上のためには200μmより薄い方が好ましい。溶液キャスト法の場合、膜厚は溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。溶融状態より製膜する場合、膜厚は溶融プレス法あるいは溶融押し出し法等で得た所定厚さのフィルムを所定の倍率に延伸することで膜厚を制御できる。 The thickness of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited but is preferably 10 to 200 μm. 30 to 100 μm is particularly preferable. A thickness of more than 10 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 200 μm is preferable to reduce membrane resistance, that is, to improve power generation performance. In the case of the solution casting method, the film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate. When the film is formed from a molten state, the film thickness can be controlled by stretching a film having a predetermined thickness obtained by a melt press method or a melt extrusion method at a predetermined magnification.
また、本発明の電解質を製造する際に、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤等の添加剤を本発明の目的に反しない範囲内で使用できる。 Moreover, when manufacturing the electrolyte of this invention, additives, such as a plasticizer, a stabilizer, a mold release agent, etc. which are used for a normal polymer can be used in the range which is not contrary to the objective of this invention.
燃料用電池として用いる際の膜/電極接合体に使用されるガス拡散電極は、触媒金属の微粒子を担持した導電材により構成されるものであり、必要に応じて撥水剤や結着剤が含まれていてもよい。また、触媒を担持していない導電材と必要に応じて含まれる撥水剤や結着剤とからなる層を、触媒層の外側に形成してもよい。このガス拡散電極に使用される触媒金属としては、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、あるいはそれらの合金が挙げられる。このような触媒の中で、特に白金が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は10〜300オングストロームである。これらの触媒はカーボン等の担体に付着させた方が触媒の使用量が少なくコスト的に有利である。触媒の担持量は電極が成形された状態で0.01〜10mg/cm2が好ましい。 A gas diffusion electrode used for a membrane / electrode assembly when used as a fuel cell is composed of a conductive material carrying fine particles of a catalytic metal, and a water repellent or a binder is provided as necessary. It may be included. Moreover, you may form the layer which consists of the electrically conductive material which does not carry | support a catalyst, and the water repellent and binder contained as needed on the outer side of a catalyst layer. The catalyst metal used for the gas diffusion electrode may be any metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium. , Iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, or alloys thereof. Of these catalysts, platinum is often used. The particle size of the metal used as the catalyst is usually 10 to 300 angstroms. When these catalysts are attached to a carrier such as carbon, the amount of the catalyst used is small and advantageous in terms of cost. The amount of the catalyst supported is preferably 0.01 to 10 mg / cm 2 with the electrode formed.
導電材としては、電子導伝性物質であればいずれのものでも良く、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、およびアセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等が挙げられ、これらが単独あるいは混合して使用される。撥水剤としては、例えばふっ素化カーボン等が使用される。バインダーとしては本発明の(化1)で表されるスルホアルキル基を側鎖に含む芳香族炭化水素系高分子化合物を有する固体高分子電解質を電極触媒被覆用溶液としてそのまま用いることが接着性の観点から好ましい。 The conductive material may be any as long as electron conductive material, carbon material cost and the like, for example. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and the like, and these are used alone or in combination. As the water repellent, for example, fluorinated carbon is used. As a binder, the solid polymer electrolyte having an aromatic hydrocarbon polymer compound containing a sulfoalkyl group represented by (Chemical Formula 1) of the present invention in the side chain is used as an electrode catalyst coating solution as it is. not preferable from the point of view.
燃料用電池として用いる際の電解質膜/電極接合体の製作方法として、例えば、Pt触媒を担持させたカーボン粉をポリテトラフルオロエチレン懸濁液と混ぜ、カーボンペーパーに塗布、熱処理して触媒層を形成する。次いで、電解質膜と同一の電解質溶液を触媒層に塗布し、電解質膜とホットプレスで一体化する方法がある。この他、電解質膜と同一の電解質溶液を予めPt触媒粉にコーテイングする方法、触媒ペーストを電解質膜の方に塗布する方法等がある。 As a method for producing an electrolyte membrane / electrode assembly when used as a fuel cell, for example , a carbon layer carrying a Pt catalyst is mixed with a polytetrafluoroethylene suspension, applied to carbon paper, heat treated, and a catalyst layer. Form. Next, there is a method in which the same electrolyte solution as the electrolyte membrane is applied to the catalyst layer and integrated with the electrolyte membrane by hot pressing. In addition, there is a method to coat in advance Pt catalyst powder with the same electrolyte solution and the electrolyte membrane, how like of applying a catalyst paste towards the electrolyte membrane.
固体高分子型燃料電池は、以上のように形成された電解質膜とガス拡散電極との接合体の外側に燃料流路と酸化剤流路を形成する溝付きの集電体としての燃料配流板と酸化剤配流板を配したものを単セルとし、このような単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより構成される。燃料電池は、高い温度で作動させる方が、電極の触媒活性が上がり電極過電圧が減少するため望ましいが、電解質膜は水分がないと機能しないため、水分管理が可能な温度で作動させる必要がある。燃料電池の作動温度の好ましい範囲は室温〜100℃である。 The polymer electrolyte fuel cell is a fuel distribution plate as a grooved current collector that forms a fuel flow path and an oxidant flow path outside the joined body of the electrolyte membrane and gas diffusion electrode formed as described above. And an oxidizer flow plate are provided as a single cell, and a plurality of such single cells are stacked through a cooling plate or the like. It is desirable to operate the fuel cell at a high temperature because the catalytic activity of the electrode is increased and the electrode overvoltage is reduced. However, since the electrolyte membrane does not function without moisture, it must be operated at a temperature at which moisture management is possible. . The preferred range of operating temperature of the fuel cell is from room temperature to 100 ° C.
本発明によれば、ふっ素系電解質と同等以上、もしくは実用上十分な耐劣化特性を有し、しかも製造容易な高耐久性固体高分子電解質を固体高分子電解質膜と電極形成のバインダーに用いた膜/電極接合体及びそれを用いた燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a highly durable solid polymer electrolyte that is equal to or better than a fluorine-based electrolyte or has practically sufficient deterioration resistance and is easy to produce is used as a binder for forming a solid polymer electrolyte membrane and an electrode. A membrane / electrode assembly and a fuel cell using the same can be provided.
以下実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited thereto. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows.
(1)イオン交換基当量重量
測定しようとするスルホアルキル化ポリマーを密閉できるガラス容器中に精秤(a(グラム))し、そこに過剰量の塩化カルシウム水溶液を添加して一晩撹拌した。系内に発生した塩化水素を0.1Nの水酸化ナトリウム標準水溶液(力価f)にて、指示薬にフェノールフタレインを用いて滴定(b(ml))した。イオン交換基当量重量(g/mol)は下式より求めた。
イオン交換基当量重量=(1000×a)/(0.1×b×f)
(2)燃料電池単セル出力性能評価
電極を接合した電解質を評価セルに組み込み、燃料電池出力性能を評価した。反応ガスには、水素/酸素を用い、共に1気圧の圧力にて、23℃の水バブラーを通して加湿した後、評価セルに供給した。ガス流量は、水素60ml/min、酸素40ml/min、セル温度は、70℃とした。電池出力性能は、H201B充放電装置(北斗電工社製)により評価した。
(1) Equivalent weight of ion exchange group The sulfoalkylated polymer to be measured was precisely weighed (a (gram)) in a glass container capable of being sealed, and an excess amount of calcium chloride aqueous solution was added thereto and stirred overnight. Hydrogen chloride generated in the system was titrated (b (ml)) with 0.1N sodium hydroxide standard aqueous solution (titer f) using phenolphthalein as an indicator. The ion exchange group equivalent weight (g / mol) was determined from the following formula.
Ion exchange group equivalent weight = (1000 x a) / (0.1 x b x f)
(2) Fuel cell single cell output performance evaluation An electrolyte with electrodes joined was incorporated into the evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. Hydrogen / oxygen was used as the reaction gas, and both were humidified through a water bubbler at 23 ° C. at a pressure of 1 atm, and then supplied to the evaluation cell. The gas flow rate was 60 ml / min for hydrogen, 40 ml / min for oxygen, and the cell temperature was 70 ° C. The battery output performance was evaluated with an H201B charge / discharge device (Hokuto Denko).
(実施例1)
(1)スルホプロピル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、21.6gのポリエーテルスルホン(PES)、12.2g(0.1モル)のプロパンサルトン、乾燥した50mlのニトロベンゼンを入れた。撹拌しながら約30分かけて14.7g(0.11モル)の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、8時間還流した。次いで、反応物を25ミリリットルの濃塩酸を添加した氷水500ミリリットルに注ぎ、反応を停止させた。反応溶液を1リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホプロピル化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホンのイオン交換基当量重量は980g/molであった。
(Example 1)
(1) Synthesis of sulfopropylated polyethersulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 21.6 g of polyether Sulfone (PES), 12.2 g (0.1 mol) of propane sultone and 50 ml of dried nitrobenzene were charged. With stirring, 14.7 g (0.11 mol) of anhydrous aluminum chloride was added over about 30 minutes. After the addition of anhydrous aluminum chloride, the mixture was refluxed for 8 hours. Then, the reaction product was poured into 500 ml of ice water to which 25 ml of concentrated hydrochloric acid was added to stop the reaction. The reaction solution was slowly added dropwise to 1 liter of deionized water to precipitate sulfopropylated polyethersulfone, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water using a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. overnight. The obtained sulfopropylated polyethersulfone had an ion exchange group equivalent weight of 980 g / mol.
スルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリエーテルスルホンを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated polyethersulfone electrolyte can be manufactured in one process using polyethersulfone, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the cost of the perfluorosulfonic acid electrolyte manufactured through five processes is expensive. Compared to 1/50 or less, it is inexpensive.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホン1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホプロピル化ポリエーテルスルホンのイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホプロピル化ポリエーテルスルホンのイオン交換基当量重量は初期と変わらず980g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、後述の比較例1の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は同一加温加水分解条件で3000g/molと変化し、初期の960g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質は後述の比較例1の(1)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 In a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container, 1.0 g of the obtained sulfopropylated polyethersulfone and 20 ml of ion-exchanged water were placed and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and the ion exchange group equivalent weight of sulfopropylated polyether sulfone was measured. As a result, the ion exchange group equivalent weight of sulfopropylated polyethersulfone was 980 g / mol, which was the same as that of the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (1) described later, the ion exchange group equivalent weight of the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 3000 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial 960 g The value was larger than the value of / mol, and the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfopropylated polyethersulfone electrolyte, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte described in (1) of Comparative Example 1 described later, exhibits stability as with an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. The cost and characteristics are both excellent.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られた生成物を5重量%の濃度になるようにN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒(体積比20:80:25)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚42μmの電解質膜Iを作成した。得られた電解質膜Iのイオン導電率は5S/cmであった。
(2) Preparation of electrolyte membrane N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solvent (volume ratio 20:80:25) to a concentration of 5% by weight of the product obtained in (1) above. Dissolved. This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane I having a thickness of 42 μm. The obtained electrolyte membrane I had an ionic conductivity of 5 S / cm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記電解質膜Iとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、そのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、後述の比較例1の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質IIは同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質膜は後述の比較例1の(2)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained electrolyte membrane I and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in (2) of Comparative Example 1 described later, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon-based electrolyte II was broken under the same heating hydrolysis condition and was raged. In other words, the inexpensive sulfopropylated polyethersulfone electrolyte membrane is as stable as the expensive perfluorosulfonic acid membrane, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane described in Comparative Example 1 (2) described later. It is excellent in terms of both cost and characteristics.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)の5重量%濃度のN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液I)を調整した。この電極触媒被覆用溶液Iを前記(2)で得られた電解質膜Iの両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体Iを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
The weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte is 2: 1 with 40% by weight platinum-supported carbon and 5% by weight N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solution of (2) above. The paste (Electrocatalyst coating solution I) was prepared by uniformly adding and dispersing. The electrode catalyst coating solution I was applied to both sides of the electrolyte membrane I obtained in the above (2) and then dried to prepare a membrane / electrode assembly I having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
40重量%の白金担持カーボンに、後述の比較例1の(2)に記載した電極触媒被覆用溶液IIを前記(2)で得られた電解質膜Iの両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体I'を作製した。 After applying the electrode catalyst coating solution II described in (2) of Comparative Example 1 (described later) to both sides of the electrolyte membrane I obtained in (2) above on 40% by weight of platinum-supporting carbon, drying is performed to obtain platinum. A membrane / electrode assembly I ′ having a loading amount of 0.25 mg / cm 2 was produced.
40重量%の白金担持カーボンに、パーフロロスルホン酸電解質の5重量%濃度のアルコール−水混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液)を調整した。この電極触媒被覆用溶液を前記(2)で得られた電解質膜Iの両側に塗布した。電解質膜と電極触媒被覆溶液は分離し、均一に塗布できず、膜/電極接合体を作製することができなかった。電極触媒被覆用溶液として電極触媒被覆用溶液Iが優れている。 To 40% by weight of platinum-supported carbon, add a 5% by weight alcohol-water mixed solution of perfluorosulfonic acid electrolyte so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer electrolyte is 2: 1. A paste (electrocatalyst coating solution) was prepared by dispersing. This electrode catalyst coating solution was applied to both sides of the electrolyte membrane I obtained in the above (2). The electrolyte membrane and the electrode catalyst coating solution were separated and could not be applied uniformly, and a membrane / electrode assembly could not be produced. The electrode catalyst coating solution I is excellent as the electrode catalyst coating solution.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体Iとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体Iは高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。 The obtained membrane / electrode assembly I and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly I was the same as the membrane / electrode assembly produced using the high-cost perfluorosulfonic acid membrane and the perfluorosulfonic acid electrolyte, and the membrane was solid.
又、ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体I'とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体I'は電極が若干剥がれていたが膜はしっかりしており、発電能力をあった。 Further, the obtained membrane / electrode assembly I ′ and 20 ml of ion-exchanged water were put into a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, in the membrane / electrode assembly I ′, the electrode was slightly peeled off, but the membrane was firm and had power generation capability.
一方、後述の比較例1の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜IIと電極触媒被覆用溶液IIを用いて作製した膜/電極接合体IIは同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホプロピルポリクロロトリフルオロエチレン電解質膜/電極接合体は後述の比較例1の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (3) described later, the membrane / electrode assembly II produced using the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane II and the electrode catalyst coating solution II is the same. Under heated hydrolysis conditions, the membrane was broken and raged, and the electrode was peeled off. That is, an inexpensive sulfopropylpolychlorotrifluoroethylene electrolyte membrane / electrode assembly is expensive, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in Comparative Example 1 (3) described later. As with the perfluorosulfonic acid membrane / electrode assembly, it is stable and has excellent cost and characteristics.
(4)燃料電池単セルの耐久性試験
前記膜/電極接合体I又はI'を沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。得られた膜/電極接合体を評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。即ち、高分子電解質膜1、酸素極2及び水素極3は前述の(3)で製作された膜/電極接合体4によって構成され、その両電極に薄いカーボンペーパーのパッキング材によって支持し、シールされる集電材5を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)6からなる図1に示す固体高分子型燃料電池単セルを作製した。酸素極2がカソード電極及び水素極3がアノード電極となる。
(4) Durability test of single fuel cell The membrane / electrode assembly I or I ′ was absorbed by immersing it in boiling deionized water for 2 hours. The obtained membrane / electrode assembly was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. That is, the
前記固体高分子型燃料電池単セルを電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図2に示す。図2中の12は本願発明の電解質膜/電極接合体Iを用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図2中の13は電解質膜/電極接合体I'を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図2中の14はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図2の12に示すように出力電圧は初期0.8Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図2の14のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。
The polymer electrolyte fuel cell single cell was subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG. 2 in FIG. 2 is a durability test result of a single fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly I of the present invention.
一方、図2中の15(後述に記載した比較例1のスルホン化芳香族炭化水素電解質を使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.73Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルは、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例1及び比較例1の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例1の燃料電池単セルの出力電圧が比較例1の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例1の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例1の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例1の膜/電極接合体が比較例1の膜/電極接合体より優れているからである。 On the other hand, the output voltage of 15 in FIG. 2 (a fuel cell single cell using the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte of Comparative Example 1 described later) was 0.73 V in the initial stage, and the output disappeared after 600 hours of operation time. . Therefore, a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is an aromatic hydrocarbon electrolyte directly bonded to a sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. In addition, although the platinum loading of the membrane / electrode assembly of Example 1 and Comparative Example 1 is the same as 0.25 mg / cm 2 , the output voltage of the single fuel cell of Example 1 is that of Comparative Example 1. The reason why the output voltage of the fuel cell unit cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of the membrane / electrode assembly of Example 1 is the electrolyte membrane and electrode catalyst coating of the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 This is because the membrane / electrode assembly of Example 1 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 because it is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(5)燃料電池の作製
前記(4)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(5) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell in which 36 single-cell cells fabricated in (4) were stacked was fabricated and showed an output of 3 kW.
(比較例1)
(1)スルホン化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、25gのポリエーテルスルホン(PES)と濃硫酸125mlを入れた。窒素気流下、室温にて一晩撹拌して均一溶液とした。この溶液に、窒素気流下、撹拌しながら滴下ロウトより48mlのクロロ硫酸を滴下した。滴下開始後しばらくクロロ硫酸が濃硫酸中の水分と激しく反応して発泡するためゆっくりと滴下し、発泡が穏やかになった後は5分以内に滴下を終了させた。滴下終了後の反応溶液を25℃にて3.5時間撹拌してスルホン化した。次いで、反応溶液を15リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下しでスルホン化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、80℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホン化ポリエーテルスルホン電解質のイオン交換基当量重量は960g/molであった。
(Comparative Example 1)
(1) Synthesis of sulfonated polyethersulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 25 g of polyethersulfone ( PES) and 125 ml of concentrated sulfuric acid were added. The mixture was stirred overnight at room temperature under a nitrogen stream to obtain a uniform solution. To this solution, 48 ml of chlorosulfuric acid was added dropwise from a dropping funnel while stirring under a nitrogen stream. Since the chlorosulfuric acid reacted vigorously with the water in the concentrated sulfuric acid and foamed for a while after the start of the dripping, it was slowly dripped, and after the foaming became mild, the dripping was completed within 5 minutes. The reaction solution after completion of the dropwise addition was sulfonated by stirring at 25 ° C. for 3.5 hours. The reaction solution was then slowly added dropwise to 15 liters of deionized water to precipitate sulfonated polyethersulfone, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water by a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The obtained sulfonated polyethersulfone electrolyte had an ion exchange group equivalent weight of 960 g / mol.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホン化ポリエーテルスルホン電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホン化ポリエーテルスルホン電解のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホン化ポリエーテルスルホン電解質のイオン交換基当量重量は3000g/molと初期の960g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。 1.0 g of the sulfonated polyethersulfone electrolyte obtained and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of sulfonated polyether sulfone electrolysis. As a result, the ion exchange group equivalent weight of the sulfonated polyethersulfone electrolyte was 3000 g / mol, which was larger than the initial value of 960 g / mol, and the sulfone group was dissociated.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られたスルホン化ポリエーテルスルホン電解質を5重量%の濃度になるようにN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒(体積比20:80:25)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚45μmの電解質膜IIを作成した。得られた電解質膜IIのイオン導電率は0.02S/cmであった。
(2) Preparation of electrolyte membrane N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solvent (volume ratio 20:80) so that the sulfonated polyethersulfone electrolyte obtained in (1) has a concentration of 5% by weight. : 25). This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane II having a film thickness of 45 μm. The ionic conductivity of the obtained electrolyte membrane II was 0.02 S / cm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記電解質膜IIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、電解質膜IIは破け、ぼろぼろになっていた。 The obtained electrolyte membrane II and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the electrolyte membrane II was broken and raged.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)の5重量%濃度のN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液II)を調整した。この電極触媒被覆用溶液IIを前記(2)で得られた電解質膜IIの両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体IIを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
The weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte is 2: 1 with 40% by weight platinum-supported carbon and 5% by weight N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solution of (2) above. The paste (Electrocatalyst Coating Solution II) was prepared by uniformly adding and dispersing. The electrode catalyst coating solution II was applied to both sides of the electrolyte membrane II obtained in the above (2) and then dried to prepare a membrane / electrode assembly II having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体IIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体IIの膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。 The obtained membrane / electrode assembly II and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane of the membrane / electrode assembly II was broken and raged, and the electrode was peeled off.
(4)燃料電池単セルの耐久性試験
比較例1の膜/電極接合体IIの両側に薄いカーボンペーパーのパッキング材(支持集電体)を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)からなる固体高分子型燃料電池単セルを作製し、電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果、図2の15に示すように出力電圧は初期0.73Vで、稼動時間600時間後で出力電圧が無くなった。
(4) Durability test of a single fuel cell cell A thin carbon paper packing material (supporting current collector) is adhered to both sides of the membrane / electrode assembly II in Comparative Example 1, and the electrode chamber is separated from both sides to the electrode. A polymer electrolyte fuel cell single cell consisting of a conductive separator (bipolar plate) that also functions as a gas supply passage was fabricated and subjected to a long-term operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . As a result, as shown by 15 in FIG. 2, the output voltage was 0.73 V in the initial stage, and the output voltage disappeared after 600 hours of operation.
スルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリエーテルスルホンを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated polyethersulfone electrolyte can be manufactured in one process using polyethersulfone, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the cost of the perfluorosulfonic acid electrolyte manufactured through five processes is expensive. Compared to 1/50 or less, it is inexpensive.
実施例1及び比較例1の(1)から分かるように安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質はスルホン化芳香族炭化水素電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 As can be seen from Example 1 and Comparative Example 1 (1), the inexpensive sulfopropylated polyethersulfone electrolyte is different from the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte, and shows stability as with the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. And excellent properties.
実施例1及び比較例1の(1)及び(2)から分かるように実施例1のアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は980g/mol、比較例1のスルホン酸基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は960g/molと、実施例1のイオン交換基当量重量が比較例1のものと比較して大きいにも拘らず(通常、イオン交換基当量重量が小さいものほどイオン伝導率は大きい)、実施例1の電解質膜のイオン導電率は比較例1の電解質膜のイオン導電率より大きく、実施例1の電解質膜は比較例1の電解質膜より優れている。又、実施例1及び比較例1の(2)から分かるように安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質膜はスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 As can be seen from (1) and (2) of Example 1 and Comparative Example 1, the ion-exchange group equivalent weight of the aromatic hydrocarbon electrolyte in which the sulfonic acid group is bonded via the alkyl group of Example 1 is 980 g / mol. The ion-exchange group equivalent weight of the aromatic hydrocarbon electrolyte directly bonded to the sulfonic acid group of Comparative Example 1 is 960 g / mol, and the ion-exchange group equivalent weight of Example 1 is larger than that of Comparative Example 1. Nevertheless, the ionic conductivity of the electrolyte membrane of Example 1 is larger than the ionic conductivity of the electrolyte membrane of Comparative Example 1 (usually, the smaller the ion exchange group equivalent weight, the higher the ionic conductivity). This electrolyte membrane is superior to the electrolyte membrane of Comparative Example 1. Further, as can be seen from Example 1 and Comparative Example 1 (2), the inexpensive sulfopropylated polyethersulfone electrolyte membrane is different from the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane and is the same as the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte membrane. It has excellent stability in terms of cost and characteristics.
実施例1及び比較例1の(3)から分かるように安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質膜/電極接合体はスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 As can be seen from Example 1 and Comparative Example 1 (3), the inexpensive sulfopropylated polyethersulfone electrolyte membrane / electrode assembly is different from the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly and is expensive perfluoro. Similar to the sulfonic acid electrolyte membrane / electrode assembly, it exhibits stability and is excellent in both cost and characteristics.
又、実施例1及び比較例1の(4)から分かるように実施例1の電極触媒被覆用溶液を用いた燃料電池単セルの出力電圧は比較例1の電極触媒被覆用溶液を用いた燃料電池単セルの出力電圧より大きく、実施例1の電極触媒被覆用溶液は比較例1の電極触媒被覆用溶液より優れている。本発明の燃料電池単セルは低コストでパーフルオロスルホン酸系燃料電池単セルと同等の耐久性があり、スルホン化芳香族炭化水素系燃料電池単セルと異なって実用上十分な耐久性を有している。 Further, as can be seen from Example 1 and Comparative Example 1 (4), the output voltage of the fuel cell single cell using the electrode catalyst coating solution of Example 1 is a fuel using the electrode catalyst coating solution of Comparative Example 1. The electrode catalyst coating solution of Example 1 is superior to the electrode catalyst coating solution of Comparative Example 1 above the output voltage of the single battery cell. The fuel cell unit cell of the present invention is low in cost and has durability equivalent to that of a perfluorosulfonic acid fuel cell unit cell. Unlike the sulfonated aromatic hydrocarbon fuel cell unit cell, the unit cell has sufficient practical durability. is doing.
図2から分かるように12(実施例1の燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.8Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図2中の14のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、15(比較例1の燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.73Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例1及び比較例1の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例1の燃料電池単セルの出力電圧が比較例1の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例1の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例1の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例1の膜/電極接合体が比較例1の膜/電極接合体より優れているからである。 As can be seen from FIG. 2, the output voltage of 12 (the fuel cell single cell of Example 1) is 0.8V at the initial stage, and it remains unchanged from the initial state even after 5000 hours of operation time, and 14 perfluorosulfonic acid membranes in FIG. It was equivalent to the result. On the other hand, the output voltage of 15 (the fuel cell single cell of Comparative Example 1) was 0.73 V in the initial stage, and the output disappeared after 600 hours of operation. Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. In addition, although the platinum loading of the membrane / electrode assembly of Example 1 and Comparative Example 1 is the same as 0.25 mg / cm 2 , the output voltage of the single fuel cell of Example 1 is that of Comparative Example 1. The reason why the output voltage of the fuel cell unit cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of the membrane / electrode assembly of Example 1 is the electrolyte membrane and electrode catalyst coating of the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 This is because the membrane / electrode assembly of Example 1 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 because it is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(実施例2)
(1)スルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、14.5gのポリエーテルエーテルケトン、12.2g(0.1モル)のプロパンサルトン、乾燥した50mlのニトロベンゼンを入れた。撹拌しながら約30分かけて14.7g(0.11モル)の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、30時間還流した。次いで、反応溶液を0.5リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトン電解質のイオン交換基当量重量は800g/molであった。
(Example 2)
(1) Synthesis of sulfopropylated polyetheretherketone After purging the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube with nitrogen, Ether ether ketone, 12.2 g (0.1 mol) of propane sultone, 50 ml of dried nitrobenzene were charged. With stirring, 14.7 g (0.11 mol) of anhydrous aluminum chloride was added over about 30 minutes. After the addition of anhydrous aluminum chloride, the mixture was refluxed for 30 hours. Next, the reaction solution was slowly dropped into 0.5 liter of deionized water to precipitate sulfopropylated polyetheretherketone, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water using a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. overnight. The obtained sulfopropylated polyetheretherketone electrolyte had an ion exchange group equivalent weight of 800 g / mol.
スルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトン電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリエーテルエーテルケトンを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/40以下と安価である。 The cost of sulfopropylated polyetheretherketone electrolyte can be manufactured in one step using polyetheretherketone, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the raw material is expensive and the perfluorosulfonic acid electrolyte manufactured through five steps It is less than 1/40 of the cost.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトン電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトン電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトン電解質のイオン交換基当量重量は初期と変わらず800g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、後述の比較例2の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は同一加温加水分解条件で2500g/molと変化し、初期の600g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトン電解質は後述の比較例2の(1)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 1.0 g of the obtained sulfopropylated polyetheretherketone electrolyte and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of sulfopropylated polyetheretherketone electrolyte. As a result, the ion exchange group equivalent weight of the sulfopropylated polyetheretherketone electrolyte was as stable as that of the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte, which was 800 g / mol. On the other hand, as shown in (1) of Comparative Example 2 described later, the ion-exchange group equivalent weight of an inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 2500 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial 600 g The value was larger than the value of / mol, and the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfopropylated polyetheretherketone electrolyte, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte described in Comparative Example 2 (1) described later, is stable as an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. It is excellent in both cost and characteristics.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られた生成物を5重量%の濃度になるようにN−メチルピロリドン溶媒に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚42μmの電解質膜IIIを作成した。
(2) Production of electrolyte membrane The product obtained in (1) was dissolved in N-methylpyrrolidone solvent so as to have a concentration of 5% by weight. This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane III having a thickness of 42 μm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記電解質膜IIIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、そのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、後述の比較例2の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質IVは同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホンは後述の比較例2の(2)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained electrolyte membrane III and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in (2) of Comparative Example 2 described later, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon-based electrolyte IV was broken under the same heating hydrolysis conditions and was raged. That is, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane described in Comparative Example 2 (2) described later, the inexpensive sulfopropylated polyethersulfone exhibits stability similar to the expensive perfluorosulfonic acid membrane. The cost and characteristics are both excellent.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)のN−メチルピロリドン溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液III)を調整した。この電極触媒被覆用溶液IIIを前記(2)で得られた電解質膜IIIの両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体IIIを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
The N-methylpyrrolidone solution described in (2) above is added to 40% by weight of platinum-supporting carbon so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer electrolyte is 2: 1 and dispersed uniformly to obtain a paste (electrode) Catalyst coating solution III) was prepared. This electrode catalyst coating solution III was applied to both sides of the electrolyte membrane III obtained in the above (2) and then dried to prepare a membrane / electrode assembly III having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
40重量%の白金担持カーボンに、後述の比較例2の(3)の電極触媒被覆用溶液IVを前記(2)で得られた電解質膜IIIの両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体III'を作製した。 After applying the electrode catalyst coating solution IV of Comparative Example 2 (3) described later to 40% by weight of platinum-supporting carbon on both sides of the electrolyte membrane III obtained in the above (2), the coating was dried and the amount of platinum supported A membrane / electrode assembly III ′ of 0.25 mg / cm 2 was produced.
40重量%の白金担持カーボンに、パーフロロスルホン酸電解質の5重量%濃度のアルコール−水混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液)を調整した。この電極触媒被覆用溶液を前記(2)で得られた電解質膜IIIの両側に塗布した。電解質膜と電極触媒被覆用は分離し、均一に塗布できず、膜/電極接合体を作製することができなかった。 To 40% by weight of platinum-supported carbon, add a 5% by weight alcohol-water mixed solution of perfluorosulfonic acid electrolyte so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer electrolyte is 2: 1. A paste (electrocatalyst coating solution) was prepared by dispersing. This electrode catalyst coating solution was applied to both sides of the electrolyte membrane III obtained in the above (2). The electrolyte membrane and the electrode catalyst coating were separated and could not be applied uniformly, and a membrane / electrode assembly could not be produced.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体IIIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体IIIは高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。 The obtained membrane / electrode assembly III and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly III was the same as the initial membrane as well as the membrane / electrode assembly produced using a high-cost perfluorosulfonic acid membrane and a perfluorosulfonic acid electrolyte, and the membrane was solid.
又、ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体III'とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体III'は電極が若干剥がれていたが膜はしっかりしており、発電能力をあった。 Further, the obtained membrane / electrode assembly III ′ and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, in the membrane / electrode assembly III ′, the electrode was slightly peeled off, but the membrane was firm and had power generation capability.
一方、後述の比較例2の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜IVと電極触媒被覆用溶液IVを用いて作製した膜/電極接合体IVは同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホプロピルポリクロロトリフルオロエチレン電解質膜/電極接合体は後述の比較例2の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 On the other hand, as shown in Comparative Example 2 (3) described later, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane IV and the membrane / electrode assembly IV prepared using the electrode catalyst coating solution IV are the same. Under heated hydrolysis conditions, the membrane was broken and raged, and the electrode was peeled off. That is, an inexpensive sulfopropylpolychlorotrifluoroethylene electrolyte membrane / electrode assembly is expensive, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in Comparative Example 2 (3) described later. As with the perfluorosulfonic acid membrane / electrode assembly, it is stable and has excellent cost and characteristics.
(4)燃料電池単セル出力性能評価
前記膜/電極接合体III及びIII'を沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。これらの膜/電極接合体を評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。膜/電極接合体IIIを組みこんだ燃料電池単セルの電流密度‐電圧プロットを図3に示す。電流密度1(A/cm2)のとき出力電圧は0.6(V)で、電流密度300(mA/cm2)のとき出力電圧は0.76(V)で固体高分子型燃料電池単セルとして十分使用可能であった。
(4) Fuel cell single cell output performance evaluation The membrane / electrode assemblies III and III ′ were absorbed by immersing them in boiling deionized water for 2 hours. These membrane / electrode assemblies were incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. FIG. 3 shows a current density-voltage plot of a single fuel cell unit incorporating the membrane / electrode assembly III. When the current density is 1 (A / cm 2 ), the output voltage is 0.6 (V), and when the current density is 300 (mA / cm 2 ), the output voltage is 0.76 (V). It was possible.
実施例2の膜/電極接合体III及びIII'の両側に薄いカーボンペーパーのパッキング材(支持集電体)を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)からなる固体高分子型燃料電池単セルを作製し、電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図4に示す。図4中の16は本願発明の電解質膜/電極接合体IIIを用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図4中の17は電解質膜/電極接合体III'を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図4中の18はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図4の16に示すように出力電圧は初期0.76Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図4の18のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、図4中の19(後述に記載した比較例2のスルホン化芳香族炭化水素電解質を使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.73Vで、稼動時間5000時間後で出力が無くなった。 A thin carbon paper packing material (supporting current collector) is adhered to both sides of the membrane / electrode assembly III and III ′ of Example 2 to serve as a chamber separation and a gas supply passage to the electrode from both sides. A single polymer electrolyte fuel cell unit cell made of a conductive separator (bipolar plate) was fabricated and subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG. 4 in FIG. 4 is the result of a durability test of a single fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly III of the present invention. 4 in FIG. 4 is the result of the durability test of the single fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly III ′. 4 in FIG. 4 is the result of a durability test of a single fuel cell using a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane / electrode assembly. As shown at 16 in FIG. 4, the output voltage was 0.76 V in the initial stage, which was the same as the initial value even after 5000 hours of operation, and was the same as the result of using the 18 perfluorosulfonic acid membrane in FIG. 4. On the other hand, the output voltage of 19 in FIG. 4 (single cell using the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte of Comparative Example 2 described later) was 0.73 V in the initial stage, and the output disappeared after 5000 hours of operation time. .
このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例2及び比較例2の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例2の燃料電池単セルの出力電圧が比較例2の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例2の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例2の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例2の膜/電極接合体が比較例2の膜/電極接合体より優れているからである。 Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. The amount of supported platinum of the membrane / electrode assembly Example 2 and Comparative Example 2 even though the same as 0.25 mg / cm 2, the output voltage of the fuel cell unit of Example 2 of Comparative Example 2 The reason why the output voltage of the single cell of the fuel cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 2 is the membrane / electrode assembly electrolyte membrane and electrode catalyst coating of Comparative Example 2. This is because the membrane / electrode assembly of Example 2 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 2 because it is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(5)燃料電池の作製
前記(4)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(5) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell in which 36 single-cell cells fabricated in (4) were stacked was fabricated and showed an output of 3 kW.
(比較例2)
(1)スルホン化ポリエーテルエーテルケトンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、6.7gのポリエーテルエーテルケトン(PEEK)と96%の濃硫酸100mlを入れた。窒素気流下、60℃にて60分撹拌して溶解した。この溶液に、窒素気流下、撹拌しながらオレウム(20wt%のSO3を含む)を添加し、濃硫酸濃度を98.5wt%とした。次いで、80℃にて30分加熱した。反応溶液を15リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、80℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトン電解質のイオン交換基当量重量は600g/molであった。
(Comparative Example 2)
(1) Synthesis of sulfonated polyetheretherketone After purging the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube with nitrogen, 6.7 g of polyether Etherketone (PEEK) and 100 ml of 96% concentrated sulfuric acid were added. The mixture was dissolved by stirring at 60 ° C. for 60 minutes under a nitrogen stream. To this solution, oleum (containing 20 wt% SO 3 ) was added with stirring under a nitrogen stream to adjust the concentrated sulfuric acid concentration to 98.5 wt%. Subsequently, it heated at 80 degreeC for 30 minutes. The reaction solution was slowly dropped into 15 liters of deionized water to precipitate sulfonated polyetheretherketone, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water by a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The sulfonated polyether ether ketone electrolyte obtained had an ion exchange group equivalent weight of 600 g / mol.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトン電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホン化ポリエーテルエーテルケトン電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン電解質のイオン交換基当量重量は2500g/molと初期より大きくなり、スルホン基が解離していた。 A SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating was charged with 1.0 g of the sulfonated polyetheretherketone electrolyte obtained and 20 ml of ion-exchanged water, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and the ion exchange group equivalent weight of the sulfonated polyether ether ketone electrolyte was measured. As a result, the ion exchange group equivalent weight of the sulfonated polyetheretherketone electrolyte was 2500 g / mol, which was larger than the initial value, and the sulfone group was dissociated.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトン電解質を5重量%の濃度になるようにN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒(体積比20:80:25)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚45μmの電解質膜IVを作成した。得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトン電解質膜IVのイオン導電率は0.02S/cmであった。
(2) Preparation of electrolyte membrane N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solvent (volume ratio 20: 20%) so that the sulfonated polyetheretherketone electrolyte obtained in the above (1) has a concentration of 5% by weight. 80:25). This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane IV having a film thickness of 45 μm. The sulfonated polyether ether ketone electrolyte membrane IV obtained had an ionic conductivity of 0.02 S / cm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホン化ポリエーテルエーテルケトン電解質膜IVとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン電解質膜は破け、ぼろぼろになっていた。 The obtained sulfonated polyetheretherketone electrolyte membrane IV and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the sulfonated polyetheretherketone electrolyte membrane was broken and raged.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)の5重量%濃度のN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液IV)を調整した。この電極触媒被覆用溶液IVを前記(2)で得られた電解質膜IVの両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体IVを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
The weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte is 2: 1 with 40% by weight platinum-supported carbon and 5% by weight N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solution of (2) above. The paste (Electrocatalyst coating solution IV) was prepared by uniformly adding and dispersing. This electrode catalyst coating solution IV was applied to both sides of the electrolyte membrane IV obtained in the above (2) and then dried to prepare a membrane / electrode assembly IV having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体IVとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体IVの膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。 The obtained membrane / electrode assembly IV and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane of the membrane / electrode assembly IV was broken and raged, and the electrode was peeled off.
(4)燃料電池単セルの耐久性試験
比較例2の膜/電極接合体IVの両側に薄いカーボンペーパーのパッキング材(支持集電体)を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)からなる固体高分子型燃料電池単セルを作製し、電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果、図4の19に示すように出力電圧は初期0.73Vで、稼動時間5000時間後に出力が無くなった。
(4) Durability test of a single fuel cell cell A thin carbon paper packing material (supporting current collector) is adhered to both sides of the membrane / electrode assembly IV of Comparative Example 2 to separate the electrode chamber and electrodes from both sides. A polymer electrolyte fuel cell single cell consisting of a conductive separator (bipolar plate) that also functions as a gas supply passage was fabricated and subjected to a long-term operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . As a result, as indicated by 19 in FIG. 4, the output voltage was 0.73 V in the initial stage, and the output was lost after 5000 hours of operation.
スルホプロピル化ポリエーテルエーテルケトン電解質のコストは市販の安価な
エンジニアプラスチックであるポリエーテルエーテルケトンを原料に1工程で製
造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解
質のコストに比べ1/40以下と安価である。
The cost of sulfopropylated polyetheretherketone electrolyte can be manufactured in one step using polyetheretherketone, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the raw material is expensive and the perfluorosulfonic acid electrolyte manufactured through five steps It is less than 1/40 of the cost.
実施例2及び比較例2の(1)から分かるように実施例2のアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質は比較例2のスルホン酸基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質より、120℃のイオン交換水に対して安定である。 As can be seen from (2) of Example 2 and Comparative Example 2, the aromatic hydrocarbon electrolyte having a sulfonic acid group bonded thereto via the alkyl group of Example 2 is an aromatic directly bonded to the sulfonic acid group of Comparative Example 2. It is more stable to ion exchange water at 120 ° C than hydrocarbon electrolytes.
実施例2及び比較例2の(3)から分かるように実施例2の電極触媒被覆用溶液は芳香族炭化水素系膜に対して、パーフルオロスルホン酸系電極触媒被覆用溶液より優れている。また、実施例2及び比較例2の(4)から分かるように実施例2の電極触媒被覆用溶液を用いた燃料電池単セルの出力電圧は比較例2の電極触媒被覆用溶液を用いた燃料電池単セルの出力電圧より大きく、実施例2の電極触媒被覆用溶液は比較例2の電極触媒被覆用溶液より優れている。 As can be seen from Example 2 and Comparative Example 2 (3), the electrode catalyst coating solution of Example 2 is superior to the perfluorosulfonic acid electrode catalyst coating solution over the aromatic hydrocarbon membrane. Further, as can be seen from Example 2 and Comparative Example 2 (4), the output voltage of the fuel cell single cell using the electrode catalyst coating solution of Example 2 is a fuel using the electrode catalyst coating solution of Comparative Example 2. The electrode catalyst coating solution of Example 2 is superior to the electrode catalyst coating solution of Comparative Example 2 above the output voltage of the single battery cell.
図4から分かるように16(実施例2の燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.8Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図4中の18のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、19(比較例2の燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.73Vで、稼動時間5000時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例2及び比較例2の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例2の燃料電池単セルの出力電圧が比較例2の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例2の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例2の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例2の膜/電極接合体が比較例2の膜/電極接合体より優れているからである。 As can be seen from FIG. 4, the output voltage of 16 (single fuel cell single cell of Example 2) is 0.8V at the initial stage, and it does not change from the initial state even after 5000 hours of operation, and 18 perfluorosulfonic acid membranes in FIG. It was equivalent to the result. On the other hand, the output voltage of 19 (the fuel cell single cell of Comparative Example 2) was 0.73 V in the initial stage, and the output disappeared after 5000 hours of operation. Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. The amount of supported platinum of the membrane / electrode assembly Example 2 and Comparative Example 2 even though the same as 0.25 mg / cm 2, the output voltage of the fuel cell unit of Example 2 of Comparative Example 2 The reason why the output voltage of the single cell of the fuel cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 2 is the membrane / electrode assembly electrolyte membrane and electrode catalyst coating of Comparative Example 2. This is because the membrane / electrode assembly of Example 2 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 2 because it is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(実施例3)
(1)スルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッドの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、10.8gのポリフェニレンサルフィッド(PPS)、12.2g(0.1モル)のプロパンサルトン、乾燥した50mlのアセトフェノンを入れた。撹拌しながら約30分かけて14.7g(0.11モル)の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、10時間還流した。次いで、反応溶液を0.5リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッドを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質のイオン交換基当量重量は520g/molであった。
(Example 3)
(1) Synthesis of sulfopropylated polyphenylene sulfide After replacing the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, and reflux condenser connected with a calcium chloride tube with nitrogen, 10.8 g of polyphenylene Sulfide (PPS), 12.2 g (0.1 mol) of propane sultone, and 50 ml of dry acetophenone were added. With stirring, 14.7 g (0.11 mol) of anhydrous aluminum chloride was added over about 30 minutes. After the addition of anhydrous aluminum chloride, the mixture was refluxed for 10 hours. Subsequently, the reaction solution was slowly dropped into 0.5 liter of deionized water to precipitate sulfopropylated polyphenylene sulfide, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water using a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. overnight. The obtained sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte had an ion exchange group equivalent weight of 520 g / mol.
スルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリフェニレンサルフィッドを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べて1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte can be manufactured in one process using polyphenylene sulfide, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the raw material is expensive and the perfluorosulfonic acid electrolyte manufactured through 5 processes It is less expensive than 1/50 compared to the cost.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質のイオン交換基当量重量は初期と変わらず520g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、後述の比較例3の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は同一加温加水分解条件で3500g/molと変化し、初期の500g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質は後述の比較例3の(1)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 1.0 g of the obtained sulfopropylated polyphenylene sulfide and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of the sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte. As a result, the ion exchange group equivalent weight of the sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte was as stable as that of the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte at 520 g / mol, unchanged from the initial value. On the other hand, as shown in Comparative Example 3 (1) described later, the ion exchange group equivalent weight of an inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 3500 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial 500 g The value was larger than the value of / mol, and the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte differs from the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon-based electrolyte described in Comparative Example 3 (1) described later, and is as stable as an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. It is excellent in both cost and characteristics.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られたスルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質を5重量%の濃度になるようにN−メチルピロリドン溶媒に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚46μmの電解質膜Vを作成した。
(2) Production of electrolyte membrane The sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte obtained in (1) above was dissolved in N-methylpyrrolidone solvent so as to have a concentration of 5% by weight. This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane V having a film thickness of 46 μm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記電解質膜Vとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、そのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、後述の比較例3の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質VIは同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質膜は後述の比較例3の(2)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained electrolyte membrane V and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in (2) of Comparative Example 3 described later, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte VI was broken under the same heating hydrolysis condition and was raged. That is, an inexpensive sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte membrane is different from an inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane described in Comparative Example 3 (2) described later, and is similar to an expensive perfluorosulfonic acid membrane. It is stable and has excellent cost and characteristics.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)電解質VのN−メチルピロリドン溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液V)を調整した。この電極触媒被覆用溶液を前記(2)で得られた電解質膜Vの片側に塗布した後、乾燥した。又、40重量%の白金−ルテニウム合金担持カーボンに、前記(2)電解質VのN−メチルピロリドン溶液を、白金−ルテニウム合金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液V')を調整した。この電極触媒被覆用溶液V'を前記(2)で得られた電解質膜Vの残りの側に塗布した後、乾燥した。白金担持量0.25mg/cm2(酸素極)と白金−ルテニウム合金担持量0.3mg/cm2(水素極)の膜/電極接合体Vを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
Paste by adding the N-methylpyrrolidone solution of (2) Electrolyte V to 40% by weight of platinum-supported carbon so that the weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte is 2: 1 and uniformly dispersed. (Electrocatalyst coating solution V) was prepared. This electrode catalyst coating solution was applied to one side of the electrolyte membrane V obtained in the above (2) and then dried. In addition, the N-methylpyrrolidone solution of (2) electrolyte V is added to 40% by weight of platinum-ruthenium alloy-supported carbon so that the weight ratio of the platinum-ruthenium alloy catalyst to the polymer electrolyte is 2: 1. The paste (electrode catalyst coating solution V ′) was prepared by uniformly dispersing the paste. This electrode catalyst coating solution V ′ was applied to the remaining side of the electrolyte membrane V obtained in the above (2) and then dried. A membrane / electrode assembly V having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 (oxygen electrode) and a platinum-ruthenium alloy loading of 0.3 mg / cm 2 (hydrogen electrode) was prepared.
後述の比較例3の電極触媒被覆用溶液VIを用いた以外、全く同一にして白金担持量0.25mg/cm2(酸素極)と白金−ルテニウム合金担持量0.3mg/cm2(水素極)の膜/電極接合体V'を作製した。 Except for using the electrode catalyst coating solution VI of Comparative Example 3 which will be described later, the platinum loading 0.25 mg / cm 2 (oxygen electrode) and the platinum-ruthenium alloy loading 0.3 mg / cm 2 (hydrogen electrode) were made exactly the same. A membrane / electrode assembly V ′ was produced.
40重量%の白金担持カーボンに、パーフロロスルホン酸電解質の5重量%濃度のアルコール−水混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液)を調整した。この電極触媒被覆用溶液を前記(2)で得られた電解質膜Vの両側に塗布した。電解質膜と電極触媒被覆用は分離し、均一に塗布できず、膜/電極接合体を作製することができなかった。 To 40% by weight of platinum-supported carbon, add a 5% by weight alcohol-water mixed solution of perfluorosulfonic acid electrolyte so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer electrolyte is 2: 1. A paste (electrocatalyst coating solution) was prepared by dispersing. This electrode catalyst coating solution was applied to both sides of the electrolyte membrane V obtained in the above (2). The electrolyte membrane and the electrode catalyst coating were separated and could not be applied uniformly, and a membrane / electrode assembly could not be produced.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体Vとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体Vは高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。 The obtained membrane / electrode assembly V and 20 ml of ion-exchanged water were put into a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly V was the same as the initial membrane and the membrane was solid, as was the case with the membrane / electrode assembly produced using a high-cost perfluorosulfonic acid membrane and perfluorosulfonic acid electrolyte.
又、ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体V'とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体V'は電極が若干剥がれていたが膜はしっかりしており、発電能力をあった。 Further, the obtained membrane / electrode assembly V ′ and 20 ml of ion-exchanged water were put into a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, in the membrane / electrode assembly V ′, the electrode was slightly peeled off, but the membrane was firm and had power generation capability.
一方、後述の比較例1の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜VIと電極触媒被覆用溶液VIを用いて作製した膜/電極接合体VIは同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質膜/電極接合体は後述の比較例3の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (3) described later, the membrane / electrode assembly VI prepared using the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane VI and the electrode catalyst coating solution VI is the same. Under heated hydrolysis conditions, the membrane was broken and raged, and the electrode was peeled off. That is, the inexpensive sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte membrane / electrode assembly is expensive, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in Comparative Example 3 (3) below. As with the perfluorosulfonic acid membrane / electrode assembly, it is stable and has excellent cost and characteristics.
(4)燃料電池単セル出力性能評価
前記膜/電極接合体を沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。得られた膜/電極接合体を評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。膜/電極接合体Vを用いた単電池セルの電流密度‐出力電圧プロットを図5に示す。電流密度1(A/cm2)のとき出力電圧は0.63(V)で、電流密度300(mA/cm2)のとき出力電圧は0.78(V)で固体高分子型燃料電池単セルとして十分使用可能であった。
(4) Evaluation of fuel cell single cell output performance The membrane / electrode assembly was absorbed by immersing it in boiling deionized water for 2 hours. The obtained membrane / electrode assembly was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. A current density-output voltage plot of a single battery cell using the membrane / electrode assembly V is shown in FIG. When the current density is 1 (A / cm 2 ), the output voltage is 0.63 (V), and when the current density is 300 (mA / cm 2 ), the output voltage is 0.78 (V). It was possible.
又、前記固体高分子型燃料電池単セルを電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図6に示す。図6中の20は本願発明の電解質膜/電極接合体Vを用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図6中の21は電解質膜/電極接合体V'を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図6中の22はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図6の20に示すように電解質膜/電極接合体Vを用いた燃料電池単セルの出力電圧は初期0.78Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図6の22のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、図6中の23(後述に記載する比較例3のスルホン化芳香族炭化水素電解質を使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。
The solid polymer fuel cell single cell was subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG. 6 in FIG. 6 is a durability test result of a single fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly V of the present invention.
また、実施例3及び比較例3の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例3の燃料電池単セルの出力電圧が比較例3の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例3の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例3の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例3の膜/電極接合体が比較例3の膜/電極接合体より優れているからである。 In addition, the output voltage of the single fuel cell of Example 3 was the same as that of Comparative Example 3 even though the amount of platinum supported in the membrane / electrode assembly of Example 3 and Comparative Example 3 was the same as 0.25 mg / cm 2 . The reason why the output voltage of the single cell of the fuel cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 3 is the membrane / electrode assembly electrolyte membrane and electrode catalyst coating of Comparative Example 3. This is because the membrane / electrode assembly of Example 3 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 3, which is larger than the ionic conductivity of the solution for use.
(5)燃料電池の作製
前記(4)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(5) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell was fabricated by laminating 36 layers of the unit cells fabricated in (4), and showed an output of 3 kW.
(比較例3)
(1)スルホン化ポリフェニレンサルフィッドの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、5℃にて12gのポリフェニレンサルフィッド(PPS)と220mlのクロロ硫酸を入れた。窒素気流下、5℃にて30分撹拌してPPSを溶解した。次いで、20℃にて150分、50℃にて60分保持した。反応溶液を15リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホン化ポリフェニレンサルフィッドを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、80℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホン化ポリフェニレンサルフィッドのイオン交換基当量重量は500g/molであった。
(Comparative Example 3)
(1) Synthesis of sulfonated polyphenylene sulfide After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 12 g at 5 ° C Of polyphenylene sulfide (PPS) and 220 ml of chlorosulfuric acid were added. PPS was dissolved by stirring at 5 ° C. for 30 minutes under a nitrogen stream. Subsequently, it hold | maintained at 20 degreeC for 150 minutes and 50 degreeC for 60 minutes. The reaction solution was slowly dropped into 15 liters of deionized water to precipitate sulfonated polyphenylene sulfide, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water by a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The sulfonated polyphenylene sulfide obtained had an ion exchange group equivalent weight of 500 g / mol.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホン化ポリエーテルスルホン1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホン化ポリフェニレンサルフィッドのイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホン化ポリフェニレンサルフィッドのイオン交換基当量重量は3500g/molと初期より大きくなり、スルホン基が解離していた。 A SUS airtight container of polytetrafluoroethylene coating was charged with 1.0 g of the sulfonated polyethersulfone and 20 ml of ion-exchanged water, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of sulfonated polyphenylene sulfide. As a result, the ion exchange group equivalent weight of the sulfonated polyphenylene sulfide was 3500 g / mol, which was larger than the initial value, and the sulfone group was dissociated.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られた生成物を5重量%の濃度になるようにN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒(体積比20:80:25)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚45μmのスルホン化ポリフェニレンサルフィッド電解質膜VIを作成した。得られた膜VIのイオン導電率は0.02S/cmであった。
(2) Preparation of electrolyte membrane N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solvent (volume ratio 20:80:25) to a concentration of 5% by weight of the product obtained in (1) above. Dissolved. This solution was spread on glass by spin coating, air dried, and then vacuum dried at 80 ° C. to prepare a sulfonated polyphenylene sulfide electrolyte membrane VI having a film thickness of 45 μm. The ionic conductivity of the obtained film VI was 0.02 S / cm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホン化ポリフェニレンサルフィッド電解質膜VIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、スルホン化ポリフェニレンサルフィッド電解質膜VIは破け、ぼろぼろになっていた。 The sulfonated polyphenylene sulfide electrolyte membrane VI and 20 ml of ion-exchanged water obtained in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating were placed and maintained at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the sulfonated polyphenylene sulfide electrolyte membrane VI was broken and raged.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)の5重量%濃度のN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液VI)を調整した。この電極触媒被覆用溶液VIを前記(2)で得られた電解質膜VIの両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体VIを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
The weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte is 2: 1 with 40% by weight platinum-supported carbon and 5% by weight N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solution of (2) above. The paste (Electrocatalyst coating solution VI) was prepared by uniformly adding and dispersing. This electrode catalyst coating solution VI was applied to both sides of the electrolyte membrane VI obtained in the above (2) and then dried to produce a membrane / electrode assembly VI having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体VIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体VIの膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。 The obtained membrane / electrode assembly VI and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane of the membrane / electrode assembly VI was torn and shabby, and the electrode was peeled off.
(4)燃料電池単セルの耐久性試験
比較例3の膜/電極接合体VIの両側に薄いカーボンペーパーのパッキング材(支持集電体)を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)からなる固体高分子型燃料電池単セルを作製し、電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果、図6の23に示すように出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。
(4) Durability test of a single fuel cell cell A thin carbon paper packing material (supporting current collector) is adhered to both sides of the membrane / electrode assembly VI of Comparative Example 3 to separate the electrode chamber and electrodes from both sides. A polymer electrolyte fuel cell single cell consisting of a conductive separator (bipolar plate) that also functions as a gas supply passage was fabricated and subjected to a long-term operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . As a result, as indicated by 23 in FIG. 6, the output voltage was initially 0.63 V, and the output ceased after 600 hours of operation time.
スルホプロピル化ポリフェニレンサルフィッド電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリフェニレンサルフィッドを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べて1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated polyphenylene sulfide electrolyte can be manufactured in one process using polyphenylene sulfide, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the raw material is expensive and the perfluorosulfonic acid electrolyte manufactured through 5 processes It is less expensive than 1/50 compared to the cost.
実施例3及び比較例3の(1)から分かるように実施例3のアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質は比較例3のスルホン酸基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質より、120℃のイオン交換水に対して安定である。 As can be seen from (1) of Example 3 and Comparative Example 3, the aromatic hydrocarbon electrolyte in which the sulfonic acid group is bonded via the alkyl group of Example 3 is the aromatic directly bonded to the sulfonic acid group of Comparative Example 3. It is more stable to ion exchange water at 120 ° C than hydrocarbon electrolytes.
実施例3及び比較例3の(1)及び(2)から分かるように実施例3のアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は520g/mol、比較例3のスルホン酸基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は500g/molと、実施例3のイオン交換基当量重量が比較例3のものと比較して大きいにも拘らず(通常、イオン交換基当量重量が小さいものほどイオン伝導率は大きい)、実施例3の電解質膜のイオン導電率は比較例2の電解質膜のイオン導電率より大きくため、実施例3の電解質膜は比較例3の電解質膜より優れている。 As can be seen from (1) and (2) of Example 3 and Comparative Example 3, the ion-exchange group equivalent weight of the aromatic hydrocarbon electrolyte in which the sulfonic acid group is bonded via the alkyl group of Example 3 is 520 g / mol. The ion-exchange group equivalent weight of the aromatic hydrocarbon electrolyte directly bonded to the sulfonic acid group of Comparative Example 3 is 500 g / mol, and the ion-exchange group equivalent weight of Example 3 is larger than that of Comparative Example 3. Nevertheless, since the ionic conductivity of the electrolyte membrane of Example 3 is larger than the ionic conductivity of the electrolyte membrane of Comparative Example 2 (usually, the smaller the ion exchange group equivalent weight, the higher the ionic conductivity). The electrolyte membrane of 3 is superior to the electrolyte membrane of Comparative Example 3.
実施例3及び比較例3の(3)から分かるように実施例3の電極触媒被覆用溶液は芳香族炭化水素系膜に対して、パーフルオロスルホン酸系電極触媒被覆用溶液より優れている。又、実施例3及び比較例3の(4)から分かるように実施例3の電極触媒被覆用溶液を用いた燃料電池単セルの出力電圧は比較例3の電極触媒被覆用溶液を用いた燃料電池単セルの出力電圧より大きく、実施例3の電極触媒被覆用溶液は比較例3の電極触媒被覆用溶液より優れている。 As can be seen from Example 3 and Comparative Example 3 (3), the electrocatalyst coating solution of Example 3 is superior to the perfluorosulfonic acid electrocatalyst coating solution over the aromatic hydrocarbon membrane. Further, as can be seen from Example 3 and Comparative Example 3 (4), the output voltage of the fuel cell single cell using the electrode catalyst coating solution of Example 3 is a fuel using the electrode catalyst coating solution of Comparative Example 3. The electrode catalyst coating solution of Example 3 is superior to the electrode catalyst coating solution of Comparative Example 3 above the output voltage of the single battery cell.
図6から分かるように20(実施例3の燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.78Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図6中の22のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、23(比較例3のスルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例3及び比較例3の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例3の燃料電池単セルの出力電圧が比較例3の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例3の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例3の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例3の膜/電極接合体が比較例3の膜/電極接合体より優れているからである。 As can be seen from FIG. 6, the output voltage of 20 (single fuel cell single cell of Example 3) is 0.78V in the initial stage, and it does not change from the initial state even after 5000 hours of operation time. It was equivalent to the result. On the other hand, the output voltage of 23 (a fuel cell single cell using an aromatic hydrocarbon-based electrolyte directly bonded to the sulfone group of Comparative Example 3) was 0.63 V in the initial stage, and the output disappeared after 600 hours of operation. Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. In addition, the output voltage of the single fuel cell of Example 3 is the same as that of Comparative Example 3 even though the amount of platinum supported in the membrane / electrode assembly of Example 3 and Comparative Example 3 is the same as 0.25 mg / cm 2 . The reason why the output voltage of the single cell of the fuel cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 3 is the membrane / electrode assembly electrolyte membrane and electrode catalyst coating of Comparative Example 3. This is because the membrane / electrode assembly of Example 3 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 3, which is larger than the ionic conductivity of the solution for use.
(実施例4)
(1)スルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイドの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、12.0gの変性ポリフェニレンオキサイド(m−PPE)、12.2g(0.1モル)のプロパンサルトン、乾燥した50mlのジメチルスルホキシドを入れた。撹拌しながら約30分かけて14.7g(0.11モル)の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、150℃に8時間保った。次いで、反応物を25ミリリットルの濃塩酸を添加した氷水500ミリリットルに注ぎ、反応を停止させた。有機物層を分離し、水洗、オクチルアルコールを数滴添加した炭酸ナトリウム水溶液で中和した。水酸化アルミニウムを濾別、濾液を活性炭で脱色した後、溶媒を揮散させた。得られたスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質のイオン交換基当量重量は370g/molであった。
(Example 4)
(1) Synthesis of sulfopropylated modified polyphenylene oxide After replacing the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with calcium chloride tube with nitrogen, 12.0 g of modified polyphenylene Oxide (m-PPE), 12.2 g (0.1 mol) of propane sultone, and 50 ml of dried dimethyl sulfoxide were added. With stirring, 14.7 g (0.11 mol) of anhydrous aluminum chloride was added over about 30 minutes. After the addition of anhydrous aluminum chloride, the temperature was maintained at 150 ° C. for 8 hours. Then, the reaction product was poured into 500 ml of ice water to which 25 ml of concentrated hydrochloric acid was added to stop the reaction. The organic layer was separated, washed with water, and neutralized with an aqueous sodium carbonate solution to which a few drops of octyl alcohol was added. The aluminum hydroxide was filtered off, the filtrate was decolorized with activated carbon, and then the solvent was stripped. The obtained sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte had an ion exchange group equivalent weight of 370 g / mol.
スルホプロピル化ポリフェニレンオキサイド電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリフェニレンオキサイドを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated polyphenylene oxide electrolyte can be manufactured in one process using polyphenylene oxide, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the cost is 1 compared to the cost of perfluorosulfonic acid electrolyte that is expensive and manufactured through 5 processes. / 50 or less and inexpensive.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質のイオン交換基当量重量は初期と変わらず520g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、後述の比較例4の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は同一加温加水分解条件で3500g/molと変化し、初期の490g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質は後述の比較例4の(1)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 1.0 g of the obtained sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of the sulfopropylation modification polyphenylene oxide electrolyte. As a result, the ion exchange group equivalent weight of the sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte was 520 g / mol, which was as stable as the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. On the other hand, as shown in Comparative Example 4 (1) described later, the ion exchange group equivalent weight of the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 3500 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial 490 g The value was larger than the value of / mol, and the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte shows stability as an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte described in Comparative Example 4 (1) described later. The cost and characteristics are both excellent.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られたスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質を5重量%の濃度になるようにN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒(体積比20:80:25)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚42μmのスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜VIIを作成した。得られた膜VIIのイオン導電率は0.01S/cmであった。
(2) Preparation of electrolyte membrane N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solvent (volume ratio 20: 20%) so that the sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte obtained in the above (1) has a concentration of 5% by weight. 80:25). This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare a sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte membrane VII having a thickness of 42 μm. The obtained membrane VII had an ionic conductivity of 0.01 S / cm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記電解質膜VIIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、そのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、後述の比較例4の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質VIIIは同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜は後述の比較例4の(2)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained electrolyte membrane VII and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in Comparative Example 4 (2) described later, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon-based electrolyte VIII was broken under the same heating hydrolysis conditions and was raged. That is, an inexpensive sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte membrane is as stable as an expensive perfluorosulfonic acid membrane, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane described in Comparative Example 4 (2) below. It is excellent in terms of both cost and characteristics.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)の5重量%濃度のN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液VII)を調整した。この電極触媒被覆用溶液VIIを前記(2)で得られたスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜VIIの両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体VIIを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
The weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte is 2: 1 with 40% by weight platinum-supported carbon and 5% by weight N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solution of (2) above. The paste (Electrocatalyst coating solution VII) was prepared by uniformly adding and dispersing. This electrode catalyst coating solution VII was applied to both sides of the sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte membrane VII obtained in the above (2) and then dried to form a membrane / electrode assembly VII having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2. Was made.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体VIIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体VIIは高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。 The obtained membrane / electrode assembly VII and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly VII was the same as the membrane / electrode assembly produced using the high-cost perfluorosulfonic acid membrane and the perfluorosulfonic acid electrolyte, and the membrane was firm.
一方、後述の比較例4の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜VIIIと電極触媒被覆用溶液VIIIを用いて作製した膜/電極接合体VIIIは同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホプロピル化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜/電極接合体は後述の比較例4の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 On the other hand, as shown in Comparative Example 4 (3) described later, the membrane / electrode assembly VIII produced using the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane VIII and the electrode catalyst coating solution VIII is the same. Under heated hydrolysis conditions, the membrane was broken and raged, and the electrode was peeled off. That is, an inexpensive sulfopropylated modified polyphenylene oxide electrolyte membrane / electrode assembly differs from an inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in Comparative Example 4 (3) below. Similar to the fluorosulfonic acid membrane / electrode assembly, it exhibits stability and is excellent in both cost and characteristics.
(4)燃料電池単セル出力性能評価
前記膜/電極接合体VIIを沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。得られた膜/電極接合体VIIを評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。得られた電流密度‐電圧プロットを図7に示す。電流密度1(A/cm2)のとき出力電圧は0.69(V)で、電流密度300(mA/cm2)のとき出力電圧は0.82(V)で固体高分子型燃料電池単セルとして十分使用可能であった。又、前記固体高分子型燃料電池単セルを電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図8に示す。図8中の24は本願発明の電解質膜/電極接合体VIIを用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図8中の25はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図8の24に示すように出力電圧は初期0.82Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図8の25のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、図8中の26(後述に記載する比較例4のスルホン化芳香族炭化水素電解質を使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。
(4) Fuel cell single cell output performance evaluation The membrane / electrode assembly VII was absorbed by immersing it in boiling deionized water for 2 hours. The obtained membrane / electrode assembly VII was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. The obtained current density-voltage plot is shown in FIG. When the current density is 1 (A / cm 2 ), the output voltage is 0.69 (V), and when the current density is 300 (mA / cm 2 ), the output voltage is 0.82 (V). It was possible. The solid polymer fuel cell single cell was subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG. In FIG. 8, 24 is the result of a durability test of a single fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly VII of the present invention.
このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例4及び比較例4の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例4の燃料電池単セルの出力電圧が比較例4の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例4の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例4の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例4の膜/電極接合体が比較例4の膜/電極接合体より優れているからである。 Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. In addition, the output voltage of the fuel cell single cell of Example 4 was the same as that of Comparative Example 4 although the platinum loading of the membrane / electrode assembly of Example 4 and Comparative Example 4 was the same as 0.25 mg / cm 2 . The reason why the output voltage of the single cell of the fuel cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 4 is the membrane / electrode assembly electrolyte membrane and electrode catalyst coating of Comparative Example 4 This is because the membrane / electrode assembly of Example 4 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 4, which is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(5)燃料電池の作製
前記(4)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(5) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell was fabricated by laminating 36 layers of the unit cells fabricated in (4), and showed an output of 3 kW.
(比較例4)
(1)スルホン化変性ポリフェニレンオキサイドの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、5℃にて12gのポリフェニレンオキサイド(m−PPE)と220mlのクロロ硫酸を入れた。窒素気流下、5℃にて30分撹拌してPPSを溶解した。次いで、20℃にて150分、50℃にて60分保持した。反応溶液を15リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホン化変性ポリフェニレンオキサイドを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、80℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質のイオン交換基当量重量は490g/molであった。
(Comparative Example 4)
(1) Synthesis of sulfonated modified polyphenylene oxide After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 12 g of 5 g Polyphenylene oxide (m-PPE) and 220 ml of chlorosulfuric acid were added. PPS was dissolved by stirring at 5 ° C. for 30 minutes under a nitrogen stream. Subsequently, it hold | maintained at 20 degreeC for 150 minutes and 50 degreeC for 60 minutes. The reaction solution was slowly dropped into 15 liters of deionized water to precipitate sulfonated modified polyphenylene oxide, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water by a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The resulting sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte had an ion exchange group equivalent weight of 490 g / mol.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質のイオン交換基当量重量は3500g/molと初期より大きくなり、スルホン基が解離していた。 A SUS airtight container of polytetrafluoroethylene coating was charged with 1.0 g of the sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte and 20 ml of ion-exchanged water, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of the sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte. As a result, the ion exchange group equivalent weight of the sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte was 3500 g / mol, which was larger than the initial value, and the sulfone group was dissociated.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られた生成物を5重量%の濃度になるようにN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒(体積比20:80:25)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚45μmのスルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜VIIIを作成した。得られたスルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜VIIIのイオン導電率は0.02S/cmであった。
(2) Preparation of electrolyte membrane N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solvent (volume ratio 20:80:25) to a concentration of 5% by weight of the product obtained in (1) above. Dissolved. This solution was spread on glass by spin coating, air dried, and then vacuum dried at 80 ° C. to prepare a sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte membrane VIII having a film thickness of 45 μm. The sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte membrane VIII had an ionic conductivity of 0.02 S / cm.
スルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜VIIIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、スルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜VIIIは破け、ぼろぼろになっていた。 Sulfonation-modified polyphenylene oxide electrolyte membrane VIII and 20 ml of ion-exchanged water were added and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte membrane VIII was broken and raged.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)スルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質の5重量%濃度のN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液VIII)を調整した。この電極触媒被覆用溶液VIIIを前記(2)で得られたスルホン化変性ポリフェニレンオキサイド電解質膜の両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体VIIIを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
40% by weight of platinum-supported carbon is mixed with a 5% by weight N, N′-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solution of (2) sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte in a weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte. Was added so as to be 2: 1 and dispersed uniformly to prepare a paste (Electrocatalyst Coating Solution VIII). This electrode catalyst coating solution VIII was applied to both sides of the sulfonated modified polyphenylene oxide electrolyte membrane obtained in (2), and then dried to produce a membrane / electrode assembly VIII having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2. did.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体VIIIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体VIIIの膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。 The obtained membrane / electrode assembly VIII and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane of the membrane / electrode assembly VIII was torn and raged, and the electrode was peeled off.
(4)燃料電池単セルの耐久性試験
比較例4の膜/電極接合体VIIIの両側に薄いカーボンペーパーのパッキング材(支持集電体)を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)からなる固体高分子型燃料電池単セルを作製し、電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果、図8の26に示すように出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。
(4) Durability test of a single fuel cell cell A thin carbon paper packing material (supporting current collector) is adhered to both sides of the membrane / electrode assembly VIII of Comparative Example 4, and the chamber separation and electrodes are performed from both sides. A polymer electrolyte fuel cell single cell consisting of a conductive separator (bipolar plate) that also functions as a gas supply passage was fabricated and subjected to a long-term operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . As a result, as indicated by 26 in FIG. 8, the output voltage was initially 0.63 V, and the output disappeared after 600 hours of operation.
スルホプロピル化ポリフェニレンオキサイド電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリフェニレンオキサイドを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated polyphenylene oxide electrolyte can be manufactured in one process using polyphenylene oxide, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the cost is 1 compared to the cost of perfluorosulfonic acid electrolyte that is expensive and manufactured through 5 processes. / 50 or less and inexpensive.
実施例4及び比較例4の(1)から分かるように実施例4のアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質は比較例4のスルホン酸基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質より、120℃のイオン交換水に対して安定である。 As can be seen from Example 4 and Comparative Example 4 (1), the aromatic hydrocarbon electrolyte in which the sulfonic acid group is bonded via the alkyl group in Example 4 is the aromatic bonded directly to the sulfonic acid group in Comparative Example 4. It is more stable to ion exchange water at 120 ° C than hydrocarbon electrolytes.
実施例4及び比較例4の(1)及び(2)から分かるように実施例4のアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は520g/mol、比較例4のスルホン酸基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は490g/molと、実施例4のイオン交換基当量重量が比較例4のものと比較して大きいにも拘らず(通常、イオン交換基当量重量が小さいものほどイオン伝導率は大きい)、実施例4の電解質膜のイオン導電率は比較例4の電解質膜のイオン導電率より大きくため、実施例4の電解質膜は比較例4の電解質膜より優れている。 As can be seen from (1) and (2) of Example 4 and Comparative Example 4, the ion-exchange group equivalent weight of the aromatic hydrocarbon electrolyte in which the sulfonic acid group is bonded via the alkyl group of Example 4 is 520 g / mol. The ion-exchange group equivalent weight of the aromatic hydrocarbon electrolyte directly bonded to the sulfonic acid group of Comparative Example 4 is 490 g / mol, and the ion-exchange group equivalent weight of Example 4 is larger than that of Comparative Example 4. Nevertheless, since the ionic conductivity of the electrolyte membrane of Example 4 is larger than the ionic conductivity of the electrolyte membrane of Comparative Example 4 (usually, the smaller the ion exchange group equivalent weight, the higher the ionic conductivity). The electrolyte membrane of 4 is superior to the electrolyte membrane of Comparative Example 4.
実施例4及び比較例4の(3)から分かるように実施例4の電極触媒被覆用溶液は芳香族炭化水素系膜に対して、パーフルオロスルホン酸系電極触媒被覆用溶液より優れている。 As can be seen from Example 4 and Comparative Example 4 (3), the electrode catalyst coating solution of Example 4 is superior to the perfluorosulfonic acid electrode catalyst coating solution over the aromatic hydrocarbon membrane.
また、実施例4及び比較例4の(4)から分かるように実施例4の電極触媒被覆用溶液を用いた燃料電池単セルの出力電圧は比較例4の電極触媒被覆用溶液を用いた燃料電池単セルの出力電圧より大きく、実施例4の電極触媒被覆用溶液は比較例4の電極触媒被覆用溶液より優れている。 In addition, as can be seen from (4) of Example 4 and Comparative Example 4, the output voltage of the fuel cell single cell using the electrode catalyst coating solution of Example 4 is a fuel using the electrode catalyst coating solution of Comparative Example 4. The electrode catalyst coating solution of Example 4 is superior to the electrode catalyst coating solution of Comparative Example 4 above the output voltage of the single battery cell.
図8から分かるように24(実施例4の燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.82Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図8中の25のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、26(比較例4の燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例4及び比較例4の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例4の燃料電池単セルの出力電圧が比較例4の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例4の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例4の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例4の膜/電極接合体が比較例4の膜/電極接合体より優れているからである。 As can be seen from FIG. 8, the output voltage of 24 (single fuel cell single cell of Example 4) is 0.82V in the initial stage, and it does not change from the initial state even after 5,000 hours of operation time. It was equivalent to the result. On the other hand, the output voltage of 26 (single fuel cell of Comparative Example 4) was 0.63 V in the initial stage, and the output was lost after 600 hours of operation. Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. In addition, the output voltage of the fuel cell single cell of Example 4 was the same as that of Comparative Example 4 although the platinum loading of the membrane / electrode assembly of Example 4 and Comparative Example 4 was the same as 0.25 mg / cm 2 . The reason why the output voltage of the single cell of the fuel cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 4 is the membrane / electrode assembly electrolyte membrane and electrode catalyst coating of Comparative Example 4 This is because the membrane / electrode assembly of Example 4 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 4, which is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(実施例5)
(1)スルホプロピル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、11.6gのポリエーテルスルホン(PES)、12.2g(0.1モル)のプロパンサルトン、乾燥した50mlのアセトフェノンを入れた。撹拌しながら約30分かけて14.7g(0.11モル)の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、8時間還流した。次いで、反応溶液を0.5リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホプロピル化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホンのイオン交換基当量重量は700g/molであった。
(Example 5)
(1) Synthesis of sulfopropylated polyethersulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 11.6 g of polyether Sulfone (PES), 12.2 g (0.1 mol) of propane sultone, 50 ml of dry acetophenone were added. With stirring, 14.7 g (0.11 mol) of anhydrous aluminum chloride was added over about 30 minutes. After the addition of anhydrous aluminum chloride, the mixture was refluxed for 8 hours. Subsequently, the reaction solution was slowly dropped into 0.5 liter of deionized water to precipitate sulfopropylated polyethersulfone, which was recovered by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water using a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. overnight. The obtained sulfopropylated polyethersulfone had an ion exchange group equivalent weight of 700 g / mol.
スルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリエーテルスルホンを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated polyethersulfone electrolyte can be manufactured in one process using polyethersulfone, which is a commercially available low-priced engineer plastic, so the cost of the perfluorosulfonic acid electrolyte manufactured through five processes is expensive. Compared to 1/50 or less, it is inexpensive.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホン1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホプロピル化ポリエーテルスルホンのイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホプロピル化ポリエーテルスルホンのイオン交換基当量重量は初期と変わらず700g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、後述の比較例1の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は同一加温加水分解条件で3000g/molと変化し、初期の960g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質は後述の比較例1の(1)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 In a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container, 1.0 g of the obtained sulfopropylated polyethersulfone and 20 ml of ion-exchanged water were placed and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and the ion exchange group equivalent weight of sulfopropylated polyether sulfone was measured. As a result, the ion-exchange group equivalent weight of the sulfopropylated polyethersulfone was 700 g / mol, which was the same as that of the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (1) described later, the ion exchange group equivalent weight of the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 3000 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial 960 g The value was larger than the value of / mol, and the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfopropylated polyethersulfone electrolyte, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte described in (1) of Comparative Example 1 described later, exhibits stability as with an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. The cost and characteristics are both excellent.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られた生成物を5重量%の濃度になるようにN,N'-ジメチルホルムアミド溶液に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚40μmの電解質膜IXを作成した。
(2) Production of electrolyte membrane The product obtained in (1) above was dissolved in an N, N'-dimethylformamide solution to a concentration of 5% by weight. This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane IX having a film thickness of 40 μm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記電解質膜IXとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、電解質膜IXのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、後述の比較例1の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜IIは同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホンは後述の比較例1の(2)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained electrolyte membrane IX and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity of the electrolyte membrane IX was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in (2) of Comparative Example 1 described later, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane II was broken under the same heating hydrolysis conditions and was raged. That is, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane described in Comparative Example 1 (2) described later, the inexpensive sulfopropylated polyethersulfone exhibits stability similar to the expensive perfluorosulfonic acid membrane. The cost and characteristics are both excellent.
(3)電極触媒被覆用溶液および膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)のN,N'-ジメチルホルムアミド溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液IX)を調整した。この電極触媒被覆用溶液IXを前記(2)で得られた電解質膜IXの片側に塗布した後、乾燥した。又、40重量%の白金−ルテニウム合金担持カーボンに、前記(2)のN,N'-ジメチルホルムアミド溶液を、白金−ルテニウム合金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液IX')を調整した。この電極触媒被覆用溶液IX'を前記(2)で得られた電解質膜IXの残りの側に塗布した後、乾燥した。白金担持量0.29mg/cm2(酸素極)と白金−ルテニウム合金担持量0.32mg/cm2(水素極)の膜/電極接合体IXを作製した。
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体IXとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体IXは高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
The N, N'-dimethylformamide solution of (2) above was added to 40% by weight of platinum-supported carbon so that the weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte was 2: 1 and dispersed uniformly. A paste (Electrocatalyst coating solution IX) was prepared. This electrode catalyst coating solution IX was applied to one side of the electrolyte membrane IX obtained in the above (2) and then dried. Further, the N, N′-dimethylformamide solution of (2) above is added to 40% by weight of platinum-ruthenium alloy-supported carbon so that the weight ratio of the platinum-ruthenium alloy catalyst to the polymer electrolyte is 2: 1. It was added and dispersed uniformly to prepare a paste (Electrocatalyst coating solution IX ′). This electrode catalyst coating solution IX ′ was applied to the remaining side of the electrolyte membrane IX obtained in the above (2) and then dried. A membrane / electrode assembly IX having a platinum loading of 0.29 mg / cm 2 (oxygen electrode) and a platinum-ruthenium alloy loading of 0.32 mg / cm 2 (hydrogen electrode) was prepared.
The obtained membrane / electrode assembly IX and 20 ml of ion-exchanged water were put into a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly IX was the same as the membrane / electrode assembly produced by using a high-cost perfluorosulfonic acid membrane and a perfluorosulfonic acid electrolyte, and the membrane was solid.
一方、後述の比較例1の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜IIと電極触媒被覆用溶液IIを用いて作製した膜/電極接合体IIは同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質膜/電極接合体は後述の比較例1の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (3) described later, the membrane / electrode assembly II produced using the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane II and the electrode catalyst coating solution II is the same. Under heated hydrolysis conditions, the membrane was broken and raged, and the electrode was peeled off. That is, an inexpensive sulfopropylated polyethersulfone electrolyte membrane / electrode assembly is different from an inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in (3) of Comparative Example 1 described later. Similar to the fluorosulfonic acid membrane / electrode assembly, it exhibits stability and is excellent in both cost and characteristics.
(4)燃料電池単セル出力性能評価
前記膜/電極接合体IXを沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。得られた膜/電極接合体IXを評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。得られた電流密度‐電圧プロットを図9に示す。電流密度1(A/cm2)のとき出力電圧は0.63(V)で、電流密度300(mA/cm2)のとき出力電圧は0.80(V)で固体高分子型燃料電池単セルとして十分使用可能であった。
(4) Fuel cell single cell output performance evaluation The membrane / electrode assembly IX was absorbed by immersing it in boiling deionized water for 2 hours. The obtained membrane / electrode assembly IX was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. The obtained current density-voltage plot is shown in FIG. When the current density is 1 (A / cm 2 ), the output voltage is 0.63 (V), and when the current density is 300 (mA / cm 2 ), the output voltage is 0.80 (V). It was possible.
また、前記固体高分子型燃料電池単セルを電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図10に示す。図10中の27は本願発明の電解質膜/電極接合体IXを用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図10中の28はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図10の27に示すように出力電圧は初期0.80Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図10の28のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、図10中の29(比較例1のスルホン化芳香族炭化水素電解質を使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。 Further, the solid polymer fuel cell single cell was subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG. 27 in FIG. 10 is the result of a durability test of a single fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly IX of the present invention. 28 in FIG. 10 is a result of the durability test of the single fuel cell using the perfluorosulfonic acid electrolyte membrane / electrode assembly. As shown at 27 in FIG. 10, the output voltage was 0.80 V in the initial stage, which was the same as the initial value even after 5000 hours of operation, and was the same as the result using the perfluorosulfonic acid membrane of 28 in FIG. On the other hand, the output voltage of 29 in FIG. 10 (fuel cell single cell using the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte of Comparative Example 1) was 0.63 V in the initial stage, and the output disappeared after 600 hours of operation. Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using.
(6)燃料電池の作製
前記(5)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(6) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell was fabricated by laminating 36 layers of unit cells fabricated in (5), and showed an output of 3 kW.
(実施例6)
(1)スルホプロピル化ポリスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、22.1gのポリスルホン(PSU)、12.2g(0.1モル)のプロパンサルトン、乾燥した50mlのトリクロロエタン−ジクロロエタンの混合溶媒(1:1)を入れた。撹拌しながら約30分かけて14.7g(0.11モル)の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、100℃に24時間保った。次いで、反応物を25ミリリットルの濃塩酸を添加した氷水500ミリリットルに注ぎ、反応を停止させた。有機物層を分離し、水洗、オクチルアルコールを数滴添加した炭酸ナトリウム水溶液で中和した。水酸化アルミニウムを濾別、濾液を活性炭で脱色した後、溶媒を揮散させた。得られたスルホプロピル化ポリスルホン電解質のイオン交換基当量重量は750g/molであった。
(Example 6)
(1) Synthesis of sulfopropylated polysulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer and reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 22.1 g of polysulfone (PSU) 12.2 g (0.1 mol) of propane sultone and 50 ml of a dry mixed solvent of trichloroethane-dichloroethane (1: 1) were added. With stirring, 14.7 g (0.11 mol) of anhydrous aluminum chloride was added over about 30 minutes. After the addition of anhydrous aluminum chloride, the temperature was kept at 100 ° C. for 24 hours. Then, the reaction product was poured into 500 ml of ice water to which 25 ml of concentrated hydrochloric acid was added to stop the reaction. The organic layer was separated, washed with water, and neutralized with an aqueous sodium carbonate solution to which a few drops of octyl alcohol was added. The aluminum hydroxide was filtered off, the filtrate was decolorized with activated carbon, and then the solvent was stripped. The obtained sulfopropylated polysulfone electrolyte had an ion exchange group equivalent weight of 750 g / mol.
スルホプロピル化スルホン電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリスルホンを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated sulfone electrolyte is 1/50 compared to the cost of perfluorosulfonic acid electrolyte, which is expensive and can be manufactured in 5 steps because polysulfone, which is a commercially available engineer plastic, can be manufactured in 1 step. It is less expensive.
スルホプロピル化ポリスルホン電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホプロピル化ポリスルホン電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホプロピル化ポリスルホン電解質のイオン交換基当量重量は初期と変わらず750g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、後述の比較例5の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は同一加温加水分解条件で3000g/molと変化し、初期の700g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリスルホン電解質は後述の比較例5の(1)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 1.0 g of sulfopropylated polysulfone electrolyte and 20 ml of ion-exchanged water were added and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of the sulfopropylated polysulfone electrolyte. As a result, the ion-exchange group equivalent weight of the sulfopropylated polysulfone electrolyte was 750 g / mol, which was as stable as the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. On the other hand, as shown in Comparative Example 5 (1) described later, the ion-exchange group equivalent weight of the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 3000 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial 700 g The value was larger than the value of / mol, and the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfopropylated polysulfone electrolyte, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte described in Comparative Example 5 (1) described later, shows stability as an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte, and has a low cost. And excellent properties.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られたスルホプロピル化ポリスルホン電解質を5重量%の濃度になるようにトリクロロエタン−ジクロロエタンの混合溶媒(1:1)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚42μmのスルホプロピル化ポリスルホン電解質膜Xを作成した。
(2) Production of electrolyte membrane The sulfopropylated polysulfone electrolyte obtained in (1) was dissolved in a mixed solvent (1: 1) of trichloroethane-dichloroethane so as to have a concentration of 5% by weight. This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare a sulfopropylated polysulfone electrolyte membrane X having a thickness of 42 μm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホプロピル化ポリスルホン電解質膜Xとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、そのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、後述の比較例5の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質XIは同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリスルホン電解質膜は後述の比較例5の(2)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained sulfopropylated polysulfone electrolyte membrane X and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in (2) of Comparative Example 5 described later, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte XI was broken under the same heating hydrolysis conditions and was raged. That is, an inexpensive sulfopropylated polysulfone electrolyte membrane is stable like an expensive perfluorosulfonic acid membrane, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane described in Comparative Example 5 (2) described later. The cost and characteristics are both excellent.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)のトリクロロエタン−ジクロロエタンの混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液X)を調整した。この電極触媒被覆用溶液Xを前記(2)で得られた電解質膜の両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体Xを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
To the 40% by weight platinum-supporting carbon, the mixed solution of trichloroethane-dichloroethane of (2) above is added so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer electrolyte is 2: 1 and dispersed uniformly to obtain a paste ( Electrocatalyst coating solution X) was prepared. This electrode catalyst coating solution X was applied to both sides of the electrolyte membrane obtained in the above (2) and then dried to produce a membrane / electrode assembly X having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体Xとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体は高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。 The obtained membrane / electrode assembly X and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly was the same as the membrane / electrode assembly produced by using a high-cost perfluorosulfonic acid membrane and a perfluorosulfonic acid electrolyte, and the membrane was solid.
一方、後述の比較例5の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜XIと電極触媒被覆用溶液XIを用いて作製した膜/電極接合体XIは同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホプロピル化スルホン電解質膜/電極接合体は後述の比較例5の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 On the other hand, as shown in Comparative Example 5 (3) described later, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane XI and the membrane / electrode assembly XI prepared using the electrode catalyst coating solution XI are the same. Under heated hydrolysis conditions, the membrane was broken and raged, and the electrode was peeled off. That is, the inexpensive sulfopropylated sulfone electrolyte membrane / electrode assembly differs from the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in Comparative Example 5 (3) described later, and is expensive perfluorosulfone. Similar to the acid film / electrode assembly, it exhibits stability and is excellent in both cost and characteristics.
(4)燃料電池単セル出力性能評価
前記膜/電極接合体Xを沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。得られた膜/電極接合体Xを評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。得られた電流密度‐出力電圧プロットを図11に示す。電流密度1(A/cm2)のとき出力電圧は0.68(V)で、電流密度300(mA/cm2)のとき出力電圧は0.81(V)で固体高分子型燃料電池単セルとして十分使用可能であった。
(4) Fuel cell single cell output performance evaluation The membrane / electrode assembly X was immersed in boiling deionized water for 2 hours to absorb water. The obtained membrane / electrode assembly X was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. The obtained current density-output voltage plot is shown in FIG. When the current density is 1 (A / cm 2 ), the output voltage is 0.68 (V), and when the current density is 300 (mA / cm 2 ), the output voltage is 0.81 (V). It was possible.
又、前記固体高分子型燃料電池単セルを電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図12に示す。図12中の30は本願発明の電解質膜/電極接合体Xを用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図12中の31はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図12の30に示すように出力電圧は初期0.81Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図12の31のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。
The solid polymer fuel cell single cell was subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG.
一方、図12中の32(比較例5のスルホン化芳香族炭化水素電解質XIを使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例6及び比較例5の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例6の燃料電池単セルの出力電圧が比較例5の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例6の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例5の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例6の膜/電極接合体が比較例5の膜/電極接合体より優れているからである。 On the other hand, the output voltage of 32 in FIG. 12 (a fuel cell single cell using the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte XI of Comparative Example 5) was 0.63 V in the initial stage, and the output disappeared after 600 hours of operation. Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. In addition, the output voltage of the single fuel cell of Example 6 is the same as that of Comparative Example 5 even though the amount of platinum supported in the membrane / electrode assembly of Example 6 and Comparative Example 5 is the same as 0.25 mg / cm 2 . The reason why the output voltage of the single cell of the fuel cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 6 is the membrane / electrode assembly of Example 6 and the electrolyte membrane and electrode catalyst coating of the membrane / electrode assembly of Comparative Example 5 This is because the membrane / electrode assembly of Example 6 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 5 because it is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(6)燃料電池の作製
前記(5)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(6) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell was fabricated by laminating 36 layers of unit cells fabricated in (5), and showed an output of 3 kW.
(比較例5)
(1)スルホン化ポリスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、25gのポリスルホン(PSU)と濃硫酸125mlを入れた。窒素気流下、室温にて一晩撹拌して均一溶液とした。この溶液に、窒素気流下、撹拌しながら滴下ロウトより48mlのクロロ硫酸を滴下した。滴下開始後しばらくクロロ硫酸が濃硫酸中の水分と激しく反応して発泡するためゆっくりと滴下し、発泡が穏やかになった後は5分以内に滴下を終了させた。滴下終了後の反応溶液を25℃にて3.5時間撹拌してスルホン化した。次いで、反応溶液を15リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下しでスルホン化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、80℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホン化ポリスルホン電解質のイオン交換基当量重量は700g/molであった。
(Comparative Example 5)
(1) Synthesis of sulfonated polysulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, and reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 25 g of polysulfone (PSU) and concentrated 125 ml of sulfuric acid was added. The mixture was stirred overnight at room temperature under a nitrogen stream to obtain a uniform solution. To this solution, 48 ml of chlorosulfuric acid was added dropwise from a dropping funnel while stirring under a nitrogen stream. Since the chlorosulfuric acid reacted vigorously with the water in the concentrated sulfuric acid and foamed for a while after the start of the dripping, it was slowly dripped, and after the foaming became mild, the dripping was completed within 5 minutes. The reaction solution after completion of the dropwise addition was sulfonated by stirring at 25 ° C. for 3.5 hours. The reaction solution was then slowly added dropwise to 15 liters of deionized water to precipitate sulfonated polyethersulfone, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water by a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The obtained sulfonated polysulfone electrolyte had an ion exchange group equivalent weight of 700 g / mol.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホン化ポリスルホン電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホン化ポリスルホン電解のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホン化ポリスルホン電解質のイオン交換基当量重量は3000g/molと初期の700g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。 1.0 g of the sulfonated polysulfone electrolyte obtained above and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of sulfonated polysulfone electrolysis. As a result, the ion exchange group equivalent weight of the sulfonated polysulfone electrolyte was 3000 g / mol, which was larger than the initial value of 700 g / mol, and the sulfone group was dissociated.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られたスルホン化ポリスルホン電解質を5重量%の濃度になるようにN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒(体積比20:80:25)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚45μmの電解質膜XIを作成した。得られた電解質膜XIのイオン導電率は0.02S/cmであった。
(2) Preparation of electrolyte membrane N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solvent (volume ratio 20:80:25) so that the sulfonated polysulfone electrolyte obtained in (1) has a concentration of 5% by weight. ). This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane XI having a thickness of 45 μm. The obtained electrolyte membrane XI had an ionic conductivity of 0.02 S / cm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記電解質膜XIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、電解質膜XIは破け、ぼろぼろになっていた。 The obtained electrolyte membrane XI and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the electrolyte membrane XI was broken and raged.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)の5重量%濃度のN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液XI)を調整した。この電極触媒被覆用溶液XIを前記(2)で得られた電解質膜の両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体XIを作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
The weight ratio of platinum catalyst to polymer electrolyte is 2: 1 with 40% by weight platinum-supported carbon and 5% by weight N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solution of (2) above. Thus, the paste (electrode catalyst coating solution XI) was prepared by uniformly dispersing. This electrode catalyst coating solution XI was applied to both sides of the electrolyte membrane obtained in the above (2) and then dried to produce a membrane / electrode assembly XI having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体XIとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体XIの膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。 The obtained membrane / electrode assembly XI and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane of the membrane / electrode assembly XI was broken and raged, and the electrode was peeled off.
(4)燃料電池単セルの耐久性試験
比較例5の膜/電極接合体XIの両側に薄いカーボンペーパーのパッキング材(支持集電体)を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)からなる固体高分子型燃料電池単セルを作製し、電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果、図12の32に示すように出力電圧は初期0.68Vで、稼動時間600時間後で出力電圧が無くなった。
(4) Durability test of a single fuel cell cell A thin carbon paper packing material (supporting current collector) is adhered to both sides of the membrane / electrode assembly XI in Comparative Example 5, and the electrode chamber is separated from both sides to the electrode. A polymer electrolyte fuel cell single cell consisting of a conductive separator (bipolar plate) that also functions as a gas supply passage was fabricated and subjected to a long-term operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . As a result, as indicated by 32 in FIG. 12, the output voltage was initially 0.68 V, and the output voltage disappeared after 600 hours of operation.
(実施例7)
(1)スルホプロピル化ポリスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、22.1gのポリスルホン(PSU)、12.2g(0.1モル)のプロパンサルトン、乾燥した50mlのニトロベンゼンを入れた。撹拌しながら約30分かけて14.7g(0.11モル)の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、24時間還流した。次いで、反応物を25ミリリットルの濃塩酸を添加した氷水500ミリリットルに注ぎ、反応を停止させた。有機物層を分離し、水洗、オクチルアルコールを数滴添加した炭酸ナトリウム水溶液で中和した。水酸化アルミニウムを濾別、濾液を活性炭で脱色した後、溶媒を揮散させた。得られたスルホプロピル化ポリスルホンのイオン交換基当量重量は660g/molであった。
(Example 7)
(1) Synthesis of sulfopropylated polysulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with calcium chloride tube was purged with nitrogen, 22.1 g of polysulfone (PSU) 12.2 g (0.1 mol) of propane sultone and 50 ml of dried nitrobenzene. With stirring, 14.7 g (0.11 mol) of anhydrous aluminum chloride was added over about 30 minutes. After completion of the addition of anhydrous aluminum chloride, the mixture was refluxed for 24 hours. Then, the reaction product was poured into 500 ml of ice water to which 25 ml of concentrated hydrochloric acid was added to stop the reaction. The organic layer was separated, washed with water, and neutralized with an aqueous sodium carbonate solution to which a few drops of octyl alcohol was added. The aluminum hydroxide was filtered off, the filtrate was decolorized with activated carbon, and then the solvent was stripped. The obtained sulfopropylated polysulfone had an ion exchange group equivalent weight of 660 g / mol.
スルホプロピル化スルホン電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリスルホンを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/50以下と安価である。 The cost of sulfopropylated sulfone electrolyte is 1/50 compared to the cost of perfluorosulfonic acid electrolyte, which is expensive and can be manufactured in 5 steps because polysulfone, which is a commercially available engineer plastic, can be manufactured in 1 step. It is less expensive.
スルホプロピル化ポリスルホン電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホプロピル化ポリスルホン電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホプロピル化ポリスルホン電解質のイオン交換基当量重量は初期と変わらず660g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、比較例5の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質のイオン交換基当量重量は同一加温加水分解条件で3000g/molと変化し、初期の700g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリスルホン電解質は後述の比較例5の(1)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 1.0 g of sulfopropylated polysulfone electrolyte and 20 ml of ion-exchanged water were added and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of the sulfopropylated polysulfone electrolyte. As a result, the ion-exchange group equivalent weight of the sulfopropylated polysulfone electrolyte was as stable as that of the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte at 660 g / mol, unchanged from the initial value. On the other hand, as shown in Comparative Example 5 (1), the ion exchange group equivalent weight of the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 3000 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial 700 g / mol. And the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfopropylated polysulfone electrolyte, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte described in Comparative Example 5 (1) described later, shows stability as an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte, and has a low cost. And excellent properties.
(2)電解質膜の作製
前記(1)で得られた生成物を5重量%の濃度になるようにトリクロロエタン−ジクロロエタンの混合溶媒(1:1)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚38μmの電解質膜を作成した。
(2) Production of electrolyte membrane The product obtained in (1) was dissolved in a mixed solvent (1: 1) of trichloroethane-dichloroethane so as to have a concentration of 5% by weight. This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane having a thickness of 38 μm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホプロピル化ポリスルホン電解質膜とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、そのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、比較例5の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質XIは同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホプロピル化ポリスルホン電解質膜は比較例5の(2)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained sulfopropylated polysulfone electrolyte membrane and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in (2) of Comparative Example 5, the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon-based electrolyte XI was broken under the same heating hydrolysis condition and was raged. That is, unlike the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane described in Comparative Example 5 (2), the inexpensive sulfopropylated polysulfone electrolyte membrane shows stability as in the case of an expensive perfluorosulfonic acid membrane. And excellent properties.
(3)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(2)のトリクロロエタン−ジクロロエタンの混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液)を調整した。この電極触媒被覆用溶液を前記(2)で得られた電解質膜の両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体を作製した。
(3) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
To the 40% by weight platinum-supporting carbon, the mixed solution of trichloroethane-dichloroethane of (2) above is added so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer electrolyte is 2: 1 and dispersed uniformly to obtain a paste ( Electrocatalyst coating solution) was prepared. This electrode catalyst coating solution was applied to both sides of the electrolyte membrane obtained in the above (2) and then dried to prepare a membrane / electrode assembly having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体は高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。 The obtained membrane / electrode assembly and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly was the same as the membrane / electrode assembly produced by using a high-cost perfluorosulfonic acid membrane and a perfluorosulfonic acid electrolyte, and the membrane was solid.
一方、比較例5の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質を用いて作製した膜/電極接合体は同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホプロピル化スルホン電解質膜/電極接合体は比較例5の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 On the other hand, as shown in Comparative Example 5 (3), the membrane / electrode assembly produced using a relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte breaks the membrane under the same heating hydrolysis conditions, and is raged. The electrode was peeled off. That is, the inexpensive sulfopropylated sulfone electrolyte membrane / electrode assembly is different from the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in Comparative Example 5 (3), and is an expensive perfluorosulfonic acid membrane. / Stable as in the electrode assembly, and excellent in both cost and characteristics.
(4)燃料電池単セル出力性能評価
前記膜/電極接合体を沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。得られた膜/電極接合体を評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。得られた電流密度‐電圧プロットを図13に示す。電流密度1(A/cm2)のとき出力電圧は0.75(V)で、電流密度300(mA/cm2)のとき出力電圧は0.83(V)で固体高分子型燃料電池単セルとして十分使用可能であった。
(4) Evaluation of fuel cell single cell output performance The membrane / electrode assembly was absorbed by immersing it in boiling deionized water for 2 hours. The obtained membrane / electrode assembly was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. The obtained current density-voltage plot is shown in FIG. When the current density is 1 (A / cm 2 ), the output voltage is 0.75 (V), and when the current density is 300 (mA / cm 2 ), the output voltage is 0.83 (V). It was possible.
又、前記固体高分子型燃料電池単セルを電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図14に示す。図14中の33は本願発明の電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図14中の34はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図14の33に示すように出力電圧は初期0.83Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図14の34のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。
The solid polymer fuel cell single cell was subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG.
一方、図14中の35(比較例5のスルホン化芳香族炭化水素電解質XIを使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.63Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。 On the other hand, the output voltage of 35 in FIG. 14 (single cell using the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte XI of Comparative Example 5) was 0.63 V at the initial stage, and the output disappeared after 600 hours of operation time. Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using.
又、実施例7及び比較例5の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例7の燃料電池単セルの出力電圧が比較例5の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例7の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例5の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例7の膜/電極接合体が比較例5の膜/電極接合体より優れているからである。 In addition, although the supported amount of platinum in the membrane / electrode assembly of Example 7 and Comparative Example 5 was the same as 0.25 mg / cm 2 , the output voltage of the single fuel cell of Example 7 was the same as that of Comparative Example 5. The reason why the output voltage is larger than the output voltage of the single fuel cell is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 7 is the membrane / electrode assembly electrolyte membrane and electrode catalyst coating of Comparative Example 5. This is because the membrane / electrode assembly of Example 7 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 5 because it is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(6)燃料電池の作製
前記(5)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(6) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell was fabricated by laminating 36 layers of unit cells fabricated in (5), and showed an output of 3 kW.
(実施例8〜実施例13)
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、芳香族炭化水素系高分子、サルトン、乾燥した50mlのニトロベンゼンを入れた。撹拌しながら約30分かけて14.7g(0.11モル)の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、所定温度に所定時間保った。次いで、反応物を25ミリリットルの濃塩酸を添加した氷水150ミリリットルに注ぎ、反応を停止させた。次いで、反応溶液を0.5リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホアルキル化芳香族炭化水素を析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホアルキル化芳香族炭化水素電解質のイオン交換基当量重量の測定、電解質膜及び電解質膜/電極接合体の耐水劣化特性、及び燃料電池単セルの評価を行った。
(Example 8 to Example 13)
After replacing the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer and reflux condenser connected with a calcium chloride tube with nitrogen, aromatic hydrocarbon polymer, sultone, and 50 ml of dried nitrobenzene were added. I put it in. With stirring, 14.7 g (0.11 mol) of anhydrous aluminum chloride was added over about 30 minutes. After the addition of anhydrous aluminum chloride, the temperature was maintained at a predetermined temperature for a predetermined time. Subsequently, the reaction product was poured into 150 ml of ice water to which 25 ml of concentrated hydrochloric acid was added to stop the reaction. Next, the reaction solution was slowly dropped into 0.5 liter of deionized water to precipitate a sulfoalkylated aromatic hydrocarbon, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water using a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. overnight. Measurement of the ion exchange group equivalent weight of the obtained sulfoalkylated aromatic hydrocarbon electrolyte, water-resistant deterioration characteristics of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane / electrode assembly, and evaluation of the fuel cell single cell were performed.
その結果を表1に示す。スルホアルキル化芳香族炭化水素電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックを原料に1工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/40以下と安価である。又、実施例8〜13のスルホアルキル化芳香族炭化水素電解質をポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器中イオン交換水中で120℃/2週間保持した後のイオン交換基当量重量は比較例1のスルホン化芳香族炭化水素電解質と異なり、初期と変わらず、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定でコストと特性が両立して優れている。実施例8〜13のスルホアルキル化芳香族炭化水素電解質膜をポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器中イオン交換水中で120℃/2週間保持した後の形態は比較例1のスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、初期と変わらず、高価なパーフルオロスルホン酸電解質膜と同様に安定でコストと特性が両立して優れている。 The results are shown in Table 1. The cost of sulfoalkylated aromatic hydrocarbon electrolytes can be manufactured in one process using commercially available inexpensive engineer plastics, so the cost of the raw materials is 1/40 compared to the cost of perfluorosulfonic acid electrolytes that are manufactured through 5 processes. It is less expensive. In addition, the ion exchange group equivalent weights after the sulfoalkylated aromatic hydrocarbon electrolytes of Examples 8 to 13 were held in ion exchange water at 120 ° C. for 2 weeks in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating were Comparative Example 1. Unlike the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte, the same as in the initial stage, it is stable and excellent in both cost and characteristics as in the case of the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. After the sulfoalkylated aromatic hydrocarbon electrolyte membranes of Examples 8 to 13 were held in ion-exchanged water at 120 ° C. for 2 weeks in a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating, the form was the sulfonated aromatic of Comparative Example 1. Unlike the hydrocarbon electrolyte membrane, it is the same as the initial perfluorosulfonic acid electrolyte membrane, and is stable and excellent in both cost and characteristics.
実施例8〜13のスルホアルキル化芳香族炭化水素電解質膜/電極接合体をポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器中イオン交換水と120℃に2週間加熱しても比較例1のスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり初期と変化せず、高価なパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体と同様に安定でコストと特性が両立して優れている。又、300mA/cm2で5000時間稼動後の実施例8〜13のスルホアルキル化芳香族炭化水素電解質を用いた単電池セルの出力は比較例1のスルホン化芳香族炭化水素系電解質を用いた単電池セルと異なり、初期と変わらず、高価なパーフルオロスルホン酸電解質を用いた単電池セルと同様に安定でコストと特性が両立して優れている。 Even if the sulfoalkylated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assemblies of Examples 8 to 13 were heated in polytetrafluoroethylene coating SUS sealed containers with ion-exchanged water and 120 ° C. for 2 weeks, the sulfonation of Comparative Example 1 Unlike the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly, it does not change from the initial stage, and is stable and has excellent cost and characteristics in the same manner as the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte membrane / electrode assembly. The output of the unit cell using the sulfoalkylated aromatic hydrocarbon electrolytes of Examples 8 to 13 after operation for 5000 hours at 300 mA / cm 2 was obtained using the sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte of Comparative Example 1. Unlike a single battery cell, it is the same as the initial cell, and is stable and has excellent cost and characteristics as well as a single battery cell using an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte.
(1)クロルメチル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、21.6gのポリエーテルスルホン(PES)、60g(2モル)のパラホルムアルデヒド、乾燥した50mlのニトロベンゼンを入れた。100℃に保って撹拌しながら73gの塩化水素ガスを吹き込んだ。吹き込み終了後、150℃に4時間保った。次いで、反応溶液を1リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでクロルメチル化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、80℃にて一晩減圧乾燥した。
(1) Synthesis of chloromethylated polyethersulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 21.6 g of polyethersulfone (PES), 60 g (2 mol) of paraformaldehyde, 50 ml of dried nitrobenzene were added. While maintaining at 100 ° C., 73 g of hydrogen chloride gas was blown in while stirring. After completion of blowing, the temperature was kept at 150 ° C. for 4 hours. Then, the reaction solution was slowly dropped into 1 liter of deionized water to precipitate chloromethylated polyethersulfone, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water by a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight.
(2)スルホメチル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、10gの前記クロルメチル化ポリエーテルスルホン、乾燥した50mlのニトロベンゼン、30gの硫酸ナトリウムを入れ、100℃にて5時間撹拌した。更に、10ミリリットルのイオン交換水を加え、5時間撹拌した。次いで、反応溶液を1リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホメチル化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質のイオン交換基当量重量は600g/molであった。
(2) Synthesis of sulfomethylated polyethersulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 10 g of the chloromethylated polysulfone Ethersulfone, dried 50 ml of nitrobenzene, and 30 g of sodium sulfate were added and stirred at 100 ° C. for 5 hours. Further, 10 ml of ion exchange water was added and stirred for 5 hours. Subsequently, the reaction solution was slowly dropped into 1 liter of deionized water to precipitate sulfomethylated polyethersulfone, which was recovered by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water using a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. overnight. The obtained sulfomethylated polyethersulfone electrolyte had an ion exchange group equivalent weight of 600 g / mol.
本製造方法で得られるスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリポリエーテルスルホンを原料に2工程で製造でき、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/30以下と安価である。しかし、実施例1のようにポリポリエーテルスルホンを直接サルトンでスルホアルキル化して得られるスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質のコストは実施例14の製造方法より1工程少ないため、実施例14の製造方法で得られるスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質のコストの1/1.5となり、直接サルトンでスルホアルキル化する製造方法のほうがコスト的に有利である。 The cost of the sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte obtained by this production method can be produced in two steps using polyethersulfone, which is a commercially available engineer plastic, as a raw material. Compared to the cost of acid electrolyte, it is less than 1/30. However, since the cost of the sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte obtained by directly sulfoalkylating the polyethersulfone with sultone as in Example 1 is one step lower than the production method of Example 14, the production method of Example 14 The cost of the production method of sulfoalkylating directly with sultone is 1 / 1.5 of the cost of the resulting sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質のイオン交換基当量重量は初期と変わらず600g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、比較例1の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素電解質のイオン交換基当量は同一加温加水分解条件で3000g/molと変化し、初期の960g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質は安価なスルホン化芳香族炭化水素電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 A SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating was charged with 1.0 g of the obtained sulfomethylated polyethersulfone electrolyte and 20 ml of ion-exchanged water, and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and the ion exchange group equivalent weight of the sulfomethylated polyether sulfone electrolyte was measured. As a result, the ion-exchange group equivalent weight of the sulfomethylated polyethersulfone electrolyte was 600 g / mol, which was as stable as the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. On the other hand, as shown in (1) of Comparative Example 1, the ion-exchange group equivalent of the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 3000 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial value of 960 g / mol. It became larger and the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfomethylated polyethersulfone electrolyte, unlike an inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte, shows stability as an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte, and is excellent in both cost and characteristics.
(3)電解質膜の作製
前記(2)で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質を5重量%の濃度になるようにトリクロロエタン−ジクロロエタンの混合溶媒(1:1)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚42μmのスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜を作成した。
(3) Production of electrolyte membrane The sulfomethylated polyethersulfone electrolyte obtained in the above (2) was dissolved in a mixed solvent (1: 1) of trichloroethane-dichloroethane so as to have a concentration of 5% by weight. This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare a sulfomethylated polyethersulfone electrolyte membrane having a thickness of 42 μm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、そのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、比較例1の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質は同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜は安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained sulfomethylated polyethersulfone electrolyte membrane and 20 ml of ion-exchanged water were put into a SUS sealed container of polytetrafluoroethylene coating and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (2), the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte broke under the same heating hydrolysis conditions and was raged. That is, an inexpensive sulfomethylated polyethersulfone electrolyte membrane, unlike an inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane, exhibits stability as an expensive perfluorosulfonic acid membrane, and is excellent in both cost and characteristics. .
(4)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(3)のトリクロロエタン−ジクロロエタンの混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液)を調整した。この電極触媒被覆用溶液を前記(2)で得られた電解質膜の両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体を作製した。
(4) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
To 40% by weight of platinum-supported carbon, the trichloroethane-dichloroethane mixed solution of (3) above was added so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer electrolyte was 2: 1 and dispersed uniformly to obtain a paste ( Electrocatalyst coating solution) was prepared. This electrode catalyst coating solution was applied to both sides of the electrolyte membrane obtained in the above (2) and then dried to prepare a membrane / electrode assembly having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記膜/電極接合体とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体は高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、比較例1の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜IIと電極触媒被覆用溶液IIを用いて作製した膜/電極接合体IIは同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜/電極接合体は比較例1の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained membrane / electrode assembly and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly was the same as the membrane / electrode assembly produced by using a high-cost perfluorosulfonic acid membrane and a perfluorosulfonic acid electrolyte, and the membrane was solid. On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (3), the membrane / electrode assembly II produced using the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane II and the electrode catalyst coating solution II was heated at the same temperature. Under the hydrolysis conditions, the membrane was broken and raged, and the electrode was peeled off. That is, the inexpensive sulfomethylated polyethersulfone electrolyte membrane / electrode assembly is different from the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in (3) of Comparative Example 1 and is expensive perfluorosulfonic acid. Similar to the membrane / electrode assembly, it is stable and has excellent cost and characteristics.
(5)燃料電池単セル出力性能評価
前記膜/電極接合体を沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。得られた膜/電極接合体を評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。得られた電流密度‐出力電圧プロットを図15に示す。電流密度1(A/cm2)のとき出力電圧は0.68(V)で、電流密度300(mA/cm2)のとき出力電圧は0.82(V)で固体高分子型燃料電池単セルとして十分使用可能であった。
(5) Evaluation of fuel cell single cell output performance The membrane / electrode assembly was absorbed by immersing it in boiling deionized water for 2 hours. The obtained membrane / electrode assembly was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. The obtained current density-output voltage plot is shown in FIG. When the current density is 1 (A / cm 2 ), the output voltage is 0.68 (V), and when the current density is 300 (mA / cm 2 ), the output voltage is 0.82 (V). It was possible.
又、前記固体高分子型燃料電池単セルを電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図16に示す。図16中の36は本願発明の電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図16中の37はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図16の36に示すように出力電圧は初期0.82Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図16の37のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、図16中の38(比較例1のスルホン化芳香族炭化水素電解質を使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.73Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。
The solid polymer fuel cell single cell was subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG. 16 in FIG. 16 is a durability test result of a single fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention. In FIG. 16, 37 is the result of a durability test of a single fuel cell using a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane / electrode assembly. As shown at 36 in FIG. 16, the output voltage was 0.82 V in the initial stage, which was the same as the result using the
このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例14及び比較例1の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例14の燃料電池単セルの出力電圧が比較例4の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例14の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例1の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例14の膜/電極接合体が比較例1の膜/電極接合体より優れているからである。 Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. In addition, although the supported amount of platinum in the membrane / electrode assembly of Example 14 and Comparative Example 1 was the same as 0.25 mg / cm 2 , the output voltage of the single fuel cell of Example 14 was that of Comparative Example 4. The reason why the output voltage of the fuel cell unit cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 14 is the membrane / electrode assembly electrolyte membrane and electrode catalyst coating of Comparative Example 1. This is because the membrane / electrode assembly of Example 14 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 because it is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(6)燃料電池の作製
前記(5)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(6) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell was fabricated by laminating 36 layers of unit cells fabricated in (5), and showed an output of 3 kW.
(実施例15)
(1)ブロモヘキサメチル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、23.2gのポリエーテルスルホン(PES)、乾燥した50mlのニトロベンゼンを入れた。これに6.5gのn−ブトキシリチウムを加え、室温に2時間保った。次いで、100gの1,6−ジブロモヘキサンを加え、更に12時間撹拌した。反応溶液を1リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでブロモヘキサメチル化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。
(Example 15)
(1) Synthesis of bromohexamethylated polyethersulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 23.2 g of polysulfone Ethersulfone (PES), dried 50 ml of nitrobenzene were added. To this was added 6.5 g of n-butoxylithium and kept at room temperature for 2 hours. Next, 100 g of 1,6-dibromohexane was added, and the mixture was further stirred for 12 hours. The reaction solution was slowly added dropwise to 1 liter of deionized water to precipitate bromohexamethylated polyethersulfone, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water using a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. overnight.
(2)スルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、10gの前記ブロモヘキサメチル化ポリエーテルスルホン、乾燥した50mlのニトロベンゼン、30gの硫酸ナトリウムを入れ、100℃にて5時間撹拌した。更に、10ミリリットルのイオン交換水を加え、5時間撹拌した。次いで、反応溶液を1リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱をミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホンのイオン交換基当量重量は600g/molであった。
(2) Synthesis of sulfohexamethylated polyethersulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 10 g of the bromo Hexamethylated polyethersulfone, dried 50 ml of nitrobenzene and 30 g of sodium sulfate were added and stirred at 100 ° C. for 5 hours. Further, 10 ml of ion exchange water was added and stirred for 5 hours. Subsequently, the reaction solution was slowly dropped into 1 liter of deionized water to precipitate sulfohexamethylated polyethersulfone, which was collected by filtration. The deposited precipitate was repeatedly washed with deionized water using a mixer and collected by suction filtration until the filtrate became neutral, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. overnight. The obtained sulfohexamethylated polyethersulfone had an ion exchange group equivalent weight of 600 g / mol.
本製造方法で得られるスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質のコストは市販の安価なエンジニアプラスチックであるポリポリエーテルスルホンを原料に2工程で製造できる為、原料が高価で5工程を経て製造されるパーフルオロスルホン酸電解質のコストに比べ1/30以下と安価である。しかし、実施例1のようにポリポリエーテルスルホンを直接サルトンでスルホアルキル化して得られるスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質のコストは実施例14の製造方法より1工程少ないため、実施例14の製造方法で得られるスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質のコストの1/1.5となり、コスト的に有利である。 The cost of the sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte obtained by this production method can be produced in 2 steps using polyethersulfone, which is a commercially available engineer plastic, as a raw material, so the raw material is expensive and perfluoro produced through 5 steps. Compared to the cost of sulfonic acid electrolyte, it is less than 1/30 or less. However, since the cost of the sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte obtained by directly sulfoalkylating the polyethersulfone with sultone as in Example 1 is one step lower than the production method of Example 14, the production method of Example 14 This is 1 / 1.5 of the cost of the resulting sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte, which is advantageous in terms of cost.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られたスルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質1.0gとイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その後、冷却してスルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質のイオン交換基当量重量を測定した。その結果、スルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質のイオン交換基当量重量は初期と変わらず600g/molと高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定であった。一方、比較例1の(1)に示したように安価なスルホン化芳香族炭化水素電解質のイオン交換基当量は同一加温加水分解条件で3000g/molと変化し、初期の960g/molの値より大きくなり、スルホン基が解離していた。即ち、安価なスルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質は安価なスルホン化芳香族炭化水素電解質と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸電解質と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 In a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container, 1.0 g of the obtained sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte and 20 ml of ion-exchanged water were placed and kept at 120 ° C. for 2 weeks. Then, it cooled and measured the ion exchange group equivalent weight of the sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte. As a result, the ion-exchange group equivalent weight of the sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte was 600 g / mol, which was as stable as the expensive perfluorosulfonic acid electrolyte. On the other hand, as shown in (1) of Comparative Example 1, the ion-exchange group equivalent of the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte changed to 3000 g / mol under the same heating hydrolysis condition, and the initial value of 960 g / mol. It became larger and the sulfone group was dissociated. That is, an inexpensive sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte, unlike an inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte, exhibits stability in the same manner as an expensive perfluorosulfonic acid electrolyte, and is excellent in both cost and characteristics.
(3)電解質膜の作製
前記(2)で得られた生成物を5重量%の濃度になるようにN,N'−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒(体積比20:80:25)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚42μmの電解質膜を作成した。得られたスルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜のイオン導電率は8S/cmであった。
(3) Preparation of electrolyte membrane N, N'-dimethylformamide-cyclohexanone-methylethylketone mixed solvent (volume ratio 20:80:25) to a concentration of 5% by weight of the product obtained in (2) above. Dissolved. This solution was spread on glass by spin coating, air dried, and then vacuum dried at 80 ° C. to prepare an electrolyte membrane having a thickness of 42 μm. The resulting sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte membrane had an ionic conductivity of 8 S / cm.
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、そのイオン導電率は高コストのパーフルオロスルホン酸膜と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、比較例1の(2)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質は同一加温加水分解条件で破け、ぼろぼろになっていた。即ち、安価なスルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜は安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte membrane and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the ionic conductivity was the same as that of the high-cost perfluorosulfonic acid membrane, and the membrane was firm. On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (2), the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte broke under the same heating hydrolysis conditions and was raged. That is, inexpensive sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte membranes, unlike inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membranes, show stability as well as expensive perfluorosulfonic acid membranes, and are excellent in both cost and characteristics. ing.
(4)電極触媒被覆用溶液及び膜/電極接合体の作製
40重量%の白金担持カーボンに、前記(3)のトリクロロエタン−ジクロロエタンの混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液)を調整した。この電極触媒被覆用溶液を前記(3)で得られた電解質膜の両側に塗布した後、乾燥して白金担持量0.25mg/cm2の膜/電極接合体を作製した。
(4) Preparation of electrode catalyst coating solution and membrane / electrode assembly
To 40% by weight of platinum-supported carbon, the trichloroethane-dichloroethane mixed solution of (3) above was added so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer electrolyte was 2: 1 and dispersed uniformly to obtain a paste ( Electrocatalyst coating solution) was prepared. This electrode catalyst coating solution was applied to both sides of the electrolyte membrane obtained in (3) above, and then dried to prepare a membrane / electrode assembly having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 .
ポリテトラフルオロエチレンコーテングのSUS製密閉容器に得られた前記スルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜/電極接合体とイオン交換水20ミリリットルを入れ、120℃に2週間保持した。その結果、膜/電極接合体は高コストのパーフルオロスルホン酸膜とパーフルオロスルホン酸電解質を用いて作製した膜/電極接合体と同様に初期と変わらず、膜もしっかりしていた。一方、比較例1の(3)に示したように比較的安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜IIと電極触媒被覆用溶液IIを用いて作製した膜/電極接合体IIは同一加温加水分解条件で膜は破け、ぼろぼろになり、電極は剥がれていた。即ち、安価なスルホヘキサメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜/電極接合体は比較例1の(3)に記載した安価なスルホン化芳香族炭化水素系電解質膜/電極接合体と異なり、高価なパーフルオロスルホン酸膜/電極接合体と同様に安定を示し、コストと特性が両立して優れている。 The obtained sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte membrane / electrode assembly and 20 ml of ion-exchanged water were placed in a polytetrafluoroethylene coating SUS sealed container and kept at 120 ° C. for 2 weeks. As a result, the membrane / electrode assembly was the same as the membrane / electrode assembly produced by using a high-cost perfluorosulfonic acid membrane and a perfluorosulfonic acid electrolyte, and the membrane was solid. On the other hand, as shown in Comparative Example 1 (3), the membrane / electrode assembly II produced using the relatively inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane II and the electrode catalyst coating solution II was heated at the same temperature. Under the hydrolysis conditions, the membrane was broken and raged, and the electrode was peeled off. That is, the inexpensive sulfohexamethylated polyethersulfone electrolyte membrane / electrode assembly is different from the inexpensive sulfonated aromatic hydrocarbon electrolyte membrane / electrode assembly described in Comparative Example 1 (3), and expensive perfluorocarbon. Similar to the sulfonic acid membrane / electrode assembly, it exhibits stability and is excellent in both cost and characteristics.
(5)燃料電池単セル出力性能評価
前記膜/電極接合体を沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することにより吸水させた。得られた膜/電極接合体を評価セルに組みこみ、燃料電池出力性能を評価した。得られた電流密度‐出力電圧プロットを図17に示す。電流密度1(A/cm2)のとき出力電圧は0.68(V)で、電流密度300(mA/cm2)のとき出力電圧は0.83(V)で固体高分子型燃料電池単セルとして十分使用可能であった。
(5) Evaluation of fuel cell single cell output performance The membrane / electrode assembly was absorbed by immersing it in boiling deionized water for 2 hours. The obtained membrane / electrode assembly was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. The obtained current density-output voltage plot is shown in FIG. When the current density is 1 (A / cm 2 ), the output voltage is 0.68 (V), and when the current density is 300 (mA / cm 2 ), the output voltage is 0.83 (V). It was possible.
又、前記固体高分子型燃料電池単セルを電流密度300mA/cm2の条件で長時間稼動試験を行った。その結果を図18に示す。図18中の39は本願発明の電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図18中の40はパーフルオロスルホン酸電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池単セルの耐久性試験結果である。図18の39に示すように出力電圧は初期0.83Vで、稼動時間5000時間後でも初期と変わらず、図18の40のパーフルオロスルホン酸膜を用いた結果と同等であった。一方、図18中の41(比較例1のスルホン化芳香族炭化水素電解質を使用した燃料電池単セル)の出力電圧は初期0.73Vで、稼動時間600時間後で出力が無くなった。
The solid polymer fuel cell single cell was subjected to a long-time operation test under a current density of 300 mA / cm 2 . The result is shown in FIG.
このことから芳香族炭化水素の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルが、スルホン基と直接結合した芳香族炭化水素系電解質を用いた燃料電池単セルより耐久性に優れていることが明白である。又、実施例15及び比較例1の膜/電極接合体の白金担持量が0.25mg/cm2と同じであるにも拘わらず、実施例15の燃料電池単セルの出力電圧が比較例4の燃料電池単セルの出力電圧より大きい理由は実施例15の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率が比較例1の膜/電極接合体の電解質膜及び電極触媒被覆用溶液のイオン導電率より大きく、実施例15の膜/電極接合体が比較例1の膜/電極接合体より優れているからである。 Therefore, an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a fuel cell unit cell using an aromatic hydrocarbon electrolyte in which a sulfonic acid group is bonded to an aromatic ring of an aromatic hydrocarbon via an alkyl group is directly bonded to the sulfone group. It is apparent that the fuel cell is superior in durability compared to a single fuel cell using. In addition, although the supported amount of platinum in the membrane / electrode assembly of Example 15 and Comparative Example 1 was the same as 0.25 mg / cm 2 , the output voltage of the single fuel cell of Example 15 was that of Comparative Example 4. The reason why the output voltage of the fuel cell unit cell is larger is that the ionic conductivity of the electrolyte membrane and electrode catalyst coating solution of Example 15 is the electrolyte membrane and electrode catalyst coating of the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1. This is because the membrane / electrode assembly of Example 15 is superior to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1, which is larger than the ionic conductivity of the working solution.
(6)燃料電池の作製
前記(5)で作製した単電池セルを36層積層した固体高分子型燃料電池を作製したところ、3kWの出力を示した。
(6) Fabrication of fuel cell A polymer electrolyte fuel cell was fabricated by laminating 36 layers of unit cells fabricated in (5), and showed an output of 3 kW.
以上、いずれの本実施例においても、スルホアルキル化芳香族炭化水素系電解質は安価なエンジニアプラスチックを原料にし1工程で製造できることから、従来の原料な高価と5工程を経て製造されているパーフロロスルホン酸膜に代表されるふっ素系電解質膜に比べ、そのコストは1/40以下と安価で、高い生産性を有する。又、芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合することにより、芳香族環に直接結合したスルホン酸基と異なり、イオン導電率も大きく、スルホン酸基が強酸・高温下で解離せず、実用上十分な高耐久性を示す。更に、本実施例に係るスルホアルキル化芳香族炭化水素系電解質を用いた膜/電極接合体は、燃料電池として実用上十分な高耐久性を示し、製造工程の短縮を図ることができる。 As described above, in any of the present examples, the sulfoalkylated aromatic hydrocarbon-based electrolyte can be manufactured in one process using cheap engineer plastic as a raw material. Compared to fluorine electrolyte membranes typified by sulfonic acid membranes, its cost is as low as 1/40 or less, and it has high productivity. In addition, by bonding a sulfonic acid group to an aromatic ring through an alkyl group, unlike a sulfonic acid group directly bonded to an aromatic ring, the ionic conductivity is large and the sulfonic acid group is dissociated under strong acid and high temperature. It shows high durability enough for practical use. Furthermore, the membrane / electrode assembly using the sulfoalkylated aromatic hydrocarbon-based electrolyte according to the present example exhibits high durability in practical use as a fuel cell, and can shorten the manufacturing process.
1…高分子電解質膜、2…酸素極、3…水素極、4…膜/電極接合体、5…集電材、6…セパレータ、7…空気、8…空気+水、9…水素+水、10…残留水素、11…水。
1 ... polymer electrolyte membrane, 2 ... oxygen electrode, 3 ... hydrogen electrode, 4 ... membrane / electrode assembly, 5 ... current collector, 6 ... separator, 7 ... air, 8 ... air + water, 9 ... hydrogen + water, 10… residual hydrogen, 11… water.
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