JP4921136B2 - Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, electrolyte membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, electrolyte membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用電解質膜、電解質膜−電極接合体、および固体高分子型燃料電池に関する。特に固体高分子型燃料電池用電解質膜およびそれを用いた固体高分子型燃料電池に関し、燃料として水素、改質水素、メタノール、ジメチルエーテルなどを用い、空気や酸素を酸化剤として用いる固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell , an electrolyte membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell. In particular, the present invention relates to an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell using the same, and uses a polymer such as hydrogen, reformed hydrogen, methanol, dimethyl ether, etc. as a fuel and air or oxygen as an oxidizing agent The present invention relates to a fuel cell.

従来、燃料電池などに用いられている固体高分子電解質膜としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)の商品名で知られるパーフルオロ系プロトン導電性ポリマーや、フッ素を用いない非パーフルオロ系プロトン導電性ポリマーなどがある。   Conventionally, solid polymer electrolyte membranes used in fuel cells and the like include perfluoro proton conductive polymers known under the trade name of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), and non-perfluoro polymers that do not use fluorine. Examples include proton conductive polymers.

ナフィオンは、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとテトラフルオロエチレンとの共重合体であり、高い導電性を持つ電解質膜である。
一方、フッ素を用いない非パーフルオロ系プロトン導電性ポリマーからなる固体高分子電解質膜としては、イオン交換基を有するアクリル酸モノマーと機械的強度の強いモノマーとの共重合体が提案されている。(非特許文献1参照)
高分子学会予稿集、48巻、10号、2393ページ(1999年)
Nafion is a copolymer of perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group and tetrafluoroethylene, and is an electrolyte membrane having high conductivity.
On the other hand, a copolymer of an acrylic acid monomer having an ion exchange group and a monomer having high mechanical strength has been proposed as a solid polymer electrolyte membrane made of a non-perfluoro proton conductive polymer that does not use fluorine. (See Non-Patent Document 1)
Proceedings of the Society of Polymer Science, Vol. 48, No. 10, 2393 pages (1999)

しかし、ナフィオンは高いプロトン導電性を持つ反面、メタノールなどの液体燃料を用いる直接型燃料電池を用いた場合には、燃料透過性(クロスオーバー)が非常に大きく、エネルギー効率が十分でないと言う問題点がある。   However, Nafion has high proton conductivity, but when using a direct fuel cell that uses liquid fuel such as methanol, the fuel permeability (crossover) is very large and the energy efficiency is not sufficient. There is a point.

また、イオン交換基を有するアクリル酸モノマーと機械的強度が強いと言われるモノマーとの共重合体では、アクリル酸モノマーの含有量を増やすと機械的強度が弱くなり、逆に機械的強度が強いモノマーの含有量を増やすとプロトン導電性が落ちてしまう。そのため良好なプロトン導電性と優れた機械的強度を両立させるのが困難である問題点がある。   In addition, in a copolymer of an acrylic acid monomer having an ion exchange group and a monomer that is said to have high mechanical strength, increasing the acrylic acid monomer content decreases the mechanical strength, and conversely increases the mechanical strength. When the monomer content is increased, proton conductivity is lowered. Therefore, there is a problem that it is difficult to achieve both good proton conductivity and excellent mechanical strength.

本発明は上記課題を解決するもので、燃料のクロスオーバーを阻止する性能が高く、優れた機械的強度と良好なプロトン導電性とを両立させる固体高分子型燃料電池用電解質膜を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and provides an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell that has a high performance for preventing crossover of fuel and has both excellent mechanical strength and good proton conductivity. With the goal.

また、本発明は、その固体高分子型燃料電池用電解質膜を用いた電解質膜−電極接合体および固体高分子型燃料電池を提供することを別の目的とする。 Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

本発明は、多孔性高分子膜と、該多孔性高分子膜の孔内に充填されたプロトン導電性高分子化合物よりなる固体高分子型燃料電池用電解質膜であって、該プロトン導電性高分子化合物が少なくとも下記一般式1に示される構造を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電解質膜である。The present invention relates to an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell comprising a porous polymer membrane and a proton conductive polymer compound filled in pores of the porous polymer membrane, wherein the proton conductive polymer membrane has a high proton conductivity. The electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the molecular compound has at least a structure represented by the following general formula 1.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

(式中、Rはメチル基もしくは水素原子である。Rは主鎖にエステル結合を含む置換または非置換の炭素原子数2以上10以下のアルキレン基である。Rは置換または非置換の炭素原子数1以上6以下のアルキレン基、置換または非置換のフェニレン基もしくは置換または非置換の炭素原子数7以上13以下のフェニレンアルキレン基のいずれかである。Xはプロトン導電性基であり、−SOもしくは−R −SO である。Rは置換または非置換の炭素原子数1以上6以下のアルキレン基である。nは1以上の整数である。)
ここで、前記プロトン導電性基は芳香族環に付加した構造であることが好ましい。
(In the formula, R 1 is a methyl group or a hydrogen atom. R 2 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 2 to 10 carbon atoms containing an ester bond in the main chain. R 3 is substituted or unsubstituted. An alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenylene group, or a substituted or unsubstituted phenylene alkylene group having 7 to 13 carbon atoms, X is a proton conductive group And —SO 3 H or —R 4 —SO 3 H. R 4 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, and n is an integer of 1 or more.)
Here, the proton conductive group preferably has a structure added to an aromatic ring.

また、本発明は、前記固体高分子型燃料電池用電解質膜と、電極と、からなる電解質膜−電極接合体である。
さらに、本発明は、前記固体高分子型燃料電池用電解質膜を有する固体高分子型燃料電池である。
Further, the present invention, the solid and polymer electrolyte fuel cell electrolyte membrane, electrodes and, an electrolyte membrane - an electrode assembly.
Furthermore, the present invention is a polymer electrolyte fuel cell having the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

本発明は、優れた機械的強度と良好なプロトン導電性とを両立してなる固体高分子型燃料電池用電解質膜を提供することができる。
さらに、本発明は、上記固体高分子型燃料電池用電解質膜を固体高分子型燃料電池に用いることにより、高い出力特性と優れた耐久性とを有する固体高分子型燃料電池を提供することができる。
The present invention can provide an excellent mechanical strength and good proton conductivity and formed by both solid polymer electrolyte fuel cell electrolyte membrane.
Furthermore, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell having high output characteristics and excellent durability by using the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell in a polymer electrolyte fuel cell. it can.

以下、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
本発明は、新規なプロトン導電性高分子化合物を用いることで、優れた機械的強度と良好なプロトン導電性とを両立させる固体高分子型燃料電池用電解質膜(以降、「固体高分子電解質膜」と略記する。)を提供するものである。また、本発明は前記固体高分子電解質膜を用いて電解質膜−電極接合体および固体高分子型燃料電池を提供するものである。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail.
The present invention relates to an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “solid polymer electrolyte membrane”) that achieves both excellent mechanical strength and good proton conductivity by using a novel proton conductive polymer compound. Abbreviated as ").) . The present invention also provides an electrolyte membrane-electrode assembly and a solid polymer fuel cell using the solid polymer electrolyte membrane .

本発明において、下記一般式1に示す化合物(以下化合物(1)と呼ぶ場合がある)は、同一側鎖内にウレア結合とプロトン導電性基を有することを特徴とするプロトン導電性高分子化合物である。   In the present invention, the compound represented by the following general formula 1 (hereinafter sometimes referred to as compound (1)) has a urea bond and a proton conductive group in the same side chain, and is a proton conductive polymer compound It is.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

(式中、Rはメチル基もしくは水素原子である。Rは主鎖にエステル結合を含む置換または非置換の炭素原子数2以上10以下のアルキレン基である。Rは置換または非置換の炭素原子数1以上6以下のアルキレン基、置換または非置換のフェニレン基もしくは置換または非置換の炭素原子数7以上13以下のフェニレンアルキレン基のいずれかである。Xはプロトン導電性基であり、−SOもしくは−R −SO である。Rは置換または非置換の炭素原子数1以上6以下のアルキレン基である。nは1以上の整数である。) (In the formula, R 1 is a methyl group or a hydrogen atom. R 2 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 2 to 10 carbon atoms containing an ester bond in the main chain. R 3 is substituted or unsubstituted. An alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenylene group, or a substituted or unsubstituted phenylene alkylene group having 7 to 13 carbon atoms, X is a proton conductive group And —SO 3 H or —R 4 —SO 3 H. R 4 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, and n is an integer of 1 or more.)

ウレア結合は結合強度が強く、水素原子を持つことで水を呼び込みやすい性質を有している。このウレア結合を有することで圧縮・膨潤に強くかつ柔軟性のある機械的強度に優れた膜を作製することができる。また、このウレア結合がプロトン導電性基と同一側鎖内に存在することで、プロトン導電性基の近辺に水を呼び込みやすく運動自由度が向上する効果が得られる。   Urea bonds have strong bond strength and have the property of attracting water by having hydrogen atoms. By having this urea bond, it is possible to produce a film that is strong against compression / swelling and has a flexible mechanical strength. In addition, since the urea bond is present in the same side chain as the proton conductive group, it is easy to attract water to the vicinity of the proton conductive group, and an effect of improving the freedom of movement is obtained.

本発明におけるプロトン導電性基とは、プロトン導電性を有する官能基を指しており、例えばスルホン酸基、スルフィン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基が挙げられる。このうち特にスルホン酸基であることが好ましい。これは、スルホン酸基は酸解離度が高いので、プロトンの輸送効率を向上させる効果が高いためである。 The proton conductive group in the present invention refers to a functional group having proton conductivity, and examples thereof include a sulfonic acid group, a sulfinic acid group, a carboxylic acid group , and a boronic acid group. Of these, a sulfonic acid group is particularly preferable. This is because the sulfonic acid group has a high degree of acid dissociation and thus has a high effect of improving proton transport efficiency.

本発明における化合物(1)は、特に制限されるわけではないがより好ましい基本構造としてプロトン導電性基が芳香族環に付加した構造であることを特徴としている。この理由として、プロトン導電性基は芳香族環に対して比較的付加しやすいことが挙げられる。また、側鎖にプロトン導電性基を有することにより、主鎖にプロトン導電性基を有する場合よりも比較的自由に動くことができるため、良好なプロトン導電性を示す。   The compound (1) in the present invention is not particularly limited, but is characterized by a structure in which a proton conductive group is added to an aromatic ring as a more preferable basic structure. This is because the proton conductive group is relatively easy to add to the aromatic ring. In addition, by having a proton conductive group in the side chain, it can move relatively freely as compared with the case of having a proton conductive group in the main chain, and thus exhibits good proton conductivity.

ここで、本発明における化合物(1)は、例えばイソシアネートを有するアクリレート化合物、もしくはイソシアネートを有するメタクリレート化合物と、プロトン導電性基を有するアミノ化合物とを反応させて得られる化合物(以下、化合物(2)と呼ぶ場合がある)を重合して得ることができる。化合物(2)は、イソシアネートとアミンが反応してウレア結合を形成している。   Here, the compound (1) in the present invention is a compound obtained by reacting, for example, an acrylate compound having isocyanate or a methacrylate compound having isocyanate and an amino compound having a proton conductive group (hereinafter referred to as compound (2). May be obtained by polymerization. In compound (2), an isocyanate and an amine react to form a urea bond.

ここで、イソシアネートを有するアクリレート化合物としては、例えば2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート、メタクリロイルオキシエチルイソシアネート、1,1−ビス(アクリロイルオキシメチル)エチルイソシアネート等が挙げられる。   Here, examples of the acrylate compound having an isocyanate include 2-acryloyloxyethyl isocyanate, methacryloyloxyethyl isocyanate, 1,1-bis (acryloyloxymethyl) ethyl isocyanate, and the like.

また、プロトン導電性基を有するアミノ化合物としては、例えば3−アミノベンゼンスルホン酸、4−アミノベンゼンスルホン酸等が挙げられる。
次に、本発明の第二である固体高分子電解質膜について述べる。
Examples of the amino compound having a proton conductive group include 3-aminobenzenesulfonic acid and 4-aminobenzenesulfonic acid.
Next, the second solid polymer electrolyte membrane of the present invention will be described.

本発明の第二である固体高分子電解質膜は、化合物(2)からなるモノマーを溶媒に溶解、もしくは分散させた溶液(以後モノマー溶液と呼ぶ場合がある)を支持体に付着させた後、重合させることによって作成する。   The solid polymer electrolyte membrane according to the second aspect of the present invention is obtained by adhering a solution in which a monomer comprising the compound (2) is dissolved or dispersed in a solvent (hereinafter sometimes referred to as a monomer solution) to a support. Created by polymerizing.

ここで、モノマー溶液とは少なくとも化合物(2)からなるモノマーと溶媒を含むもののことである。そのような溶媒としては、例えば、アミド(N−メチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、N,N−ジメチルアミド、N−メチルアセトアミド、N−エチルアセトアミド、N−メチルピロジリノン、N−メチル−2−ピロリドン等)、アルコール(エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、メチルセロソルブ、1,2ブタンジオール、1,3ブタンジオール、1,4ブタンジオール、ジグリセリン、ポリオキシアルキレングリコールシクロヘキサンジオール、キシレングリコール等)等であり、これらは単独で溶媒とすることもできるし、2種以上を混合させて溶媒とすることもできる。また、本発明において、溶媒とは分散媒をも含む概念とする。   Here, the monomer solution includes at least a monomer composed of the compound (2) and a solvent. Examples of such solvents include amides (N-methylformamide, N-ethylformamide, N, N-dimethylamide, N-methylacetamide, N-ethylacetamide, N-methylpyrrolidinone, N-methyl-2 -Pyrrolidone, etc.), alcohol (ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, methyl cellosolve, 1,2 butanediol, 1,3 butanediol, 1,4 butanediol, diglycerin, polyoxyalkylene glycol cyclohexanediol, xylene glycol, etc.) These can be used alone as a solvent, or two or more of them can be used as a solvent. In the present invention, the term “solvent” includes a dispersion medium.

溶液を支持体に付着させる方法としては、キャスト法、バーコーター法、ディップコート法、ドクターブレード法などの方法を用いることができる。
また、溶液を付着させる対象である支持体としては、例えば、フィルム、プラスチック、金属、金属酸化物、ガラス等を用いることができる。
As a method for adhering the solution to the support, methods such as a casting method, a bar coater method, a dip coating method, and a doctor blade method can be used.
In addition, as the support to which the solution is attached, for example, a film, plastic, metal, metal oxide, glass, or the like can be used.

高分子電解質膜とするためにモノマー溶液を重合させる方法としては、例えば、熱重合、光重合、電子線重合などが挙げられる。特に電子線重合による方法が好ましい。
本発明の第二である固体高分子電解質膜を得るためのモノマーは、化合物(2)のモノマーとなるものなら何でも良いが、一般式1に示す構造であることが好ましい。
Examples of the method for polymerizing the monomer solution to form a polymer electrolyte membrane include thermal polymerization, photopolymerization, and electron beam polymerization. The method by electron beam polymerization is particularly preferable.
The monomer for obtaining the solid polymer electrolyte membrane according to the second aspect of the present invention may be any monomer as long as it is a monomer of the compound (2), but preferably has a structure represented by the general formula 1.

また、化合物(2)のモノマーに化合物(2)のモノマー以外のモノマーを添加して共重合させて用いてもよい。添加できるモノマーとしては、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸等が挙げられる。この場合、化合物(2)のモノマーに対して化合物(2)のモノマー以外のモノマーが5モル%以上50モル%以下であることが好ましい。 Further, a monomer other than the monomer of the compound (2) may be added to the monomer of the compound (2) for copolymerization. The monomer can be added, for example, acrylonitrile, methacrylonitrile, vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, and styrenesulfonic acid. In this case, it is preferable that monomers other than the monomer of a compound (2) are 5 mol% or more and 50 mol% or less with respect to the monomer of a compound (2).

上記溶媒やモノマー以外にも、必要に応じて界面活性剤、フィラー粒子などを添加して用いても良い。
また、化合物(2)を電解質成分として多孔性高分子膜内に充填させて用いても良い。多孔性高分子膜内に充填することによって、固体高分子電解質膜としての強度を強化することできる。この場合、化合物(2)からなるモノマー溶液を多孔性高分子膜内に充填した後、重合させて、固体高分子電解質膜として用いる。
In addition to the above solvents and monomers, surfactants, filler particles and the like may be added as necessary.
Further, the compound (2) may be used as an electrolyte component by being filled in a porous polymer film. By filling the porous polymer membrane, the strength as the solid polymer electrolyte membrane can be enhanced. In this case, the monomer solution comprising the compound (2) is filled in the porous polymer membrane and then polymerized to be used as a solid polymer electrolyte membrane.

本発明において、多孔性高分子膜とは多数の微細な孔(あな)を有する高分子膜のことである。これらの孔は孔同士が適度に連結して流路状になっていることが好ましい。孔同士が適度に連結していることによって、膜の片面から反対側の面にかけて気体や液体が透過することができる。ここで、これらの孔は非直線的に連結して実質的な透過距離が長くなっていることが好ましい。実質的な透過距離を長くすることは、燃料のクロスオーバーを軽減させる効果がある。この透過の度合いについては、多孔性高分子膜の膜厚や孔の大きさによって制御することができる。   In the present invention, the porous polymer film is a polymer film having a large number of fine pores. These holes are preferably in the form of a flow path by appropriately connecting the holes. By appropriately connecting the holes, gas and liquid can permeate from one side of the membrane to the opposite side. Here, it is preferable that these holes are connected non-linearly and have a substantial transmission distance. Increasing the substantial permeation distance has the effect of reducing fuel crossover. The degree of permeation can be controlled by the thickness of the porous polymer film and the size of the pores.

多孔性高分子膜の膜厚や孔の大きさは、その材質、目的とする電解質膜の強度、目的とする固体高分子型燃料電池の特性などから選ばれ、特に制限はない。しかし、一般的な固体高分子型燃料電池として使用される場合、膜厚は15μm以上150μm以下であることが好ましい。多孔性高分子膜の膜厚が15μmより薄いと、膜の強度を強化する効果は小さくなり、150μmより厚いとプロトンの移動距離が長くなりすぎるので発電効率が低下する。   The film thickness and pore size of the porous polymer membrane are selected from the material, the strength of the target electrolyte membrane, the characteristics of the target polymer electrolyte fuel cell, etc., and are not particularly limited. However, when used as a general polymer electrolyte fuel cell, the film thickness is preferably 15 μm or more and 150 μm or less. If the thickness of the porous polymer membrane is less than 15 μm, the effect of strengthening the strength of the membrane is reduced, and if it is greater than 150 μm, the proton moving distance becomes too long, so that the power generation efficiency decreases.

多孔性高分子膜は、メタノールと水に対して実質的に溶解も膨潤もしない高分子材料よりなる。具体的には、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、ポリイミド−アミド、ポリオレフィンやそれらの誘導体などの樹脂材料が挙げられる。この中でも特に、メタノールと水に対する不溶性、物理的強度、耐熱性、形状安定性、化学的安定性の面で最も優れているポリイミドあるいはその誘導体からなることが好ましい。   The porous polymer membrane is made of a polymer material that does not substantially dissolve or swell in methanol and water. Specific examples include resin materials such as polyimide, polytetrafluoroethylene, polyamide, polyimide-amide, polyolefin, and derivatives thereof. Among these, it is particularly preferable to be made of polyimide or a derivative thereof that is most excellent in terms of insolubility in methanol and water, physical strength, heat resistance, shape stability, and chemical stability.

多孔性高分子膜の内部にモノマー溶液を充填する方法は特に限定されるものではない。例えば、作製したモノマー溶液を多孔性高分子膜に塗工する方法、浸漬することにより膜内の孔へ充填する方法などを用いることができる。この際、超音波振動をあてる、減圧状態にするなどの方法により、孔への充填を容易に行うこともできる。その後熱重合、光重合、電子線重合など従来より知られている適宜の方法を行うことによってモノマーを重合し、硬化することが可能となる。特に電子線重合による方法が好ましい。   The method for filling the monomer solution in the porous polymer membrane is not particularly limited. For example, a method of applying the prepared monomer solution to the porous polymer film, a method of filling the pores in the film by dipping, or the like can be used. At this time, the holes can be filled easily by a method such as applying ultrasonic vibration or reducing the pressure. Thereafter, the monomer can be polymerized and cured by performing a conventionally known appropriate method such as thermal polymerization, photopolymerization, or electron beam polymerization. The method by electron beam polymerization is particularly preferable.

また、このようにして作製した固体高分子電解質膜を用いて電解質膜−電極接合体を作製することが出来る。
図1は本発明の電解質膜−電極接合体の一例を示す模式図である。本例の電解質膜−電極接合体11は、固体高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2a、2bを、電極触媒層の外側に拡散層3a、3bを有する。
In addition, an electrolyte membrane-electrode assembly can be produced using the solid polymer electrolyte membrane thus produced.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention. The electrolyte membrane-electrode assembly 11 of this example has electrode catalyst layers 2a and 2b on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 1, and diffusion layers 3a and 3b on the outside of the electrode catalyst layer.

電極触媒層2a、2bは、少なくとも導電性炭素に触媒が担持された電極触媒よりなる。
触媒としては、例えば、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、およびオスミウムなどの白金族金属や、白金と白金以外の白金族金属の合金などが挙げられる。特に燃料としてメタノールを用いる場合は、白金とルテニウムの合金を用いることが好ましい。また触媒の平均粒子径は小さいことが好ましい。具体的には、平均粒子径は0.5nm以上20nm以下であることが好ましく、さらに好ましくは1nm以上10nm以下の範囲である。0.5nm未満の場合には、触媒粒子単体では活性が高すぎてしまうため、取り扱いが困難となる。また20nmを越えると、触媒の表面積が減少して反応部位が減少するために、活性が低下するおそれがある。
The electrode catalyst layers 2a and 2b are made of an electrode catalyst in which a catalyst is supported on at least conductive carbon.
Examples of the catalyst include platinum group metals such as platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, and osmium, and alloys of platinum and platinum group metals other than platinum. In particular, when methanol is used as the fuel, it is preferable to use an alloy of platinum and ruthenium. The average particle size of the catalyst is preferably small. Specifically, the average particle diameter is preferably 0.5 nm or more and 20 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 10 nm or less. If it is less than 0.5 nm, the activity of the catalyst particles alone is too high, and handling becomes difficult. On the other hand, if the thickness exceeds 20 nm, the surface area of the catalyst decreases and the number of reaction sites decreases, which may reduce the activity.

導電性炭素としては、例えば、カーボンブラック、カーボンファイバー、グラファイト、カーボンナノチューブなどを用いることができる。導電性炭素の平均一次粒子径は好ましくは5nm以上1000nm以下の範囲であり、より好ましくは10nm以上100nm以下の範囲である。ただし、実使用時においては粒子同士がある程度凝集するため、平均二次粒子径として好ましい範囲はこの範囲より大きくなる。また前述した触媒を担持させるため、導電性炭素の比表面積比はある程度大きい方が良く、好ましくは50m2/g以上3000m2/g以下であり、より好ましくは、100m2/g以上2000m2/g以下である。 As the conductive carbon, for example, carbon black, carbon fiber, graphite, carbon nanotube, or the like can be used. The average primary particle diameter of the conductive carbon is preferably in the range of 5 nm to 1000 nm, more preferably in the range of 10 nm to 100 nm. However, since the particles are aggregated to some extent during actual use, the preferred range for the average secondary particle size is larger than this range. Further in order to carry the above-mentioned catalyst, the specific surface area ratio of the conductive carbon may large to some degree, preferably less 50 m 2 / g or more 3000 m 2 / g, more preferably, 100 m 2 / g or more 2000 m 2 / g or less.

導電性炭素表面への触媒の担持方法としては、例えば、特開平2−111440号公報、特開2000−003712号公報に記載の方法を用いることができる。すなわち、白金および他の貴金属の溶液に導電性炭素を浸してこれら貴金属イオンを還元することで、導電性炭素表面に担持させる方法である。また担持させたい貴金属をターゲットとし導電性炭素にスパッタなどの真空成膜方法により担持させても構わない。   As a method for supporting the catalyst on the surface of the conductive carbon, for example, the methods described in JP-A-2-111440 and JP-A-2000-003712 can be used. That is, it is a method in which conductive carbon is immersed in a solution of platinum and other noble metals and these noble metal ions are reduced to be supported on the surface of the conductive carbon. Alternatively, a noble metal to be supported may be used as a target and supported on conductive carbon by a vacuum film forming method such as sputtering.

このようにして作製した電極触媒を単独で、もしくは、バインダー、高分子電解質、撥水剤、導電性炭素、溶剤などと混合した状態で、高分子電解質膜および後述する拡散層に密着させる。   The electrode catalyst produced in this manner is brought into close contact with the polymer electrolyte membrane and the diffusion layer described later alone or in a state of being mixed with a binder, polymer electrolyte, water repellent, conductive carbon, solvent, and the like.

拡散層3a、3bは、燃料である水素、改質水素、メタノール、ジメチルエーテルおよび酸化剤である空気や酸素を電極触媒層に導入させ、かつ電極に接触して電子の受け渡しを行うものである。このような拡散層としては、導電性の多孔質膜が好ましく、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンとポリテトラフルオロエチレンとの複合シートなどを用いることが好ましい。また、拡散層の表面および内部をフッ素系塗料でコーティングし撥水化処理をして用いても構わない。   The diffusion layers 3a and 3b introduce hydrogen, reformed hydrogen, methanol, dimethyl ether, which is a fuel, and air and oxygen, which are oxidants, into the electrode catalyst layer, and transfer electrons in contact with the electrodes. As such a diffusion layer, a conductive porous film is preferable, and carbon paper, carbon cloth, a composite sheet of carbon and polytetrafluoroethylene, or the like is preferably used. Alternatively, the surface and the inside of the diffusion layer may be coated with a fluorine-based paint and subjected to a water repellent treatment.

また、このようにして作製した電解質膜−電極接合体を用いて固体高分子型燃料電池を作製することができる。
図2は本発明の固体高分子型燃料電池の一例を示す模式図である。本例の固体高分子型燃料電池は、電解質膜−電極接合体11の両面に電極4a、電極4bを有する。本図2では、電極触媒層2a、拡散層3a、電極4aからなる接合体が燃料極(アノード)11aであり、電極触媒層2b、拡散層3b、電極4bからなる接合体が空気極(カソード)11bである。
In addition, a polymer electrolyte fuel cell can be produced using the electrolyte membrane-electrode assembly produced in this manner.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention. The polymer electrolyte fuel cell of this example has electrodes 4 a and 4 b on both surfaces of the electrolyte membrane-electrode assembly 11. In FIG. 2, a joined body composed of the electrode catalyst layer 2a, the diffusion layer 3a, and the electrode 4a is a fuel electrode (anode) 11a, and a joined body composed of the electrode catalyst layer 2b, the diffusion layer 3b, and the electrode 4b is an air electrode (cathode). ) 11b.

電極4a、4bは各拡散層に燃料、酸化剤を効率よく供給でき、かつ拡散層と電子の授受が行えるものであれば良い。電極材料としては、ニッケル、クロム、銅、白金、パラジウムのような金属やそれらの合金、炭素、白金を分散した炭素や鉄などを用いることができる。また、電極4a、4bは各々、燃料や酸化剤ガスを拡散層3a、3bへ供給するための流路板を兼用していても良い。つまり、電極4a、4bは平板である必要は無く、電流取り出し部と流路溝にパターニングされた形状であっても良い。   The electrodes 4a and 4b may be any electrode that can efficiently supply fuel and oxidant to each diffusion layer and can exchange electrons with the diffusion layer. As the electrode material, metals such as nickel, chromium, copper, platinum, palladium, alloys thereof, carbon, carbon dispersed with platinum, iron, or the like can be used. Each of the electrodes 4a and 4b may also serve as a flow path plate for supplying fuel or oxidant gas to the diffusion layers 3a and 3b. That is, the electrodes 4a and 4b do not need to be flat plates, and may have a shape patterned in the current extraction portion and the flow channel.

本発明における固体高分子型燃料電池は、前記本発明の電解質膜−電極接合体を用いることで得られる。図2は本発明の固体高分子型燃料電池の最小構成の一例を示したものであるが、実際の形状は任意であるし、複数個の電解質膜−電極接合体を直列または並列に組み合わせても良く、その形状および作製方法はこれらに限定されるものではない。   The polymer electrolyte fuel cell in the present invention can be obtained by using the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention. FIG. 2 shows an example of the minimum configuration of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, but the actual shape is arbitrary, and a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are combined in series or in parallel. The shape and manufacturing method are not limited to these.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例の中で、実施例5および実施例10は参考例を示す。
実施例1
THFをフラスコに入れ、約30分間Arでバブリングした。次に、このフラスコに3−アミノベンゼンスルホン酸を2.4g加えた。反応系が52℃で安定したら、フラスコ内にさらに2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート(昭和電工(株)製、商品名カレンズAOI)2.0gを約30分かけて滴下した。その後12時間反応させてから、ロータリーエバポレータにより溶媒を除去して化合物(3)を4.1g得た。化合物(3)の構造はIRによる解析で下記の構造式1に示す構造であることを確認した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example. Of the following examples, Examples 5 and 10 are reference examples.
Example 1
THF was placed in the flask and bubbled with Ar for about 30 minutes. Next, 2.4 g of 3-aminobenzenesulfonic acid was added to the flask. When the reaction system was stabilized at 52 ° C., 2.0 g of 2-acryloyloxyethyl isocyanate (manufactured by Showa Denko KK, trade name Karenz AOI) was further dropped into the flask over about 30 minutes. Thereafter, the reaction was allowed to proceed for 12 hours, and then the solvent was removed by a rotary evaporator to obtain 4.1 g of Compound (3). The structure of the compound (3) was confirmed to be a structure represented by the following structural formula 1 by IR analysis.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

実施例2
化合物(3)の合成において、2−アクリロイルオキシエチルイソシアネートを用いる代わりにメタクリロイルオキシエチルイソシアネート(昭和電工(株)製、商品名カレンズMOI)2.0gを用いた以外は化合物(3)の合成と同様の方法で化合物(4)を得た。化合物(4)についても同様にIRによる解析で下記の構造式2に示す構造であることを確認した。
Example 2
In the synthesis of compound (3), instead of using 2-acryloyloxyethyl isocyanate, methacryloyloxyethyl isocyanate (manufactured by Showa Denko KK, trade name Karenz MOI) was used except that 2.0 g was used. Compound (4) was obtained in the same manner. The compound (4) was similarly confirmed by IR analysis to have the structure represented by the following structural formula 2.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

実施例3
化合物(3)の合成において、3−アミノベンゼンスルホン酸を用いる代わりに6−アミノ−1−ナフタレンスルフォニックアシッド1.8gを用いた以外は化合物(3)の合成と同様の手法で化合物(5)を得た。化合物(5)についても同様にIRによる解析で下記の構造式3に示す構造であることを確認した。
Example 3
In the synthesis of compound (3), compound (5) was synthesized in the same manner as in the synthesis of compound (3) except that 1.8 g of 6-amino-1-naphthalenesulfonic acid was used instead of using 3-aminobenzenesulfonic acid. ) The compound (5) was also confirmed to have the structure represented by the following structural formula 3 by IR analysis.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

実施例4
化合物(3)の合成において、3−アミノベンゼンスルホン酸を用いる代わりに2−アミノエタンスルフォニックアシッド3.2gを用いた以外は化合物(3)の合成と同様の手法で化合物(6)を得た。化合物(6)についても同様にIRによる解析で下記の構造式4に示す構造であることを確認した。
Example 4
In the synthesis of compound (3), compound (6) was obtained in the same manner as the synthesis of compound (3) except that 3.2 g of 2-aminoethanesulfonic acid was used instead of using 3-aminobenzenesulfonic acid. It was. The compound (6) was also confirmed to have the structure represented by the following structural formula 4 by IR analysis.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

実施例5
化合物(3)の合成において、3−アミノベンゼンスルホン酸を用いる代わりに1−アミノエチルホスホニックアシッド1.5gを用いた以外は化合物(3)の合成と同様の手法で化合物(7)を得た。化合物(7)についても同様にIRによる解析で下記の構造式5に示す構造であることを確認した。
Example 5
In the synthesis of compound (3), compound (7) was obtained in the same manner as the synthesis of compound (3) except that 1.5 g of 1-aminoethylphosphonic acid was used instead of using 3-aminobenzenesulfonic acid. It was. The compound (7) was similarly confirmed by IR analysis to have the structure represented by the following structural formula 5.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

実施例6
得られた化合物(3)のうち2.0gをDMF20gと混合させてモノマー溶液を得た。この溶液をペットフィルムの表面に塗工し、50μmの厚みの塗膜を得た。さらに、電子線照射装置(岩崎電気(株)製、CB250/15/180L)を用いて加速電圧200kV、線量50kGyの条件で電子線を照射して重合させた後、ペットフィルムから剥離させて固体高分子電解質膜1を得た。
Example 6
2.0 g of the obtained compound (3) was mixed with 20 g of DMF to obtain a monomer solution. This solution was applied to the surface of a pet film to obtain a coating film having a thickness of 50 μm. Furthermore, after polymerizing by irradiating with an electron beam under the conditions of an acceleration voltage of 200 kV and a dose of 50 kGy using an electron beam irradiation apparatus (CB250 / 15 / 180L manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.), it is peeled off from the pet film and solidified. A polymer electrolyte membrane 1 was obtained.

実施例7
固体高分子電解質膜1の作製において、化合物(3)を用いる替わりに化合物(4)を2.0g用いて、固体高分子電解質膜1の作製方法と同様の手法により固体高分子電解質膜2を得た。
Example 7
In the production of the solid polymer electrolyte membrane 1, 2.0 g of the compound (4) is used instead of the compound (3), and the solid polymer electrolyte membrane 2 is formed by the same method as the production method of the solid polymer electrolyte membrane 1. Obtained.

実施例8
固体高分子電解質膜1の作製において、化合物(3)を用いる替わりに化合物(5)を2.0g用いて、固体高分子電解質膜1の作製方法と同様の手法により固体高分子電解質膜3を得た。
Example 8
In the production of the solid polymer electrolyte membrane 1, 2.0 g of the compound (5) is used instead of the compound (3), and the solid polymer electrolyte membrane 3 is formed by the same method as the production method of the solid polymer electrolyte membrane 1. Obtained.

実施例9
固体高分子電解質膜1の作製において、化合物(3)を用いる替わりに化合物(6)を2.0g用いて、固体高分子電解質膜1の作製方法と同様の手法により固体高分子電解質膜4を得た。
Example 9
In the production of the solid polymer electrolyte membrane 1, 2.0 g of the compound (6) is used instead of the compound (3), and the solid polymer electrolyte membrane 4 is formed by the same method as the production method of the solid polymer electrolyte membrane 1. Obtained.

実施例10
固体高分子電解質膜1の作製において、化合物(3)を用いる替わりに化合物(7)を2.0g用いて、固体高分子電解質膜1の作製方法と同様の手法により固体高分子電解質膜5を得た。
Example 10
In the production of the solid polymer electrolyte membrane 1, 2.0 g of the compound (7) is used instead of the compound (3), and the solid polymer electrolyte membrane 5 is formed by the same method as the production method of the solid polymer electrolyte membrane 1. Obtained.

実施例11
得られた化合物(3)のうち2.0gをDMF20gと混合させてモノマー溶液を作製した。この溶液中に多孔性高分子膜として厚さ15μm、平均細孔径0.1μmのポリイミド膜を浸漬して容器ごと超音波処理を5分間施した。容器より取り出したポリイミド膜を平滑なSUS板上へ移して、電子線照射装置(岩崎電気(株)製、CB250/15/180L)を用いて、加速電圧220kV、線量50kGyの電子線を膜の表裏にそれぞれ照射して重合し、固体高分子電解質膜6を得た。
Example 11
2.0 g of the obtained compound (3) was mixed with 20 g of DMF to prepare a monomer solution. A polyimide film having a thickness of 15 μm and an average pore diameter of 0.1 μm was immersed in this solution as a porous polymer film, and the whole container was subjected to ultrasonic treatment for 5 minutes. The polyimide film taken out from the container was transferred onto a smooth SUS plate, and an electron beam with an acceleration voltage of 220 kV and a dose of 50 kGy was applied to the film using an electron beam irradiation device (CB250 / 15 / 180L, manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.). The front and back surfaces were respectively irradiated and polymerized to obtain a solid polymer electrolyte membrane 6.

比較例1
THFをフラスコに入れ、役30分間Arでバブリングした。次に、このフラスコにp−トルイジンを1.5g加えた。反応系が52℃で安定したら、フラスコ内にさらに2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート(昭和電工(株)製、商品名カレンズAOI)2.0gを約30分かけて滴下した。その後12時間反応させてから、ロータリーエバポレータにより溶媒を除去して化合物(8)を2.5g得た。化合物(8)の構造はIRによる解析で下記の構造式6に示す構造であることを確認した。
Comparative Example 1
THF was placed in the flask and bubbled with Ar for 30 minutes. Next, 1.5 g of p-toluidine was added to the flask. When the reaction system was stabilized at 52 ° C., 2.0 g of 2-acryloyloxyethyl isocyanate (manufactured by Showa Denko KK, trade name Karenz AOI) was further dropped into the flask over about 30 minutes. Thereafter, the reaction was allowed to proceed for 12 hours, and then the solvent was removed by a rotary evaporator to obtain 2.5 g of Compound (8). The structure of the compound (8) was confirmed by IR analysis to be a structure represented by the following structural formula 6.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

次に、化合物(8)2.0gをアクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム10gと混合させた後にDMF20gを加えて攪拌し、モノマー溶液を得た。この溶液をペットフィルムの表面に塗工し、50μmの厚みの塗膜を得た。さらに、電子線照射装置(岩崎電気(株)製、CB250/15/180L)を用いて加速電圧200kV、線量50kGyの条件で電子線を照射して重合させた後、ペットフィルムから剥離させて固体高分子電解質膜7を得た。   Next, 2.0 g of compound (8) was mixed with 10 g of sodium acrylamide-2-methylpropanesulfonate, and then 20 g of DMF was added and stirred to obtain a monomer solution. This solution was applied to the surface of a pet film to obtain a coating film having a thickness of 50 μm. Furthermore, after polymerizing by irradiating with an electron beam under the conditions of an acceleration voltage of 200 kV and a dose of 50 kGy using an electron beam irradiation apparatus (CB250 / 15 / 180L manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.), it is peeled off from the pet film and solid A polymer electrolyte membrane 7 was obtained.

比較例2
化合物(9)の合成
構造式7に示すビスフェノールAのEO付加物ジアクリレート(共栄社化学(株)製ライトアクリレートBP−10EA 平均分子量936)86.85gをジクロロエタン(キシダ化学(株)製)450mlに溶解させた。その溶液に、クロロスルホン酸33.09g(0.284mol)を10℃以下で滴下させた後、室温で72時間反応させた。反応終了後、溶液の上澄の溶媒をデカンテーションで取り除き、ジクロロエタン450mlを加えて攪拌静置した。その後、同様に攪拌静置した溶液の上澄をデカンテーションで除いた。残ったアメ状の生成物を水200mlに溶解させて取り出し、乾燥させて、下記の構造式8に示す化合物(9)を83.04g得た。また、化合物(9)の構造はNMRによる解析で一般式3に示す構造であることを確認した。
Comparative Example 2
Synthesis of Compound (9) EO Adduct Diacrylate of Bisphenol A shown in Structural Formula 7 (Kyoeisha Chemical Co., Ltd. Light Acrylate BP-10EA Average Molecular Weight 936) 86.85 g into Dichloroethane (Kishida Chemical Co., Ltd.) 450 ml Dissolved. To this solution, 33.09 g (0.284 mol) of chlorosulfonic acid was added dropwise at 10 ° C. or lower, and then reacted at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the supernatant solvent of the solution was removed by decantation, 450 ml of dichloroethane was added, and the mixture was allowed to stand with stirring. Thereafter, the supernatant of the solution which was similarly allowed to stand with stirring was removed by decantation. The remaining candy-like product was dissolved in 200 ml of water, taken out, and dried to obtain 83.04 g of the compound (9) represented by the following structural formula 8. In addition, it was confirmed that the structure of the compound (9) was a structure represented by the general formula 3 by NMR analysis.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

(ただし、式中のa+b≒10とする。) (However, it is assumed that a + b≈10 in the formula.)

Figure 0004921136
Figure 0004921136

(ただし、式中のa+b≒10とする。)
さらに、得られた化合物(9)のうち9gをビニルスルホン酸(旭化成ファインケム(株)製)20gと混合させてモノマー溶液を得た。この溶液をペットフィルムの表面に塗工し、50μmの厚みの塗膜を得た。さらに、電子線照射装置(岩崎電気(株)製、CB250/15/180L)を用いて加速電圧180kV、線量50kGyの条件で電子線を照射して重合させた後、ペットフィルムから剥離させて固体高分子電解質膜8を得た。
(However, it is assumed that a + b≈10 in the formula.)
Furthermore, 9 g of the obtained compound (9) was mixed with 20 g of vinyl sulfonic acid (manufactured by Asahi Kasei Finechem Co., Ltd.) to obtain a monomer solution. This solution was applied to the surface of a pet film to obtain a coating film having a thickness of 50 μm. Furthermore, after polymerizing by irradiating with an electron beam under the conditions of an acceleration voltage of 180 kV and a dose of 50 kGy using an electron beam irradiation apparatus (CB250 / 15 / 180L manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.), it is peeled off from the pet film and solidified. A polymer electrolyte membrane 8 was obtained.

比較例3
デュポン社より市販されている固体高分子電解質膜ナフィオン112(50μm)をそのまま用いた。
Comparative Example 3
The solid polymer electrolyte membrane Nafion 112 (50 μm) commercially available from DuPont was used as it was.

評価
(屈曲試験)
実施例6から11、比較例1から3のそれぞれの高分子電解質膜を3cm×3cmに切り出し、一辺の端を持ち中心部を折り目として180度折り曲げ、再び元に戻した。この工程を100回繰り返し、膜の表面状態を観察した。その結果を表1に示す。
Evaluation (bending test)
Each of the polymer electrolyte membranes of Examples 6 to 11 and Comparative Examples 1 to 3 was cut out to 3 cm × 3 cm, bent at 180 ° with one side end and the center as a crease, and returned to its original state. This process was repeated 100 times, and the surface state of the film was observed. The results are shown in Table 1.

Figure 0004921136
Figure 0004921136

表1において、実施例6から11、比較例1と3のそれぞれの高分子電解質膜はこの屈曲試験にも耐え得る機械的強度を示したが、比較例2の高分子電解質膜は機械的強度が不十分であったために折り目に白濁が生じた。   In Table 1, each of the polymer electrolyte membranes of Examples 6 to 11 and Comparative Examples 1 and 3 showed mechanical strength that can withstand this bending test, but the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2 has mechanical strength. Was insufficient, resulting in white turbidity at the fold.

(プロトン導電性)
実施例6から11、比較例1から3のそれぞれの固体高分子電解質膜を3cm×2mmに切り出し、1cmの間隔をあけて設けた白金電極上に固定した。さらに、温度50℃、相対湿度95%の環境下にて、各固体高分子電解質膜のプロトン導電性をソーラトロン社製インピーダンスアナライザーSI1260によって測定した。結果を表2に示す。
(Proton conductivity)
The respective solid polymer electrolyte membranes of Examples 6 to 11 and Comparative Examples 1 to 3 were cut into 3 cm × 2 mm and fixed on platinum electrodes provided with an interval of 1 cm. Further, the proton conductivity of each solid polymer electrolyte membrane was measured with an impedance analyzer SI1260 manufactured by Solartron under an environment of a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 95%. The results are shown in Table 2.

(放電特性)
以下に示す手順において固体高分子型燃料電池を作製した。
厚さ0.2mm、大きさ5cm×5cmのカーボンペーバー(東レ(株)製TGP−H−060)を2枚用意した。そのうちの1枚には、燃料極用の触媒として白金触媒(田中貴金属工業(株)製TEC10E50E)を1.5mg/cm2担持させて燃料極とした。残りの1枚には、酸化剤極用触媒として白金−ルテニウム触媒(田中貴金属工業(株)製TEC61E54)を1.5mg/cm2担持させて酸化剤極(空気極)とした。
(Discharge characteristics)
A polymer electrolyte fuel cell was produced in the following procedure.
Two carbon pavers (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 0.2 mm and a size of 5 cm × 5 cm were prepared. One of them was loaded with 1.5 mg / cm 2 of a platinum catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) as a fuel electrode catalyst. The remaining one sheet was loaded with 1.5 mg / cm 2 of a platinum-ruthenium catalyst (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) as an oxidant electrode catalyst to form an oxidant electrode (air electrode).

実施例6から11、比較例1から3のそれぞれの高分子固体電解質膜を7.5cm×7.5cmの正方形に切り出した。上記のようにして作製した燃料極と酸化剤極とで切り出した高分子固体電解質膜を挟み、温度120℃、圧力10MPaの条件でプレスして、電解質膜−電極接合体を作製した。   The polymer solid electrolyte membranes of Examples 6 to 11 and Comparative Examples 1 to 3 were cut into 7.5 cm × 7.5 cm squares. The polymer solid electrolyte membrane cut out between the fuel electrode and the oxidant electrode produced as described above was sandwiched and pressed under the conditions of a temperature of 120 ° C. and a pressure of 10 MPa to produce an electrolyte membrane-electrode assembly.

得られた電解質膜−電極接合体をダイレクトメタノール型燃料電池試験セル(エレクトロケム社製、EFC25−01DM)に装着させ、固体高分子型燃料電池を作製した。セルの温度を70℃に維持し、燃料として8%のメタノール水溶液、酸化剤として酸素を供給して電流電圧曲線を得た。   The obtained electrolyte membrane-electrode assembly was mounted on a direct methanol fuel cell test cell (EFC25-01DM, manufactured by Electrochem) to produce a solid polymer fuel cell. The cell temperature was maintained at 70 ° C., and an 8% methanol aqueous solution as fuel and oxygen as the oxidant were supplied to obtain a current-voltage curve.

以上の手順により作製した固体高分子型燃料電池を用いて電流密度0.20A/cm2で放電したときの端子電圧を表2に示す。 Table 2 shows the terminal voltages when the polymer electrolyte fuel cell produced by the above procedure was discharged at a current density of 0.20 A / cm 2 .

Figure 0004921136
Figure 0004921136

表2の結果より、実施例6から11の固体高分子電解質膜は比較例3のナフィオン膜に比べて、プロトン導電性が低いものの発電時の端子電圧は高いことがわかる。これは、実施例6から11の固体高分子電解質膜が比較例3のナフィオン膜よりもメタノールクロスオーバーを軽減する効果が高いため、端子電圧が高くなったものと考えられる。比較例3のナフィオン膜を用いた場合は、プロトン導電性は良好であるが、メタノールクロスオーバーが顕著なため端子電圧が低くなった。   From the results in Table 2, it can be seen that the solid polymer electrolyte membranes of Examples 6 to 11 have lower proton conductivity but higher terminal voltage during power generation than the Nafion membrane of Comparative Example 3. This is probably because the solid polymer electrolyte membranes of Examples 6 to 11 were more effective in reducing methanol crossover than the Nafion membrane of Comparative Example 3, and thus the terminal voltage was increased. When the Nafion membrane of Comparative Example 3 was used, the proton conductivity was good, but the terminal voltage was low due to the remarkable methanol crossover.

また、比較例2の膜は、発電を続けるうちに電圧が表2に示す数値に低下していった。これは、セル内での燃料の流れによる膜の圧縮、膨潤の動きに対して膜の機械的強度が不十分であるために膜にクラックが発生したことが原因だと考えられる。膜にクラックが入ることにより、電圧が低下したものと推測される。   In the film of Comparative Example 2, the voltage decreased to the values shown in Table 2 while power generation was continued. This is considered to be caused by the occurrence of cracks in the membrane due to insufficient mechanical strength of the membrane against the movement of membrane compression and swelling caused by the flow of fuel in the cell. It is presumed that the voltage was lowered due to cracks in the film.

本発明の化合物を用いることで、優れた機械的強度と良好なプロトン導電性とを両立をさせる固体高分子電解質膜を提供することができる。
また、上記固体高分子電解質膜を燃料電池の電解質膜として用いることにより、燃料の透過を抑制する効果の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。
By using the compound of the present invention, it is possible to provide a solid polymer electrolyte membrane that achieves both excellent mechanical strength and good proton conductivity.
In addition, by using the solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane of a fuel cell, a solid polymer fuel cell having a high effect of suppressing fuel permeation can be provided.

本発明の電解質膜−電極接合体の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the electrolyte membrane-electrode assembly of this invention. 本発明の固体高分子型燃料電池の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the polymer electrolyte fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子電解質膜
2a、2b 電極触媒層
3a、3b 拡散層
4a、4b 電極
11 電解質膜−電極接合体
11a 燃料極(アノード)
11b 空気極(カソード)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte membrane 2a, 2b Electrode catalyst layer 3a, 3b Diffusion layer 4a, 4b Electrode 11 Electrolyte membrane-electrode assembly 11a Fuel electrode (anode)
11b Air electrode (cathode)

Claims (4)

多孔性高分子膜と、該多孔性高分子膜の孔内に充填されたプロトン導電性高分子化合物よりなる固体高分子型燃料電池用電解質膜であって、該プロトン導電性高分子化合物が少なくとも下記一般式1に示される構造を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電解質膜。An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell comprising a porous polymer membrane and a proton conductive polymer compound filled in pores of the porous polymer membrane, wherein the proton conductive polymer compound is at least An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, characterized by having a structure represented by the following general formula 1.
Figure 0004921136
Figure 0004921136

(式中、R(Wherein R 1 はメチル基もしくは水素原子である。RIs a methyl group or a hydrogen atom. R 2 は主鎖にエステル結合を含む置換または非置換の炭素原子数2以上10以下のアルキレン基である。RIs a substituted or unsubstituted alkylene group having 2 to 10 carbon atoms and containing an ester bond in the main chain. R 3 は置換または非置換の炭素原子数1以上6以下のアルキレン基、置換または非置換のフェニレン基もしくは置換または非置換の炭素原子数7以上13以下のフェニレンアルキレン基のいずれかである。Xはプロトン導電性基であり、−SOIs a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenylene group or a substituted or unsubstituted phenylene alkylene group having 7 to 13 carbon atoms. X is a proton conductive group, -SO 3 Hもしくは−RH or -R 4 −SO-SO 3 Hである。RH. R 4 は置換または非置換の炭素原子数1以上6以下のアルキレン基である。nは1以上の整数である。)Is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms. n is an integer of 1 or more. )
前記プロトン導電性基が、芳香族環に付加した構造であることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池用電解質膜The electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the proton conductive group has a structure added to an aromatic ring. 請求項1または2に記載の固体高分子型燃料電池用電解質膜と、電極と、からなることを特徴とする電解質膜−電極接合体。 A solid polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, the electrolyte membrane, wherein the electrode, in that it consists of - electrode assembly. 電解質膜として請求項1または2に記載の固体高分子型燃料電池用電解質膜を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2 as an electrolyte membrane .
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