JP5303838B2 - プロトン伝導性材料、それを用いて成る膜電極接合体(mea)およびその製造方法 - Google Patents
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Description
型)、DMFC(ダイレクトメタノール型)、SOFC(固体酸化物型)、および、MCFC(溶融炭酸塩型)に大別される。
れている。
前記プロトン伝導性膜と前記電極の接合の際に熱および圧力を負荷することにより、前記プロトン伝導性膜および前記バインダの架橋を行うことを特徴とする膜電極接合体(MEA)の製造方法である。
前記中間体は架橋剤として用いることができる。
バインダ樹脂にプロトン酸基を導入することで、プロトン伝導性材料のプロトン伝導性が向上する。
導入するプロトン酸基としては、スルホン酸基が好ましい。
フェノール樹脂の中間体としては、製造プロセス内においてフェノールにホルムアルデヒドを酸性または塩基性下で付加させるプロセスを含み、かつ、分子内にメチロール基を有する芳香環を2つ以上有する材料を用いることができ、例えば、分子内に化学式(4)または(6)に記載の構造体を2つ以上有する材料を用いることができる。
また、フェノール樹脂の中間体に対し、キシリレングリコールやヘキサメチレンテトラミン等の硬化剤を添加しても良い。
添加物は球状、針状、チップ状など、様々な状態で添加することができる。
添加物のサイズは、膜を作製する際の塗布特性、膜中における分散の均一性を考慮すると、0.05μm〜10μmの範囲であることが好ましい。
補強材としては、アラミド不織布、液晶ポリマー、ガラスクロス、ガラス不織布、ポリテトラフロロエチレン不織布、ポリテトラフロロエチレン多孔体、ポリフェニレンサルファイドレジン等を用いることができ、これらは単独で用いても複用しても構わない。
添加剤としては、樹脂硬化触媒、チクソトロピー付与剤、消泡剤、レベリング剤、密着性付与剤、分散剤等を用いることができる。
プロトン伝導性膜の両面に触媒電極を転写やスプレー噴霧により作製し、その後、ガス拡散材で挟持する方法などを用いても良い。
結着剤を用いることにより、プロトン伝導性膜と触媒電極との界面抵抗が減少し、セルの出力密度が向上する。
同じ材料とすることにより、プロトン伝導性膜と触媒電極との界面抵抗の低減、高温高湿下における材料の膨潤による寸法変化に起因するプロトン伝導性膜と触媒電極との界面の密着性低下を抑制する事ができる。
スルホン酸基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、および、固体酸の水素イオン交換容量はそれぞれ、3.0meq/g、3.5meq/gであった。
混合溶媒は体積比で水:イソプロピルアルコール=3:2とした。
溶媒の重量は20gとした。
熱プレス条件は、プレス温度120℃、プレス時間1h、プレス圧力60kgf/cm2とした。
また、プロトン伝導性膜の耐水性試験前後の重量減少率は1.1%であった。
スルホン酸基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、および、固体酸の水素イオン交換容量はそれぞれ、3.0meq/g、3.5meq/gであった。
混合溶媒は体積比で水:イソプロピルアルコール=3:2とした。
溶媒の重量は20gとした。
熱プレス条件は、プレス温度120℃、プレス時間1h、プレス圧力60kgf/cm2とした。
また、プロトン伝導性膜の耐水性試験前後の重量減少率は0%であった。
スルホン基導入ポリエーテルエーテルケトン、および固体酸の水素イオン交換容量はそれぞれ3.0meq/g、3.5meq/gであった。
混合溶媒は体積比で水:イソプロピルアルコール=3:2とした。
熱プレス条件は、プレス温度120℃、プレス時間1h、プレス圧力60kgf/cm2とした。
また、プロトン伝導性膜の耐水性試験前後の重量減少率は0%であった。
出発原料の組成比は白金担持カーボン触媒と実施例4に記載の出発原料の総重量が重量比で2:1となるようにし、溶媒の組成は水、イソプロピルアルコールを体積比で1:1:1とした。
また、分散液の固形分含有量は10wt%とした。
この時、触媒層の白金担持量が0.3mg/cm2になるように層の厚さを調節した。
その後、60℃で5分間乾燥させることにより触媒層を形成した。
評価条件はセル温度80℃、原料ガスとしては酸化極が水素、還元極は酸素を用いた。
流量は水素;200mL/min.酸素;100mL/min.とした。
ガスの相対湿度を100%とした。
電圧0.7Vの時の電流密度は950mA/cm2であった。
まず、アルキル鎖を主骨格とするエポキシ樹脂を0.6g、スルホン基が導入された無定形炭素からなる固体酸を0.4g、p−キシリレングリコール0.09gを水とイソプロピルアルコール、N、N−ジメチルホルムアミドの混合溶媒中で混合させた。
スルホン基導入エポキシ樹脂、固体酸の水素イオン交換容量はそれぞれ3.0meq/g、3.5meq/gであった。
混合溶媒は体積比で水:イソプロピルアルコール:N、N−ジメチルホルムアミド=1:2:2とした。
溶媒の重量は20gとした。
熱プレスの条件は、プレス温度120℃、プレス時間1h、プレス圧力60kgf/cm2とした。
また、プロトン伝導性膜の耐水性試験前後の重量減少率は16.5%であった。
まず、白金担持量が45wt%である白金担持カーボン触媒とパーフルオロカーボンスルホン酸溶液(デュポン社製Nafion溶液(登録商標))を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。
出発原料の組成比は白金担持カーボン触媒とパーフルオロカーボンスルホン酸溶液(デュポン社製Nafion溶液(登録商標))が重量比で2:1となるようにし、溶媒の組成は水、イソプロピルアルコールを体積比で1:2とした。
また、分散液の固形分含有量は10wt%とした。
このとき、触媒層の白金担持量が0.3mg/cm2になるように層の厚さを調整した。その後、触媒層を60℃で5分間乾燥させることにより触媒電極を得た。
評価条件はセル温度80℃、原料ガスとしては酸化極が水素、還元極は酸素を用いた。
流量は水素;200mL/min.酸素;100mL/min.とした。
ガスの相対湿度を100%とした。
電圧0.7Vの時の電流密度は550mA/cm2であった。
2・・・・触媒電極
3・・・・プロトン伝導性膜
10・・・膜電極接合体(MEA)
Claims (15)
- プロトン伝導性を有する固体酸、バインダ樹脂、および、固体酸とバインダ樹脂を架橋するための架橋剤を含み、前記プロトン伝導性を示す固体酸が、スルホン酸基が導入された無定形炭素であり、前記バインダ樹脂が芳香族系高分子からなり、前記架橋剤が、分子内に少なくとも2つ以上のメチロール基を有し、かつそのメチロール基のすべてが芳香環と結合していることを特徴とするプロトン伝導性材料。
- 前記プロトン伝導性を示す固体酸の水素イオン交換容量が、0.5meq/g〜10meq/gであることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記バインダ樹脂が、ポリエーテルケトンまたはポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記バインダ樹脂が、フェノール樹脂であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記バインダ樹脂が、スルホン酸基を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記バインダ樹脂の水素イオン交換容量が、0.5meq/g〜10meq/gであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記架橋剤が、加熱することにより反応を開始することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記架橋剤が、固体酸およびバインダ樹脂のスルホン酸基以外の部分を介して架橋反応することを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記架橋剤が、下記の式(1)、または、下記の式(2)からなる化合物であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記架橋剤が、分子内に下記の式(3)、または、下記の式(4)からなる構造単位を少なくとも2つ以上有する化合物であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載のプロトン伝導性材料。
- 前記架橋剤が、分子内に下記の式(5)、または、下記の式(6)からなる構造単位を少なくとも2つ以上有する化合物であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載のプロトン伝導性材料。
- 請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載のプロトン伝導性材料を用いてなるプロトン伝導性膜。
- 反応触媒、導電剤およびバインダからなる電極を、請求項12に記載のプロトン伝導性膜の両面に接合して成る膜電極接合体(MEA)。
- 前記バインダが、前記プロトン伝導性膜と同じ成分からなることを特徴とする請求項13に記載の膜電極接合体(MEA)。
- 請求項13または請求項14に記載の膜電極接合体(MEA)の製造方法であって、
前記プロトン伝導性膜と前記電極の接合の際に熱および圧力を負荷することにより、前記プロトン伝導性膜および前記バインダの架橋を行うことを特徴とする膜電極接合体(MEA)の製造方法。
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JP2007011209A JP5303838B2 (ja) | 2007-01-22 | 2007-01-22 | プロトン伝導性材料、それを用いて成る膜電極接合体(mea)およびその製造方法 |
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