JP5319061B2 - Membrane electrode assembly, manufacturing method thereof, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly which serves as a high-performance membrane electrode assembly in which adhesion between a polyelectrolyte membrane and an electrode is strong and the superior physical properties of the polyelectrolyte membrane are exerted sufficiently, and show a high power generation characteristic when supplied with a highly concentrated methanol when the membrane electrode assembly applies to direct methanol type fuel battery. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly includes the polyelectrolyte membrane and electrodes disposed on both sides of the polyelectrolyte membrane. In the membrane electrode assembly, the polyelectrolyte membrane is pressure bonded by heat to the electrodes under heating temperatures ranging from a temperature -30&deg;C or less below a lowest softening point to a temperature +10&deg;C or less higher the softening point when the lowest softening point represents the lowest one of the softening points of high molecular compounds contained in the polyelectrolyte membrane. High adhesion is created between the polyelectrolyte membrane and electrodes and the deterioration of the physical properties of the polyelectrolyte membrane is suppressed. Hence the membrane electrode assembly is provided as a high-performance membrane electrode assembly. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール型燃料電池等に用いることができる膜電極接合体、およびその製造方法、並びに、それを使用した燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly that can be used for a polymer electrolyte fuel cell, a direct liquid fuel cell, a direct methanol fuel cell, and the like, a method for producing the same, and a fuel cell using the membrane electrode assembly.

スルホン酸基などのプロトン伝導性置換基を含有する高分子電解質は、燃料電池、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料として使用される。これらの中でも、燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。   Polymer electrolytes containing proton conductive substituents such as sulfonic acid groups are used as raw materials for electrochemical devices such as fuel cells, humidity sensors, gas sensors, and electrochromic display devices. Among these, fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology.

プロトン伝導性置換基を有する高分子電解質を使用する固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体、家庭用コンジェネレーションシステム、および民間用小型携帯機器などへの適用が検討されている。   Solid polymer fuel cells that use polymer electrolytes with proton-conducting substituents can be operated at low temperatures and can be reduced in size, weight, mobile vehicles such as automobiles, household cogeneration systems, and civilian use. Application to small portable devices is under consideration.

特にメタノールを直接燃料に使用する直接メタノール型燃料電池は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、また、高エネルギー密度などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民間用小型携帯機器への応用が期待されている。   In particular, a direct methanol fuel cell that uses methanol directly as a fuel has a simple structure, ease of fuel supply and maintenance, and features such as high energy density. It is expected to be applied to small portable devices for private use such as laptop computers.

固体高分子形燃料電池に使用されるプロトン伝導性高分子電解質としてはナフィオン(登録商標)(Nafion)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質が広く検討されている。フッ素系炭化水素系高分子電解質であるパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質は、高いプロトン伝導度を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れている。しかしながら、使用原料が高く、複雑な製造工程を経るため、非常に高価であるという欠点がある。さらにメタノールなどの水素含有液体などに浸すと膨潤し、特に、そのメタノール濃度が高い場合には膜自体が溶解するので、発電特性が低下してしまうという問題がある。したがって、直接メタノール型燃料電池の高分子電解質としては課題がある。また、その高分子電解質を高分子電解質膜として用いる場合には、発電時にクロスオーバーによる燃料の消失が懸念される。   As a proton conductive polymer electrolyte used in a polymer electrolyte fuel cell, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte represented by Nafion (registered trademark) (Nafion) has been widely studied. A perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte, which is a fluorine-based hydrocarbon polymer electrolyte, has high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, since the raw materials used are high and the manufacturing process is complicated, there is a disadvantage that it is very expensive. Further, when immersed in a hydrogen-containing liquid such as methanol, the film swells. In particular, when the methanol concentration is high, the film itself dissolves, so that there is a problem that power generation characteristics deteriorate. Therefore, there is a problem as a polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell. Further, when the polymer electrolyte is used as a polymer electrolyte membrane, there is a concern that fuel may be lost due to crossover during power generation.

これに対して、特許文献1には、非フッ素系の炭化水素系高分子電解質であって、メタノールへの耐久性に優れ、かつ、クロスオーバーを抑制できる炭化水素系プロトン伝導性高分子電解質が開示されている。   On the other hand, Patent Document 1 discloses a hydrocarbon-based proton-conducting polymer electrolyte that is a non-fluorine-based hydrocarbon-based polymer electrolyte that has excellent durability to methanol and can suppress crossover. It is disclosed.

また、特許文献2には、フッ素系炭化水素系高分子電解質膜から副生するフッ素イオンを減少させることで膜電極接合体の耐久性を向上させた固体高分子型燃料電池の膜電極接合体の製造方法が開示されている。具体的には、電極層に対し、MEAのホットプレスを行う前に、フッ素系炭化水素系高分子電解質膜のガラス転移温度から熱分解温度までの温度領域にて加圧保持する熱処理を行うことに加えて、イオン交換容量が大きいフッ素系炭化水素系高分子電解質を採用することでフッ素イオンの溶出を効果的に抑制している。   Patent Document 2 discloses a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell in which the durability of the membrane electrode assembly is improved by reducing fluorine ions by-produced from the fluorine-based hydrocarbon polymer electrolyte membrane. A manufacturing method is disclosed. Specifically, the electrode layer is subjected to a heat treatment in which pressure is maintained in the temperature range from the glass transition temperature to the thermal decomposition temperature of the fluorine-based hydrocarbon polymer electrolyte membrane before hot-pressing the MEA. In addition, elution of fluorine ions is effectively suppressed by adopting a fluorine-based hydrocarbon polymer electrolyte having a large ion exchange capacity.

さらに、特許文献3には、フッ素系炭化水素系高分子電解質膜を用いて優れた電流−電圧特性を有する高分子電解質膜−ガス拡散電極を得るために、ガス拡散電極の反応部における触媒と高分子電解質樹脂との接触面積の増大を図ること、高分子電解質膜と反応部との密着性を向上して均一に接合された反応部を有する高分子電解質膜−反応部接合体を形成すること、及び、薄く均一な反応部を有する高分子電解質膜−反応部を作製することを目的として、触媒と高分子電解質と分散媒とを有する触媒分散物を基体に塗布して形成された反応部をフッ素系炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも一方側に加熱圧接する高分子電解質膜−反応部接合体の製造方法において、フッ素系炭化水素系高分子電解質膜を含水状態とし、かつ、加熱圧接の温度を100℃以下とする方法が開示されており、このようにすることで、フッ素系高分子電解質膜の含水量の変化にともなう寸法変化に起因する反応部の密着性の低下あるいは剥離を防止でき、加熱圧着の温度を制御して気化にともなう急激な水の体積変化に起因する反応部の部分的な剥離を防止できる、としている。
国際公開WO2006/019029号パンフレット 特開2005―209402号公報 特開平11―025998号公報
Furthermore, in Patent Document 3, in order to obtain a polymer electrolyte membrane-gas diffusion electrode having excellent current-voltage characteristics using a fluorine-based hydrocarbon polymer electrolyte membrane, a catalyst in the reaction part of the gas diffusion electrode is used. Increasing the contact area with the polymer electrolyte resin, improving the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the reaction part, and forming a polymer electrolyte membrane-reaction part assembly having a reaction part uniformly joined And a reaction formed by applying a catalyst dispersion having a catalyst, a polymer electrolyte, and a dispersion medium to a substrate for the purpose of producing a polymer electrolyte membrane-reaction part having a thin and uniform reaction part. In the method for producing a polymer electrolyte membrane-reaction part assembly in which a part is heated and pressed against at least one side of a fluorine-based hydrocarbon polymer electrolyte membrane, the fluorine-based hydrocarbon polymer electrolyte membrane is in a water-containing state and heated. Pressure welding A method of setting the temperature to 100 ° C. or less is disclosed, and by doing so, a decrease in the adhesion of the reaction part or peeling due to a dimensional change accompanying a change in the water content of the fluorine-based polymer electrolyte membrane is prevented. The temperature of the thermocompression bonding can be controlled to prevent partial separation of the reaction part due to a sudden volume change of water accompanying vaporization.
International Publication WO2006 / 019029 Pamphlet JP-A-2005-209402 Japanese Patent Laid-Open No. 11-025998

上述した特許文献2、及び特許文献3のように、フッ素系炭化水素系高分子電解質膜を用いた膜電極接合体においては、溶出するフッ素イオンの影響や膨潤による寸法変化を考慮した膜電極接合体、及びその製造方法を適用する必要があり、必ずしも高分子電解質膜そのものの物性に基づく膜電極接合体の検討が困難であるという問題があった。   As in the above-mentioned Patent Document 2 and Patent Document 3, in the membrane / electrode assembly using the fluorine-based hydrocarbon polymer electrolyte membrane, the membrane / electrode bonding considering the influence of the eluting fluorine ions and the dimensional change due to swelling. There is a problem that it is difficult to study a membrane electrode assembly based on the physical properties of the polymer electrolyte membrane itself.

これに対して、高分子電解質膜としてフッ素を含まない、例えば、特許文献1の膜を用いた膜電極接合体では、膜中フッ素に影響されることなく高分子電解質膜そのものの物性、例えば、作製温度による高分子電解質膜の劣化度合いと接着力との関係等、に基づき、理想的な膜電極接合体につき検討できると考えられる。このようにして検討された膜電極接合体が、フッ素を含む高分子電解質膜に対しても、含フッ素による影響を別の方法で回避できれば、効果的であることは言うまでもない。   On the other hand, the polymer electrolyte membrane does not contain fluorine, for example, in the membrane electrode assembly using the membrane of Patent Document 1, the physical properties of the polymer electrolyte membrane itself without being affected by fluorine in the membrane, for example, It is considered that an ideal membrane electrode assembly can be studied based on the relationship between the degree of deterioration of the polymer electrolyte membrane and the adhesive strength depending on the production temperature. It goes without saying that the membrane / electrode assembly examined in this way is effective even for a polymer electrolyte membrane containing fluorine if the influence of fluorine-containing material can be avoided by another method.

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、高分子電解質膜そのものの物性に基いた、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、および直接メタノール型燃料電池に好適に用い得る膜電極接合体、その製造方法、並びに、それを使用した燃料電池を提供し、高濃度メタノールを供給した場合でも優れた発電特性を発現する燃料電池を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and can be suitably used for solid polymer fuel cells, direct liquid fuel cells, and direct methanol fuel cells based on the physical properties of the polymer electrolyte membrane itself. A membrane electrode assembly, a production method thereof, and a fuel cell using the membrane electrode assembly, and a fuel cell exhibiting excellent power generation characteristics even when high-concentration methanol is supplied.

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討をおこなった結果、高分子電解質膜そのものの物性を十分に発揮しうる本発明の膜電極接合体を発明した。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have invented the membrane / electrode assembly of the present invention that can sufficiently exhibit the physical properties of the polymer electrolyte membrane itself.

すなわち、本発明の膜電極接合体は、高分子電解質膜、およびその両側に配置された電極を含む膜電極接合体であって、前記高分子電解質膜に含まれる高分子化合物の軟化点のうち最も低い温度を最低軟化点としたときに、最低軟化点−30℃以上、最低軟化点+10℃以下の加熱温度で、前記高分子電解質膜と前記電極とが加熱圧接された膜電極接合体であり、前記高分子電解質膜と前記電極との間に優れた接着力が生じており、また、前記高分子電解質膜の物性が劣化することが抑制されているので、高性能の膜電極接合体となる。   That is, the membrane / electrode assembly of the present invention is a membrane / electrode assembly including a polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides thereof, and among the softening points of the polymer compound contained in the polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly in which the polymer electrolyte membrane and the electrode are heated and pressed at a heating temperature of the lowest softening point −30 ° C. or more and the lowest softening point + 10 ° C. or less when the lowest temperature is the lowest softening point. There is a high performance membrane electrode assembly because an excellent adhesive force is generated between the polymer electrolyte membrane and the electrode, and the physical properties of the polymer electrolyte membrane are prevented from deteriorating. It becomes.

また、前記膜電極接合体は、それを備える直接メタノール型燃料電池の単セルの開回路電位が、燃料として用いるメタノール濃度の増大にともなって、0.00V/moll-1以上、0.02V/moll-1以下の範囲で低下するものとなり、メタノール遮断性に優れるので、この膜電極接合体を備える直接メタノール型燃料電池は、特に高濃度メタノール供給時において高い発電特性を示すことができる。 Further, the membrane electrode assembly has an open circuit potential of a single cell of a direct methanol fuel cell including the membrane electrode assembly of 0.00 V / mol −1 or more, 0.02 V / The direct methanol fuel cell provided with this membrane electrode assembly can exhibit high power generation characteristics, particularly when supplying high-concentration methanol, because it decreases in the range of mol −1 or less and has excellent methanol barrier properties.

さらに、前記高分子電解質膜は、少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物と、芳香族単位がない高分子化合物と、を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜であることが好ましく、非フッ素系の炭化水素系高分子電解質であるので、メタノールの耐久に優れており、また、安価であり、さらに、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入することで、プロトン伝導性基を含む高分子電解質をその膜中に形成し、プロトン伝導性高分子電解質膜としているので、簡便かつ生産性が高い
特に、このようなプロトン伝導性電解質膜においては、芳香族単位を有する高分子化合物部分にスルホン酸基などのプロトン伝導性基が導入されて、その部分がプロトン伝導性基を含む高分子電解質となる一方で、芳香族単位がない高分子化合物部分にはプロトン伝導性基が導入されない。従って、このような電解質膜は、全体に亘ってスルホン酸基などの親水性のプロトン伝導性基が導入されている高分子電解質を含むにも関わらず、その骨格部分はプロトン伝導性基が導入されていない部分となるので、水やメタノール水溶液に対して膨潤しにくい構成となり、高いメタノール遮断性を有する電解質膜となる。
Furthermore, the polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane in which a proton conductive group is introduced into a polymer film containing at least a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound having no aromatic unit. Since it is a non-fluorinated hydrocarbon polymer electrolyte, it is excellent in durability of methanol, is inexpensive, and further, by introducing a proton conductive group into the polymer film, A polymer electrolyte containing a proton-conducting group is formed in the membrane to form a proton-conducting polymer electrolyte membrane, so it is simple and highly productive. In particular, in such a proton-conducting electrolyte membrane, aromatic units A proton-conductive group such as a sulfonic acid group is introduced into a polymer compound portion having a structure, and the portion becomes a polymer electrolyte containing a proton-conducting group. The proton conductive group is not introduced into the polymer compound portion having no unit. Therefore, even though such an electrolyte membrane includes a polymer electrolyte into which a hydrophilic proton conductive group such as a sulfonic acid group is introduced throughout, the skeleton portion has a proton conductive group introduced therein. Since the portion is not formed, it is difficult to swell against water or an aqueous methanol solution, resulting in an electrolyte membrane having high methanol barrier properties.

特に、このプロトン伝導性電解質膜は、芳香族単位がない高分子化合物中に芳香族単位を有する高分子化合物が分散されている構造となっていることが好ましく、より好ましくは数μm〜数10μmの芳香族単位を有する高分子化合物の島が、芳香族単位がない高分子化合物の海に分散されてなる海島構造であり、芳香族単位がない高分子化合物の膨潤抑制効果を有するので、プロトン伝導性が十分、かつ、メタノール遮断性が十分な高分子電解質膜の特性が膜電極接合体作製時に低減されることがなく、同特性が膜電極接合体として発揮される。   In particular, the proton conductive electrolyte membrane preferably has a structure in which a polymer compound having an aromatic unit is dispersed in a polymer compound having no aromatic unit, more preferably several μm to several tens of μm. The island of the polymer compound having an aromatic unit has a sea-island structure in which the polymer compound without the aromatic unit is dispersed in the sea, and has a swelling inhibiting effect on the polymer compound without the aromatic unit. The properties of the polymer electrolyte membrane having sufficient conductivity and sufficient methanol barrier properties are not reduced during the production of the membrane electrode assembly, and the same properties are exhibited as the membrane electrode assembly.

ここで、前記芳香族単位を有する高分子化合物は、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド及び、それらの誘導体からなる群から選択される1種類以上の高分子化合物を含むことが好ましく、これらの高分子化合物は、化学的安定性および熱的安定性や、プロトン伝導性置換基の導入のし易さを有するので、得られるプロトン伝導性高分子電解質は、プロトン伝導性、及びメタノール遮断性に優れたものとなる。   Here, the polymer compound having an aromatic unit is selected from the group consisting of polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyphenylene sulfide, and derivatives thereof. It is preferable to include one or more kinds of polymer compounds selected, and these polymer compounds have chemical stability and thermal stability and are easy to introduce proton conductive substituents. The proton conductive polymer electrolyte obtained is excellent in proton conductivity and methanol blocking properties.

ここで、前記芳香族単位が無い高分子化合物は、下記一般式1からなる高分子化合物から選択される1種類以上の高分子化合物を含むことが好ましく、他の高分子化合物成分、特に後述する触媒層形成材料に対する相溶性や分散性に優れ、また、後述する溶融押出成形により高分子フィルムを製造する際の加工性や、そうして得られる高分子フィルムのハンドリング性に優れるので、結果得られる膜電極接合体のメタノール遮断性、化学的安定性、および熱的安定性などが優れたものとなる。   Here, the polymer compound having no aromatic unit preferably includes one or more polymer compounds selected from polymer compounds having the following general formula 1, and other polymer compound components, particularly those described later. Excellent compatibility and dispersibility with the catalyst layer forming material, excellent processability when producing polymer films by melt extrusion molding, which will be described later, and handling properties of the polymer films thus obtained. The membrane electrode assembly obtained has excellent methanol barrier properties, chemical stability, thermal stability, and the like.

Figure 0005319061
(一般式1中、X1〜X4は、H、CH3、Cl、F、OCOCH3、CN、COOH、COOCH3、及びOC49、からなる群から選択されるいずれかであって、X1〜X4は互いに独立で同一であっても異なっていてもよい。)
また、ここで、前記芳香族単位が無い高分子化合物が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、及びそれらの誘導体からなる群から選択される1種類以上の高分子化合物を含むことが好ましく、工業的に入手し易く、得られる高分子フィルムは機械的特性やハンドリング性に優れ、得られる電解質膜はプロトン伝導性やメタノール遮断性、化学的安定性などに優れる。
Figure 0005319061
(In General Formula 1, X 1 to X 4 are any selected from the group consisting of H, CH 3 , Cl, F, OCOCH 3 , CN, COOH, COOCH 3 , and OC 4 H 9 . X 1 to X 4 may be the same or different from each other.
Here, the polymer compound having no aromatic unit preferably contains one or more polymer compounds selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, and derivatives thereof, The obtained polymer film is excellent in mechanical properties and handling properties, and the obtained electrolyte membrane is excellent in proton conductivity, methanol blocking property, chemical stability and the like.

さらに、前記プロトン伝導性基はスルホン酸基を含むことが好ましく、高分子へ導入しやすく、また、導入により付与されるプロトン伝導性が大きい。   Furthermore, the proton conductive group preferably contains a sulfonic acid group, is easily introduced into the polymer, and has a high proton conductivity imparted by the introduction.

特に、上述したような本発明の膜電極接合体を備えた直接メタノール型燃料電池は、高濃度メタノール供給時において高い発電特性を示す。   In particular, the direct methanol fuel cell including the membrane electrode assembly of the present invention as described above exhibits high power generation characteristics when supplying high-concentration methanol.

本発明者らは、上述した課題を解決すべく鋭意検討をおこなった結果、高分子電解質膜そのものの物性を十分に発揮しうる本発明の膜電極接合体の製造方法を発明した。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have invented a method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention that can sufficiently exhibit the physical properties of the polymer electrolyte membrane itself.

すなわち、本発明の膜電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜、およびその両側に配置された電極を含む膜電極接合体の製造方法であって、前記高分子電解質膜に含まれる高分子化合物の軟化点のうち最も低い温度を最低軟化点としたときに、最低軟化点−30℃以上、最低軟化点+10℃以下の加熱温度で、前記高分子電解質膜前記電極とを加熱圧接することを特徴とする膜電極接合体の製造方法であり、前記高分子電解質膜と前記電極との間に優れた接着力が生じ、また、前記高分子電解質膜の物性が劣化することが抑制されるので、高性能の膜電極接合体を製造することができる。   That is, the method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention is a method for producing a membrane / electrode assembly including a polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides thereof, and the polymer contained in the polymer electrolyte membrane. When the lowest temperature among the softening points of the compound is the lowest softening point, the polymer electrolyte membrane is heated and pressed at a heating temperature of the lowest softening point −30 ° C. or higher and the lowest softening point + 10 ° C. or lower. A method for producing a membrane electrode assembly characterized in that an excellent adhesive force is generated between the polymer electrolyte membrane and the electrode, and deterioration of physical properties of the polymer electrolyte membrane is suppressed. Therefore, a high performance membrane electrode assembly can be manufactured.

本発明の膜電極接合体は、その製造方法として、前記高分子電解質膜を溶融成型を含む工程により製造する方法を含むことが好ましく、生産性、得られる高分子フィルムの機械的特性が優れており、また、フィルムの厚みを制御し易く、種々の樹脂への適用性を有し、環境への負荷が小さい製造方法となる。   The membrane / electrode assembly of the present invention preferably includes a method for producing the polymer electrolyte membrane by a process including melt molding, and the productivity and the mechanical properties of the resulting polymer film are excellent. In addition, the thickness of the film can be easily controlled, and the method can be applied to various resins and has a low environmental load.

このような、本発明にかかる膜電極接合体は燃料電池に好適に用いられ、それを備えた燃料電池は、十分なプロトン伝導度を有しながら、低メタノール透過性を備え、かつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制されているので、優れた発電特性を示す。   Such a membrane electrode assembly according to the present invention is suitably used for a fuel cell, and a fuel cell including the membrane electrode assembly has a low proton permeability and a low methanol permeability while having sufficient proton conductivity. Since swelling with respect to a hydrogen-containing liquid or the like is suppressed, excellent power generation characteristics are exhibited.

本発明の膜電極接合体は、高分子電解質膜と電極との間に優れた接着力が生じており、また、高分子電解質膜の物性が劣化することが抑制されておいるので、高性能の膜電極接合体となり、さらに、メタノール遮断性に優れるので、例えば、この膜電極接合体を備える直接メタノール型燃料電池は、特に、高濃度メタノール供給時において高い発電特性を示すことができる。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, an excellent adhesive force is generated between the polymer electrolyte membrane and the electrode, and the physical properties of the polymer electrolyte membrane are suppressed from being deteriorated. In addition, for example, a direct methanol fuel cell including this membrane electrode assembly can exhibit high power generation characteristics particularly when supplying high-concentration methanol.

本発明の実施形態について以下詳しく説明する。   Embodiments of the present invention will be described in detail below.

本願でいう膜電極接合体とは、少なくとも、プロトン伝導性高分子電解質膜、およびその両側に配置された電極を含み、燃料電池の主要な部材として使用可能であるものを含む。ここで電極とは、導電性を有する部材であって、後述する燃料電池用触媒を含む触媒層を兼ねることが好ましい。この場合、プロトン伝導性高分子膜と触媒層とは直接接していることが好ましいが、特性を低下させない限りにおいて、これらの間に何らかの物質および/または層があってもよい。この触媒層は、同じく後述する少なくとも燃料電池用触媒と高分子電解質とを含む触媒層形成材料を用いて形成された層状の構成物とすることが好ましい。それぞれの電極は、たとえば厚みや組成において同一である必要はなく、また適宜変更することができるが、同一であってもよい。また、電極はその構成の一部として、前記触媒層の前記プロトン伝導性高分子電解質膜の反対側に、拡散層が配置されていてもよい。   The membrane electrode assembly as referred to in the present application includes at least a proton conductive polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides thereof, and can be used as a main member of a fuel cell. Here, the electrode is a member having conductivity, and preferably serves also as a catalyst layer containing a fuel cell catalyst described later. In this case, it is preferable that the proton conductive polymer membrane and the catalyst layer are in direct contact with each other, but there may be some substance and / or layer between them as long as the characteristics are not deteriorated. The catalyst layer is preferably a layered structure formed by using a catalyst layer forming material including at least a fuel cell catalyst and a polymer electrolyte, which will be described later. Each electrode does not need to be the same in thickness and composition, for example, and can be appropriately changed, but may be the same. Further, as a part of the configuration of the electrode, a diffusion layer may be disposed on the opposite side of the catalyst layer from the proton conductive polymer electrolyte membrane.

また、プロトン伝導性基としては、含水状態でプロトンを解離するものであれば使用可能であり、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、及びフェノール性水酸基などが例示され、これらを、単独で、あるいは複数で、用いることができる。例示したプロトン伝導性基の中ではスルホン酸基が、高分子へ導入しやすく、また、導入により付与されるプロトン伝導性が大きくなるので、好ましい。   The proton conductive group can be used as long as it dissociates protons in a water-containing state, and examples thereof include a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, and a phenolic hydroxyl group. It can be used in a plurality or a plurality. Among the exemplified proton conductive groups, a sulfonic acid group is preferable because it can be easily introduced into a polymer and the proton conductivity imparted by the introduction is increased.

以下、上記の各構成要素につき分説する。   Hereinafter, each component will be described.

(プロトン伝導性高分子電解質膜)
本願で言うプロトン伝導性高分子電解質膜とは、少なくともプロトン伝導性基を含む高分子電解質をその膜中に含む膜であり、優れたプロトン伝導性および高いメタノール遮断性を両立した膜とするために、異なる材料を組み合わせて構成することがより好ましい。電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射することで、高分子電解質膜中に架橋構造を導入して、さらにメタノール遮断性を向上させても良い。
(Proton conducting polymer electrolyte membrane)
The proton conductive polymer electrolyte membrane referred to in the present application is a membrane containing a polymer electrolyte containing at least a proton conductive group in the membrane, and is a membrane having both excellent proton conductivity and high methanol blocking property. It is more preferable that different materials are combined. By irradiating radiation such as electron beam, γ-ray, ion beam, etc., a cross-linked structure may be introduced into the polymer electrolyte membrane to further improve the methanol barrier property.

(プロトン伝導性基を含む高分子電解質)
プロトン伝導性基を含む高分子電解質としては、フッ素系、及び非フッ素系の炭化水素系高分子電解質に大別されるが、この内、非フッ素系炭化水素系高分子電解質である炭化水素系高分子電解質は、メタノールの耐久に優れており、また、安価であり好ましい。このような炭化水素系電解質は、文字通り、当業者にとって従来公知の炭化水素系電解質であればよく、例えば、芳香族単位を有する高分子化合物に、プロトン伝導性基が導入されてなる炭化水素系電解質が例示できる。
(Polymer electrolytes containing proton conductive groups)
Polymer electrolytes containing proton conductive groups are roughly classified into fluorine-based and non-fluorinated hydrocarbon-based polymer electrolytes. Of these, hydrocarbon-based non-fluorinated hydrocarbon-based polymer electrolytes. A polymer electrolyte is excellent in durability of methanol, and is inexpensive and preferable. Such a hydrocarbon-based electrolyte may literally be a hydrocarbon-based electrolyte that is conventionally known to those skilled in the art. For example, a hydrocarbon-based compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit. An electrolyte can be exemplified.

(芳香族単位を有する高分子化合物)
このような芳香族単位を有する高分子化合物とは、文字通り、当業者にとって従来公知の芳香族単位を有する高分子化合物であればよく、例えば、ポリアリールエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリスルホン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリエーテルスルホン、スチレン−(エチレン−ブチレン)スチレン共重合体、スチレン−(ポリイソブチレン)−スチレン共重合体、ポリ1,4−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、シアン酸エステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体、ポリエチレン−ポリスチレンブロック共重合体、ポリプロピレン−ポリスチレングラフト共重合体、(エチレン−グリシジルメタクリレート)−ポリスチレングラフト共重合体、(エチレン−エチルアクリレート)−ポリスチレングラフト共重合体、ポリプロピレン−(アクリロニトリル−スチレン)グラフト共重合体、ポリカーボネート−ポリスチレングラフト共重合体、ポリカーボネート−(アクリロニトリル−スチレン)グラフト共重合体、酢酸ビニル樹脂−ポリスチレンブロック共重合体、アクリル樹脂−ポリスチレンブロック共重合体、モディパーシリーズ(日本油脂株式会社製、登録商標)、エポフレンドシリーズ(ダイセル化学株式会社製)などが例示される。
(Polymer compound having an aromatic unit)
Such a polymer compound having an aromatic unit is literally a polymer compound having an aromatic unit conventionally known to those skilled in the art. For example, polyaryl ether sulfone, polyether ether sulfone, polyether ketone , Polyether ketone ketone, polysulfone, polyparaphenylene, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyether sulfone , Styrene- (ethylene-butylene) styrene copolymer, styrene- (polyisobutylene) -styrene copolymer, poly 1,4-biphe Rene ether ether sulfone, polyarylene ether sulfone, polyimide, polyether imide, cyanate ester resin, polyether ether ketone, polyethylene-polystyrene graft copolymer, polyethylene-polystyrene block copolymer, polypropylene-polystyrene graft copolymer, (Ethylene-glycidyl methacrylate) -polystyrene graft copolymer, (ethylene-ethyl acrylate) -polystyrene graft copolymer, polypropylene- (acrylonitrile-styrene) graft copolymer, polycarbonate-polystyrene graft copolymer, polycarbonate- (acrylonitrile) -Styrene) graft copolymer, vinyl acetate resin-polystyrene block copolymer, acrylic resin-polystyrene block Click copolymer, Modi Per series (NOF Corporation, registered trademark), etc. Epofriend series (manufactured by Daicel Chemical Co., Ltd.) are exemplified.

特に、化学的安定性および熱的安定性や、プロトン伝導性置換基の導入のし易さ、得られるプロトン伝導性高分子電解質のプロトン伝導性、さらに得られプロトン伝導性高分子電解質膜のメタノール遮断性、などを考慮すると、前記芳香族単位を有する高分子化合物としては、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも1種のポリマー、それらのポリマーを含む共重合体、及びそれらのポリマーの誘導体から選択される1種のポリマー、又はこれらポリマーの混合物であることが好ましい。
(高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入)
さらに、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入することで、プロトン伝導性基を含む高分子電解質をその膜中に形成し、プロトン伝導性高分子電解質膜とすることが、簡便かつ生産性が高いので好ましい。その導入方法としては、公知の方法を使用できるが、高分子フィルムとプロトン伝導性基導入剤とを接触させる方法、特に、高分子フィルムを有機溶媒存在下でプロトン伝導性基導入剤と接触させる方法が、優れたプロトン伝導性及び高いメタノール遮断性を両立する高分子電解質膜が得られることから好ましい。
In particular, chemical stability and thermal stability, ease of introduction of proton-conductive substituents, proton conductivity of the resulting proton-conductive polymer electrolyte, and methanol of the resulting proton-conductive polymer electrolyte membrane In view of blocking properties, the polymer compound having an aromatic unit is composed of polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, and polyphenylene sulfide. It is preferably at least one polymer selected from the group of polymers, copolymers comprising these polymers, and one polymer selected from derivatives of these polymers, or a mixture of these polymers.
(Introducing proton conductive group into polymer film)
Furthermore, by introducing a proton conductive group into the polymer film, a polymer electrolyte containing the proton conductive group is formed in the membrane, and a proton conductive polymer electrolyte membrane is obtained. It is preferable because it is high. As the introduction method, a known method can be used, but a method of bringing a polymer film into contact with a proton conductive group introducing agent, in particular, bringing the polymer film into contact with a proton conductive group introducing agent in the presence of an organic solvent. The method is preferable because a polymer electrolyte membrane having both excellent proton conductivity and high methanol barrier properties can be obtained.

(骨格部分、電解質部分)
具体的には、芳香族単位を有する高分子化合物と、芳香族単位がない高分子化合物と、を含む高分子フィルムに、プロトン伝導性基を導入することでプロトン伝導性基を含む高分子電解質をその膜中に形成し、プロトン伝導性電解質膜を形成することが好ましい。このようなプロトン伝導性電解質膜においては、芳香族単位を有する高分子化合物部分にスルホン酸基などのプロトン伝導性基が導入されて、その部分がプロトン伝導性基を含む高分子電解質となる一方で、芳香族単位がない高分子化合物部分にはプロトン伝導性基が導入されない。従って、このような電解質膜は、全体に亘ってスルホン酸基などの親水性のプロトン伝導性基が導入されている高分子電解質を含むにも関わらず、その骨格部分はプロトン伝導性基が導入されていない部分となるので、水やメタノール水溶液に対して膨潤しにくい構成となり、高いメタノール遮断性を有する電解質膜となる。
(Skeleton part, electrolyte part)
Specifically, a polymer electrolyte containing a proton conductive group by introducing a proton conductive group into a polymer film containing a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound having no aromatic unit Is preferably formed in the membrane to form a proton conductive electrolyte membrane. In such a proton conductive electrolyte membrane, a proton conductive group such as a sulfonic acid group is introduced into a polymer compound portion having an aromatic unit, and the portion becomes a polymer electrolyte containing a proton conductive group. Thus, a proton conductive group is not introduced into a polymer compound portion having no aromatic unit. Therefore, even though such an electrolyte membrane includes a polymer electrolyte into which a hydrophilic proton conductive group such as a sulfonic acid group is introduced throughout, the skeleton portion has a proton conductive group introduced therein. Since the portion is not formed, it is difficult to swell against water or an aqueous methanol solution, resulting in an electrolyte membrane having high methanol barrier properties.

つまり、このようなプロトン伝導性電解質膜は、芳香族単位がない高分子化合物中に芳香族単位を有する高分子化合物が分散されている構造となっていることが好ましく、より好ましくは数μm〜数10μmの芳香族単位を有する高分子化合物の島が、芳香族単位がない高分子化合物の海に分散されてなる海島構造である。この際、芳香族単位を有する高分子化合物が分散あるいは相溶しすぎると、芳香族単位がない高分子化合物の膨潤抑制効果が低下する怖れがあり、逆に芳香族単位を有する高分子化合物の分散状態が著しく悪いと、高分子電解質膜とした場合に、プロトン伝導性が不十分になったり、メタノール遮断性が不十分となったりする怖れがある。   That is, such a proton conductive electrolyte membrane preferably has a structure in which a polymer compound having an aromatic unit is dispersed in a polymer compound having no aromatic unit, and more preferably a few μm to This is a sea-island structure in which islands of a polymer compound having an aromatic unit of several tens of μm are dispersed in the sea of a polymer compound having no aromatic unit. At this time, if the polymer compound having an aromatic unit is too dispersed or compatible, the swelling suppression effect of the polymer compound having no aromatic unit may be reduced, and conversely, the polymer compound having an aromatic unit. If the dispersion state is extremely bad, when the polymer electrolyte membrane is used, there is a fear that the proton conductivity may be insufficient or the methanol blocking property may be insufficient.

(芳香族単位を有しない高分子化合物)
前記芳香族単位を有しない高分子化合物とは、文字通り構造中に芳香族単位を一切有しない化合物のことを意味し、高分子化合物中に芳香族単位が含まれているか否かは、NMR等の公知の方法により容易に確認することができるために、「芳香族単位がない高分子化合物」および「芳香族単位を有する高分子化合物」を当業者は容易に理解し得る。
(Polymer compound without aromatic units)
The polymer compound having no aromatic unit literally means a compound having no aromatic unit in the structure, and whether or not the polymer compound contains an aromatic unit is determined by NMR or the like. Therefore, those skilled in the art can easily understand “a polymer compound having no aromatic unit” and “a polymer compound having an aromatic unit”.

かかる芳香族単位がない高分子化合物としては、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、3−メチル−1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、5−メチル−1−ヘプテンなどのα−オレフィンの単独重合体またはこれらの共重合体などを含むポリオレフィン樹脂、ノルボルネン系樹脂などの環状ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体;塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニル−オレフィン共重合体などを含む塩化ビニル系樹脂、ナイロン6、ナイロン66などを含むポリアミド樹脂、および、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−エキサフルオロプロピレン共重合体;テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルフルオライドなどのフッ素系樹脂などが例示される。   Examples of the polymer compound having no aromatic unit include ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 3-methyl-1-butene, 4-methyl-1-pentene, and 5-methyl- Α-olefin homopolymers such as 1-heptene or polyolefin resins containing these copolymers, cyclic polyolefins such as norbornene resins, polyvinyl chloride, vinyl chloride-vinyl acetate copolymers; vinyl chloride-vinylidene chloride Copolymers, vinyl chloride resins including vinyl chloride-olefin copolymers, polyamide resins including nylon 6, nylon 66, and the like, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymers, tetra Fluoroethylene-exafluoropropylene copolymer ; Tetrafluoroethylene - ethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and fluorine-based resins such as polyvinyl fluoride and the like.

前記芳香族単位がない高分子化合物は、他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性、高分子フィルムを製造する際の加工性や得られる高分子フィルムのハンドリング性、さらにはそれから得られる電解質膜のメタノール遮断性、化学的安定性、および熱的安定性などを考慮すると、下記一般式(1)の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される1種のポリマー、またはこれらの混合物であることが特に好ましい。   The polymer compound having no aromatic unit is compatible or dispersible with other polymer compound components, processability when producing a polymer film, handling property of the resulting polymer film, and electrolyte obtained therefrom In view of the methanol barrier property, chemical stability, thermal stability, etc. of the membrane, it is one polymer selected from a polymer compound having a repeating unit of the following general formula (1), or a mixture thereof. It is particularly preferred.

Figure 0005319061
(一般式1中、X14は、H、CH3、Cl、F、OCOCH3、CN、COOH、COOCH3、及びOC49、からなる群から選択されるいずれかであって、X14は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
さらに、工業的入手の容易さや、得られる高分子フィルムの機械的特性やハンドリング性、得られる電解質膜のプロトン伝導性やメタノール遮断性、化学的安定性などを考慮すると、前記芳香族単位がない高分子化合物は、ポリエチレンおよび/またはポリプロピレンおよび/またはポリメチルペンテンを含むことが好ましい。また高分子フィルムの製造に通常用いられる、各種添加剤、例えば相溶性向上のための相溶化剤、樹脂劣化防止のための酸化防止剤、フィルムとしての成型加工における取り扱いを向上するための帯電防止剤や滑剤などは、電解質膜への加工性や性能に影響を及さない限りにおいて、適宜用いられ得る。特に異なる材料を組み合わせて高分子樹脂フィルムを製造する場合には、互いの相溶性を上げるために相溶化剤を用いることが好ましい。
Figure 0005319061
(In General Formula 1, X 1 to 4 are any one selected from the group consisting of H, CH 3 , Cl, F, OCOCH 3 , CN, COOH, COOCH 3 , and OC 4 H 9 , X 1 to 4 may be the same as or different from each other.)
Furthermore, in view of industrial availability, mechanical properties and handling properties of the resulting polymer film, proton conductivity, methanol blocking property, chemical stability, etc. of the obtained electrolyte membrane, there is no such aromatic unit. The polymer compound preferably contains polyethylene and / or polypropylene and / or polymethylpentene. Various additives commonly used in the production of polymer films, such as compatibilizers for improving compatibility, antioxidants for preventing resin deterioration, and antistatics for improving handling in film processing Agents, lubricants and the like can be appropriately used as long as they do not affect the processability and performance of the electrolyte membrane. In particular, when a polymer resin film is produced by combining different materials, it is preferable to use a compatibilizing agent in order to increase the compatibility.

(燃料電池用触媒)
前記触媒層に含まれる触媒としては、燃料電池の電極反応に活性なものが好ましく、その場合に必要な機能としては、カソード側では酸化剤(酸素や空気など)の還元能、アノード側では、燃料(メタノールや水素など)の酸化能であり、具体的には、カーボンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどの高表面積の導電性材料に、白金などの貴金属触媒が担持されたもの、あるいは白金ブラックなどの貴金属触媒そのものが使用される。また、カソード側触媒は、還元能の向上、触媒金属の安定化、あるいは長寿命化のために白金と鉄、錫、希土類元素等の金属などからなる複合あるいは合金触媒とすることもできる。さらに、アノード側触媒は、燃料酸化時の副生成物である一酸化炭素、アルデヒド類、カルボン酸類などによる触媒被毒を抑制するため、白金の代わりに、白金とルテニウムなどからなる複合あるいは合金触媒、あるいは、安定化や長寿命化のために、鉄、錫、希土類元素等を含めた多元系触媒とすることもできる。
(Catalyst for fuel cell)
The catalyst contained in the catalyst layer is preferably one that is active in the electrode reaction of the fuel cell. In this case, the necessary functions include the ability to reduce oxidants (such as oxygen and air) on the cathode side, It is the ability to oxidize fuel (methanol, hydrogen, etc.). Specifically, a high surface area conductive material such as carbon black, ketjen black, activated carbon, carbon nanohorn, or carbon nanotube carries a noble metal catalyst such as platinum. Or a noble metal catalyst such as platinum black is used. Further, the cathode side catalyst may be a composite or alloy catalyst made of platinum and iron, tin, rare earth elements, or the like in order to improve the reducing ability, stabilize the catalytic metal, or extend the life. Furthermore, the anode side catalyst is a composite or alloy catalyst made of platinum and ruthenium instead of platinum in order to suppress catalyst poisoning by carbon monoxide, aldehydes, carboxylic acids, etc., which are by-products during fuel oxidation. Alternatively, a multi-component catalyst containing iron, tin, rare earth elements, etc. may be used for stabilization and long life.

(高分子フィルムの製法)
上述した高分子フィルムの製造方法としては、公知の方法が適宜使用され得るが、例えば、インフレーション法、Tダイ法などの溶融押出成形、カレンダー法、キャスト法、切削法、エマルション法、ホットプレス法、などが例示される。これらの方法の中でも、生産性や、得られる高分子フィルムの機械的特性、フィルムの厚み制御のし易さ、種々の樹脂への適用性、環境への負荷などを考慮すると、溶融押出成形が好ましい。
(Manufacturing method of polymer film)
As a method for producing the above-described polymer film, known methods can be used as appropriate. For example, inflation method, melt extrusion molding such as T-die method, calendar method, cast method, cutting method, emulsion method, hot press method , Etc. are exemplified. Among these methods, in view of productivity, mechanical properties of the resulting polymer film, ease of film thickness control, applicability to various resins, environmental load, etc., melt extrusion molding is preferable.

また、高分子フィルムに対して、延伸などの処理を施すことで分子配向を制御したり、熱処理を施すことで結晶化度を制御したりしてもよい。また、高分子フィルムに各種フィラーを添加したり、高分子フィルムとガラス不織布などの補強剤とをプレスにより複合化させたりすることで、機械的強度を向上させてもよい。   Further, the molecular orientation may be controlled by subjecting the polymer film to a treatment such as stretching, or the crystallinity may be controlled by performing a heat treatment. Further, the mechanical strength may be improved by adding various fillers to the polymer film, or by combining the polymer film and a reinforcing agent such as a glass nonwoven fabric by pressing.

具体的には、高分子フィルムの材料を、Tダイがセットされた押出機に投入し、溶融混練しながらフィルム化を行なう方法が適用され得る。さらに、芳香族単位を有しない高分子化合物のペレットやパウダーを所定の配合比で予め混合し、同様に溶融混練しながらフィルム化を行う方法が適用できる。このとき、使用する押出機が二軸押出機であれば、これらの成分を溶融して均一に分散させた高分子フィルムを得ることができる。また、予め所定の配合比になるように二軸押出機で溶融混練したペレットを使用してフィルム化を実施しても構わないし、マスターバッチ化したペレットを使用して、所定の配合比になるように溶融混練しながらフィルム化しても構わない。また、組み合わせる成分の分散性に問題がない場合には、Tダイをセットした単軸押出機でフィルム化を実施しても構わない。   Specifically, a method in which a polymer film material is put into an extruder in which a T-die is set, and film formation is performed while melt-kneading can be applied. Furthermore, it is possible to apply a method in which pellets and powders of a polymer compound not having an aromatic unit are preliminarily mixed at a predetermined blending ratio and formed into a film while being similarly melt-kneaded. At this time, if the extruder used is a twin screw extruder, a polymer film in which these components are melted and uniformly dispersed can be obtained. Further, the film may be formed using pellets melt-kneaded with a twin-screw extruder so as to have a predetermined blending ratio in advance, or a masterbatch pellet is used to obtain a predetermined blending ratio. Thus, the film may be formed while melt-kneading. Moreover, when there is no problem in the dispersibility of the components to be combined, the film may be formed with a single screw extruder in which a T die is set.

(高分子フィルムの厚み)
製造される高分子フィルムの厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、高分子フィルムから得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、高分子フィルムの厚みは薄い程よい。一方、得られた高分子電解質膜のメタノール遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子フィルムの厚みは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子フィルムの厚みは、1.2μm以上350μm以下であることが好ましい。前記高分子フィルムの厚さが前記数値の範囲内であれば、フィルム化が容易であり、かつプロトン伝導性基を導入する際の加工時や乾燥時にもシワが発生しにくい。また、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。また、得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。
(Thickness of polymer film)
Arbitrary thickness can be selected as thickness of the polymer film manufactured according to a use. For example, in consideration of reducing the internal resistance of the polymer electrolyte membrane obtained from the polymer film, the thinner the polymer film, the better. On the other hand, in consideration of methanol barrier properties and handling properties of the obtained polymer electrolyte membrane, it may be undesirable if the thickness of the polymer film is too thin. Considering these, the thickness of the polymer film is preferably 1.2 μm or more and 350 μm or less. If the thickness of the polymer film is within the above range, it is easy to form a film, and wrinkles are less likely to occur during processing when a proton conductive group is introduced or during drying. In addition, handling is improved such that damage is unlikely to occur. In addition, the proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane can be expressed within a desired range.

(プロトン伝導性)
プロトン伝導性高分子電解質膜に含まれる高分子電解質の前記プロトン伝導性基の含有に由来するイオン交換容量は、好ましくは0.3ミリ当量/g以上であり、より好ましくは0.5ミリ当量/g以上である。前記イオン交換容量が0.3ミリ当量/g以上であれば、この高分子電解質を含む高分子電解質膜は好ましいプロトン伝導性を発現し易くなる。
(Proton conductivity)
The ion exchange capacity derived from the inclusion of the proton conductive group of the polymer electrolyte contained in the proton conductive polymer electrolyte membrane is preferably 0.3 meq / g or more, more preferably 0.5 meq. / G or more. When the ion exchange capacity is 0.3 meq / g or more, the polymer electrolyte membrane containing the polymer electrolyte is likely to exhibit preferable proton conductivity.

(プロトン伝導性基導入剤)
プロトン伝導性基の導入に用いられるプロトン伝導性基導入剤としては、スルホン化剤が好ましく利用され得る。有機溶媒存在下で高分子フィルムとプロトン伝導性基導入剤とを接触させることで、プロトン伝導性基導入剤が高分子フィルムと直接接触し過度の反応が生じてフィルムが劣化するのを抑制しつつ、所望量のスルホン酸基を導入することが可能となる。
(Proton conducting group introduction agent)
As the proton conductive group introducing agent used for introducing the proton conductive group, a sulfonating agent can be preferably used. By bringing the polymer film and the proton conductive group introducing agent into contact with each other in the presence of an organic solvent, the proton conductive group introducing agent is brought into direct contact with the polymer film, thereby preventing an excessive reaction from occurring and deteriorating the film. However, it becomes possible to introduce a desired amount of sulfonic acid groups.

このようなスルホン化剤としては、例えば、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、三酸化硫黄−トリエチルフォスフェート、濃硫酸、トリメチルシリルクロロサルフェート等の公知のスルホン化剤を用いることができるが、工業的入手の容易さやスルホン酸基の導入の容易さや得られる高分子電解質膜の特性を考慮すると、クロロスルホン酸単体またはクロロスルホン酸を含む混合物を用いることが好ましい。つまり、スルホン化剤がクロロスルホン酸であると、プロトン伝導性基であるスルホン酸基が導入しやすく、高いプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を得やすくなる。   Examples of the sulfonating agent include known sulfonating agents such as chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, sulfur trioxide-triethyl phosphate, concentrated sulfuric acid, and trimethylsilyl chlorosulfate. In consideration of industrial availability, ease of introduction of sulfonic acid groups, and characteristics of the obtained polymer electrolyte membrane, it is preferable to use chlorosulfonic acid alone or a mixture containing chlorosulfonic acid. That is, when the sulfonating agent is chlorosulfonic acid, a sulfonic acid group that is a proton conductive group is easily introduced, and a polymer electrolyte membrane having high proton conductivity can be easily obtained.

(有機溶媒)
前述した高分子フィルムをプロトン伝導性基導入剤と接触する際に用いる有機溶媒としては、例えば、プロトン伝導性基導入剤であるスルホン化剤を分解することなく、芳香族単位へのスルホン酸基導入を阻害せずに、高分子フィルム中の熱可塑性高分子や酸化防止剤の分解などの劣化を引き起こさないようなものであれば使用可能である。有機溶媒を使用することによって、高分子フィルムが膨潤しやすくなり、フィルム内部までプロトン伝導性基導入剤を拡散させることができる。
(Organic solvent)
Examples of the organic solvent used when the polymer film is brought into contact with the proton conductive group introducing agent include, for example, a sulfonic acid group to the aromatic unit without decomposing the sulfonating agent that is the proton conductive group introducing agent. Any material may be used as long as it does not inhibit the introduction and does not cause degradation such as decomposition of the thermoplastic polymer or the antioxidant in the polymer film. By using an organic solvent, the polymer film can easily swell, and the proton conductive group introducing agent can be diffused into the film.

プロトン伝導性基導入剤としてスルホン化剤を用いる場合には、スルホン酸基の導入のしやすさや良好な特性の高分子電解質膜が得られることから、前記有機溶媒としてハロゲン化炭化水素を用いることが好ましく、例えば、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、クロロフォルム、1−クロロプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1,4−ジクロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−クロロヘキサン、クロロシクロヘキサンなどを挙げることができる。特に、工業的な入手の容易さやスルホン酸基の導入のしやすさ、得られる電解質膜の特性を考慮すると、これらのハロゲン化炭化水素の中でも、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン及び1−クロロブタンからなる群から選択される少なくとも1種を含む有機溶媒であることが好ましい。その中でも、ジクロロメタンまたは1−クロロブタンが、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性及びメタノール遮断性が両立できるので特に好ましい。   When a sulfonating agent is used as the proton conductive group introducing agent, it is easy to introduce a sulfonic acid group and a polymer electrolyte membrane having good characteristics can be obtained. Therefore, a halogenated hydrocarbon should be used as the organic solvent. For example, dichloromethane, 1,2-dichloroethane, chloroform, 1-chloropropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1,4-dichlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-chloropentane, 1- Examples include chlorohexane and chlorocyclohexane. In particular, in view of industrial availability, ease of introduction of sulfonic acid groups, and characteristics of the obtained electrolyte membrane, among these halogenated hydrocarbons, from dichloromethane, 1,2-dichloroethane and 1-chlorobutane An organic solvent containing at least one selected from the group consisting of Among them, dichloromethane or 1-chlorobutane is particularly preferable because the proton conductivity and the methanol blocking property of the obtained polymer electrolyte membrane can be compatible.

(スルホン化剤量)
このようなスルホン化剤の使用量としては、高分子フィルムに対して、0.1倍量以上100倍量以下(重量比)、さらには0.5重量以上50倍量以下(重量比)であることが好まし、良好な特性の高分子電解質膜が作成できる。すなわち、スルホン酸基を好適な範囲で導入できるので、充分なプロトン伝導性、親水性を高分子電解質膜に付与しつつ、高分子フィルムそのものが化学的に劣化することを防止できので、メタノール遮断性を維持しつつ、機械的強度の低下が防止されハンドリングが容易な、実用的な特性を有する高分子電解質膜を作成できる。
(Sulfonating agent amount)
The amount of the sulfonating agent used is 0.1 to 100 times (weight ratio), more preferably 0.5 to 50 times (weight ratio) with respect to the polymer film. It is preferable that a polymer electrolyte membrane with good characteristics can be produced. In other words, since sulfonic acid groups can be introduced in a suitable range, it is possible to prevent the polymer film itself from being chemically deteriorated while imparting sufficient proton conductivity and hydrophilicity to the polymer electrolyte membrane. It is possible to produce a polymer electrolyte membrane having practical characteristics that is easy to handle while maintaining mechanical properties while preventing a decrease in mechanical strength.

また、有機溶媒中のスルホン化剤の濃度は、スルホン酸基の目標とする導入量や温度や時間等の反応条件を勘案して適宜設定すればよい。具体的には、スルホン化剤と高分子フィルム中の芳香族単位とが接触しやすく、所望のスルホン酸基量を導入できることから0.05重量%以上20重量%以下であることが好ましく、また、導入に要する時間を短時間にし、スルホン酸基を高分子フィルム全体に亘って均一に導入でき、かつ、得られる高分子電解質膜の機械的を確保することができるので、より好ましい範囲は、0.2重量%以上10重量%以下である。   Further, the concentration of the sulfonating agent in the organic solvent may be appropriately set in consideration of the target introduction amount of the sulfonic acid group, reaction conditions such as temperature and time. Specifically, it is preferably 0.05% by weight or more and 20% by weight or less because the sulfonating agent is easily brought into contact with the aromatic unit in the polymer film and a desired amount of sulfonic acid group can be introduced. The time required for introduction is shortened, the sulfonic acid group can be introduced uniformly throughout the polymer film, and the mechanical properties of the resulting polymer electrolyte membrane can be ensured. It is 0.2 weight% or more and 10 weight% or less.

(スルホン化温度・時間)
高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応温度は、0℃以上100℃以下が好ましく、10℃以上30℃以下がさらに好ましい。反応温度が、0℃以上であれば、設備上冷却等の措置が必要でなく、反応に必要以上の時間がかかることを防止できる。また100℃以下であれば、反応を適切に調節することができ、副反応の発生を防止でき、膜の特性を低下させる問題を回避できる。さらに、高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応温度は、使用する有機溶媒の沸点以下であることが、耐圧容器を用いる必要がないために好ましい。
(Sulfonation temperature / time)
The reaction temperature for bringing the polymer film into contact with the sulfonating agent is preferably 0 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or higher and 30 ° C. or lower. If reaction temperature is 0 degreeC or more, measures, such as cooling on an installation, are unnecessary and it can prevent taking time more than necessary for reaction. Moreover, if it is 100 degrees C or less, reaction can be adjusted appropriately, generation | occurrence | production of a side reaction can be prevented and the problem of reducing the characteristic of a film | membrane can be avoided. Furthermore, the reaction temperature when the polymer film and the sulfonating agent are brought into contact with each other is preferably equal to or lower than the boiling point of the organic solvent to be used because it is not necessary to use a pressure resistant container.

また、高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応時間としては、その下限として0.5時間以上が好ましく、2時間以上がさらに好ましく、上限として100時間以下が好ましい。反応時間を0.5時間以上とすると、スルホン化剤と高分子フィルム中の芳香族単位とが充分に接触するので、所望量のスルホン酸基を導入することができ、また、反応時間を100時間以下とすることで、生産性を損なうことなく、良好な特性の高分子電解質膜を作製することができる。なお実際には、使用するスルホン化剤や有機溶媒などの反応雰囲気、目標とする生産量などを考慮して、所望の特性を有する高分子電解質膜を効率的に製造することができ反応条件を適宜設定すればよい。   Moreover, as a reaction time at the time of making a polymer film and a sulfonating agent contact, 0.5 hour or more is preferable as the minimum, 2 hours or more is more preferable, and 100 hours or less is preferable as an upper limit. When the reaction time is 0.5 hours or longer, the sulfonating agent and the aromatic unit in the polymer film are in sufficient contact, so that a desired amount of sulfonic acid groups can be introduced, and the reaction time is 100 By setting the time to less than or equal to the time, a polymer electrolyte membrane with good characteristics can be produced without impairing productivity. Actually, in consideration of the reaction atmosphere of the sulfonating agent and organic solvent to be used, the target production amount, etc., a polymer electrolyte membrane having desired characteristics can be efficiently produced, and the reaction conditions are set. What is necessary is just to set suitably.

(触媒層形成材料)
前述した触媒層形成材料は、少なくとも前記高分子電解質と前記燃料電池用触媒とを含む混合物であり、また、これら相互の分散状態を向上させるために分散剤が、さらに、最終的に燃料電池の性能を向上させるために、撥水剤が、含まれていてもよい。その形態は、特に限定されず、固体の混合物、あるいは混合分散液であってもよいし混合溶液であってもよい。とくに、混合分散液あるいは混合溶液の場合は、取り扱いが容易であることから好ましい。このような触媒層形成材料である混合分散液あるいは混合溶液中の高分子電解質の濃度としては、触媒層形成材料としての取り扱いが容易であることから、1wt%以上、90wt%以下であることが好ましく、より好ましくは1wt%以上、75wt%以下、特に好ましくは1wt%以上、50wt%以下である。1wt%未満では、触媒層形成材料の粘度が小さくなるので、触媒層自体の形成が困難であり、90wt%より大きい場合では、触媒層形成材料の粘度が大きくなるので、触媒層を均一にの形成することが困難になるである傾向がある。
(Catalyst layer forming material)
The catalyst layer-forming material described above is a mixture containing at least the polymer electrolyte and the fuel cell catalyst, and a dispersant is added to improve the mutual dispersion state. In order to improve performance, a water repellent may be included. The form is not particularly limited, and may be a solid mixture, a mixed dispersion, or a mixed solution. In particular, a mixed dispersion or mixed solution is preferable because it is easy to handle. The concentration of the polymer electrolyte in the mixed dispersion or mixed solution that is such a catalyst layer forming material is 1 wt% or more and 90 wt% or less because it is easy to handle as the catalyst layer forming material. More preferably, it is 1 wt% or more and 75 wt% or less, and particularly preferably 1 wt% or more and 50 wt% or less. If the amount is less than 1 wt%, the viscosity of the catalyst layer forming material is small, so that it is difficult to form the catalyst layer itself. If the amount is more than 90 wt%, the viscosity of the catalyst layer forming material is large, so that the catalyst layer is uniformly formed. Tend to be difficult to form.

混合分散液あるいは混合溶液とするために用いる溶媒としては、特に限定されないが、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1−メチル−2−ピロリドン、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、クロロホルム、塩化メチレン、1,2−ジクロロエタン、シクロヘキサン、ヘキサン、あるいはエーテルが好ましい。   The solvent used for preparing the mixed dispersion or mixed solution is not particularly limited, but methanol, ethanol, isopropyl alcohol, dimethylformamide, dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, tetrahydrofuran, Dimethyl sulfoxide, chloroform, methylene chloride, 1,2-dichloroethane, cyclohexane, hexane, or ether are preferred.

触媒層形成材料に混合させる高分子電解質の前述したプロトン伝導性置換基の含有に由来するイオン交換容量は好ましくは0.1ミリ当量/g以上であり、より好ましくは0.3ミリ当量/g以上である。イオン交換容量が0.1ミリ当量/gよりも低い場合には、所望のプロトン伝導度を形成した触媒層が発現しない傾向がある。   The ion exchange capacity derived from the aforementioned proton-conducting substituent contained in the polymer electrolyte to be mixed with the catalyst layer forming material is preferably 0.1 meq / g or more, more preferably 0.3 meq / g. That's it. When the ion exchange capacity is lower than 0.1 meq / g, the catalyst layer having a desired proton conductivity tends not to be developed.

このような触媒層形成材料に混合させる高分子電解質の混合前の形態としては、前述した触媒層形成材料を混合分散液あるいは混合溶液とするために用いられる溶媒に溶解あるいは分散させ高分子電解質溶液あるいは高分子電解質分散液としておくことが取り扱いが容易であるので好ましい。   As a form before mixing of the polymer electrolyte to be mixed with such a catalyst layer forming material, a polymer electrolyte solution is prepared by dissolving or dispersing the above-described catalyst layer forming material in a solvent used to form a mixed dispersion or mixed solution. Alternatively, a polymer electrolyte dispersion is preferable because it is easy to handle.

前記分散剤としては、、C1−6アルコール、グリセリン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチルカーボネート、エチレンカルバメート、プロピレンカルバメート、ブチレンカルバメート、アセトン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、1−メチル−2−ピロリドン、ジフルオロベンゼン、スルホラン、あるいは界面活性剤を用いることができる。   Examples of the dispersant include C1-6 alcohol, glycerin, ethylene carbonate, propylene carbonate, butyl carbonate, ethylene carbamate, propylene carbamate, butylene carbamate, acetone, acetonitrile, dimethylformamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, difluorobenzene, Sulfolane or a surfactant can be used.

前記撥水剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、あるいはポリフルオロエチレンとポリフルオロプロピレンとの共重合体などを用いることができる。   As the water repellent, polytetrafluoroethylene, a copolymer of polyfluoroethylene and polyfluoropropylene, or the like can be used.

前記触媒層形成材料の製造方法は、特に限定されないが、上述した各材料を、スターラー等を用いて混合する方法、ボールミル等で混合する方法、回転子を用いて混合する方法、超高圧で噴射することによって混合する方法、あるいはホモジナイザーを用いて混合する方法などいずれかを1つ以上の方法を用いることができる。   The method for producing the catalyst layer forming material is not particularly limited, but the above-described materials are mixed using a stirrer or the like, mixed using a ball mill or the like, mixed using a rotor, or injected at ultra high pressure. One or more methods can be used, such as a method of mixing by doing this, or a method of mixing using a homogenizer.

(触媒層形成方法)
触媒層の製造方法としては、前記触媒層形成材料をドクターブレードやロールコーター、スクリーン印刷、スプレーなどでポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルム等の剥離フィルムあるいは前記拡散層上に堆積させ、乾燥して溶媒と水を除去する方法が用いられる。形成した触媒層のひび割れを防ぐため、塗布、溶媒の除去作業は数回に繰り返して行うことが有効である場合がある。
(Catalyst layer formation method)
As a method for producing a catalyst layer, the catalyst layer forming material is deposited on a release film such as a polytetrafluoroethylene (PTFE) film or the diffusion layer by a doctor blade, a roll coater, screen printing, spraying, or the like, and dried. A method of removing the solvent and water is used. In order to prevent cracking of the formed catalyst layer, it may be effective to repeat the coating and solvent removal operations several times.

(拡散層)
このような拡散層としては、導電性を有するカーボン繊維の不織布であるカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス等を用いることができ、燃料あるいは酸化剤の拡散性を制御するために、その表面に撥水剤を備えていることが好ましく、カーボンと撥水剤とを含む粒子層を備えていることがさらに好ましい。
(Diffusion layer)
As such a diffusion layer, carbon paper, carbon felt, carbon cloth or the like, which is a non-woven fabric of conductive carbon fiber, can be used, and its surface is repelled in order to control the diffusibility of fuel or oxidant. A liquid agent is preferably provided, and a particle layer containing carbon and a water repellent is more preferably provided.

(膜電極接合体製造方法)
膜電極接合体の製造方法としては、たとえば、触媒層が形成された剥離フィルムを高分子電解質膜の両面に配置し、ホットプレス機やロールプレス機などのプレス機を使用して加熱圧接したのちに剥離フィルムを取り除き、前記触媒層上に拡散層を配置させる方法、あるいは、触媒層が形成された拡散層をプロトン伝導性高分子膜の両面に配置し、ホットプレス機やロールプレス機などのプレス機を使用して加熱圧接する方法が好ましい。
(Membrane / electrode assembly manufacturing method)
As a method for producing a membrane / electrode assembly, for example, a release film on which a catalyst layer is formed is disposed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane, and then heated and pressed using a press machine such as a hot press machine or a roll press machine. Or removing the release film and disposing a diffusion layer on the catalyst layer, or disposing the diffusion layer on which the catalyst layer is formed on both sides of the proton conductive polymer membrane, such as a hot press machine or a roll press machine. A method of heat-pressing using a press is preferred.

前記加熱圧接時の温度は、使用する高分子電解質膜や触媒層に含まれる高分子電解質の種類に応じて設定される。すなわち、前記加熱圧接温度としては、前記高分子電解質膜に実質的に含まれる高分子化合物の各軟化点のうち最も低い温度を最低軟化点としたときに、例えば、芳香族単位を有する、および芳香族単位がない高分子化合物からなる高分子電解質膜の場合には夫々の軟化点の内の最低軟化点に対して、最低軟化点−30℃以上、最低軟化点+10℃以下とすることが好ましい。加熱温度が最低軟化点−30℃未満の場合では、前記膜と前記電極、例えば触媒層との間に十分な接着力がえられず、界面抵抗が増加する恐れがある。また、加熱温度が最低軟化点+10℃より高い場合では、前記膜が劣化するので好ましくない。   The temperature at the time of heating and pressing is set according to the type of polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or catalyst layer to be used. That is, as the heating and pressing temperature, when the lowest temperature among the softening points of the polymer compound substantially contained in the polymer electrolyte membrane is the lowest softening point, for example, it has an aromatic unit, and In the case of a polymer electrolyte membrane made of a polymer compound having no aromatic unit, the minimum softening point of each softening point may be −30 ° C. or higher and the lowest softening point + 10 ° C. or lower. preferable. When the heating temperature is lower than the minimum softening point of −30 ° C., sufficient adhesion cannot be obtained between the film and the electrode, for example, the catalyst layer, and the interface resistance may increase. Further, when the heating temperature is higher than the minimum softening point + 10 ° C., the film deteriorates, which is not preferable.

前記加熱圧接の圧力としては、その最高圧力が0.1MPa以上20MPa以下とすることが、高分子電解質膜と触媒層とが十分に接着するとともに、材料の特に大きな変形による特性低下が起こらないため、好ましい。最高圧力が、この範囲より大きい場合、触媒層が崩壊し、有効に機能しない恐れがあり、この範囲より小さい場合、十分な接着力がえられず、界面抵抗が増加する恐れがある。   As the pressure of the heating and pressing, when the maximum pressure is 0.1 MPa or more and 20 MPa or less, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are sufficiently adhered, and the characteristic deterioration due to particularly large deformation of the material does not occur. ,preferable. If the maximum pressure is higher than this range, the catalyst layer may collapse and may not function effectively. If the maximum pressure is lower than this range, sufficient adhesion may not be obtained, and interface resistance may increase.

(軟化点測定法)
なお、上述した前記高分子電解質膜を構成する各高分子化合物の軟化点は、一般的な熱分析から測定することができ、たとえば、動的粘弾性の貯蔵弾性率、および損失弾性率の変曲点、あるいは動的粘弾性の損失正接の極大値から求めることができる。
(Softening point measurement method)
The softening point of each polymer compound constituting the polymer electrolyte membrane can be measured from a general thermal analysis. For example, the storage elastic modulus of dynamic viscoelasticity and the change in loss elastic modulus can be measured. It can be obtained from the maximum value of the loss tangent of the inflection point or dynamic viscoelasticity.

(燃料電池)
このようにして作製した前記膜電極接合体を、燃料を送り込むための流路が形成されたセパレーターなどの部材と、酸化剤を送り込むための流路が形成されたセパレーターなどの部材と、の2個一対の部材の間に挿入することにより燃料電池を形成することができる。前記セパレーターとしては、特に限定されず、例えばカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。なお、ステンレス鋼などの金属製材料をセパレーターとして使用する場合には、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。そして、燃料を供給した側の電極がアノード側電極として機能し、その燃料としては、例えば、液体のメタノールなどを用いることができ、酸化剤を供給した側の電極がカソード側電極として機能し、その酸化剤としては、酸素あるいは空気などを用いることができる。前記カソード側に供給される酸化剤としては、水で加湿されていても良いが、カソードのフラッディング現象を抑制できることから無加湿の酸化剤を用いることが好ましい。
(Fuel cell)
The membrane electrode assembly thus produced is divided into two members, such as a separator in which a flow path for feeding fuel is formed and a member such as a separator in which a flow path for feeding oxidant is formed. A fuel cell can be formed by inserting between a pair of members. The separator is not particularly limited, and for example, a conductive material such as carbon graphite or stainless steel can be used. In addition, when using metal materials, such as stainless steel, as a separator, it is preferable to perform the corrosion resistance process. Then, the electrode on the side supplied with the fuel functions as an anode side electrode, and as the fuel, for example, liquid methanol or the like can be used, and the electrode on the side supplied with the oxidant functions as a cathode side electrode, As the oxidizing agent, oxygen or air can be used. The oxidant supplied to the cathode may be humidified with water, but it is preferable to use a non-humidified oxidant because the flooding phenomenon of the cathode can be suppressed.

メタノールなどの液体燃料を供給する量は、特に限定されないが、定常運転時における電極反応に必要な量であることが好ましい。たとえば、0.5A/cm2の電流密度を流す場合では、単位電極面積あたり、2.5×10-4mol/minのメタノール量を供給することが好ましい。さらに、たとえば、定常運転時に電流密度を1.0A/cm2に増大させる場合は、単位電極面積あたり、5.0×10-4mol/minのメタノール量を供給することが好ましく、電流密度の増大に伴って、メタノール供給量を増加させることが好ましい。燃料の供給は、常に電極に供給しても、燃料が不足したときに、所定の定常運転の時間に応じた量だけ供給してもよい。 The amount of liquid fuel such as methanol to be supplied is not particularly limited, but is preferably an amount necessary for the electrode reaction during steady operation. For example, when a current density of 0.5 A / cm 2 is passed, it is preferable to supply a methanol amount of 2.5 × 10 −4 mol / min per unit electrode area. Furthermore, for example, when increasing the current density to 1.0 A / cm 2 during steady operation, it is preferable to supply a methanol amount of 5.0 × 10 −4 mol / min per unit electrode area. It is preferable to increase the amount of methanol supplied with the increase. The fuel may be always supplied to the electrode, or when the fuel is insufficient, the fuel may be supplied in an amount corresponding to a predetermined steady operation time.

酸素などの気体の酸化剤を供給する量は、特に限定されないが、定常運転時における電極反応に必要な量であることが好ましい。たとえば、0.5A/cm2の電流密度を流す場合では、単位電極面積あたり、3.8×10-4mol/minの酸素量を供給することが好ましい。たとえば、定常運転時に電流密度を1.0A/cm2に増大させる場合は、単位電極面積あたり、7.6×10-4mol/minの酸素量を供給することが好ましく、電流密度の増大に伴って、酸素供給量を増加させることが好ましい。 The amount of the gaseous oxidant such as oxygen supplied is not particularly limited, but is preferably an amount necessary for the electrode reaction during steady operation. For example, when a current density of 0.5 A / cm 2 is passed, it is preferable to supply an oxygen amount of 3.8 × 10 −4 mol / min per unit electrode area. For example, when increasing the current density to 1.0 A / cm 2 during steady operation, it is preferable to supply an oxygen amount of 7.6 × 10 −4 mol / min per unit electrode area. Accordingly, it is preferable to increase the oxygen supply amount.

空気を供給する量は、特に限定されないが、定常運転時における電極反応に必要な量が好ましい。たとえば、0.5A/cm2の電流密度がながれた場合では、単位電極面積あたり、空気に含まれる酸素量3.8×10-4mol/minを供給することが好ましい。さらに、たとえば、定常運転時に電流密度が1.0A/cm2の電流密度に増大させる場合は、単位電極面積あたり、空気に含まれる酸素量を7.6×10-4mol/minにすることが好ましく、電流密度の増大に伴って、空気供給量を増加させることが好ましい。 The amount of air to be supplied is not particularly limited, but the amount necessary for the electrode reaction during steady operation is preferable. For example, when a current density of 0.5 A / cm 2 is achieved, it is preferable to supply an oxygen amount of 3.8 × 10 −4 mol / min per unit electrode area. Furthermore, for example, when the current density is increased to 1.0 A / cm 2 during steady operation, the amount of oxygen contained in the air per unit electrode area should be 7.6 × 10 −4 mol / min. It is preferable to increase the air supply amount as the current density increases.

酸化剤の供給は、常に電極に供給しても、酸化剤が不足したときに、所定の定常運転の時間に応じた量だけ供給してもよい。   The supply of the oxidizing agent may be always supplied to the electrode, or when the oxidizing agent is insufficient, it may be supplied in an amount corresponding to a predetermined steady operation time.

供給する燃料および酸化剤の温度は、特に限定されないが、0℃以上、前記膜電極接合体に用いられている高分子電解質の分解温度未満であることが好ましい。0℃未満の場合は燃料および酸化剤に含まれる水が凍結すること、および/または前記膜電極接合体が凍結することによって、前記膜電極接合体が劣化するので好ましくない。前記膜電極接合体に用いられている高分子電解質の分解温度以上の場合では前記膜電極接合体に用いられている高分子電解質分解するので好ましくない。   The temperature of the supplied fuel and oxidant is not particularly limited, but is preferably 0 ° C. or higher and lower than the decomposition temperature of the polymer electrolyte used in the membrane electrode assembly. When the temperature is lower than 0 ° C., the water contained in the fuel and the oxidant is frozen, and / or the membrane electrode assembly is frozen, which is not preferable. When the temperature is higher than the decomposition temperature of the polymer electrolyte used in the membrane / electrode assembly, the polymer electrolyte used in the membrane / electrode assembly is decomposed.

本発明に用いる燃料および酸化剤の供給する方向は、特に限定されず、対向流でも良いし、平交流でも良く、電極反応に必要な量を電極に供給できればよい。   The direction in which the fuel and the oxidant used in the present invention are supplied is not particularly limited, and may be a counter flow or a flat alternating current as long as an amount necessary for the electrode reaction can be supplied to the electrode.

なお、このような固体高分子形燃料電池は単独でも、あるいは複数積層してスタックを形成しても使用でき、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。   Such a polymer electrolyte fuel cell can be used singly or by stacking a plurality of layers to form a stack, and a fuel cell system incorporating them can also be used.

(開回路電位測定)
このようにして作製した燃料電池の開回路電位を測定することで、用いた膜電極接合体の特性が評価ができる。具体的には、作製した燃料電池の単セルでの燃料を供給した電極の電位に対する酸化剤を供給した電極の電位の電位差を、100℃以下で、無負荷で、アノードに燃料としてメタノール、カソードに酸化剤として酸素あるいは空気を供給した後に、それぞれが充分にいき渡るように1分以上放置した後、測定することで開回路電位を測定することができる。
(Open circuit potential measurement)
By measuring the open circuit potential of the fuel cell thus produced, the characteristics of the membrane electrode assembly used can be evaluated. Specifically, the potential difference between the potential of the electrode supplied with the oxidant and the potential of the electrode supplied with fuel in the single cell of the produced fuel cell is 100 ° C. or less, no load, methanol as the fuel to the anode, and cathode After supplying oxygen or air as an oxidizer, the open circuit potential can be measured by allowing the sample to stand for 1 minute or longer so that each of the oxygen and air can be sufficiently distributed.

開回路電位の測定は、たとえば、前記燃料電池を電子負荷器に接続し、前記電子負荷器を無負荷状態に設定し、前記電子負荷器によって検出された電位を読みとることによって測定することができる。電子負荷器は、直流電源が搭載されていても、一般的な燃料電池評価装置に搭載されているものでも良い。   The open circuit potential can be measured, for example, by connecting the fuel cell to an electronic loader, setting the electronic loader to a no-load state, and reading the potential detected by the electronic loader. . The electronic loader may be equipped with a direct-current power supply or a general fuel cell evaluation apparatus.

(開回路電位のメタノール濃度依存性)
前記開回路電位の測定において、アノードに供給するメタノールの濃度を、例えば、1mol/L、5mol/L、および10mol/Lとして順次測定し、つぎにx軸にメタノール濃度、y軸に開回路電位をプロットし、最後に、例えば、最小自二乗法で傾きを算出することによって開回路電位のメタノール濃度依存性を求めることができる。
(Dependence of open circuit potential on methanol concentration)
In the measurement of the open circuit potential, the concentration of methanol supplied to the anode is sequentially measured, for example, as 1 mol / L, 5 mol / L, and 10 mol / L, and then the methanol concentration on the x axis and the open circuit potential on the y axis. And finally, for example, by calculating the slope by the method of least squares, the dependence of the open circuit potential on the methanol concentration can be obtained.

本発明の膜電極接合体は、燃料に用いるメタノール濃度の増大にともなう前記接合体を備える直接メタノール型燃料電池の単セルの開回路電位の低下が、0.00V/(mol/L)以上、0.02V/(mol/L)以下であることが好ましい。メタノール濃度が高くなるに従って、高分子電解質膜のメタノール透過量が多くなるので、前記低下が0.00V/(mol/L)より低くなることはない。また、前記開回路電位の低下が0.02V/(mol/L)より大きい場合は、メタノール濃度が高くなるに従って、メタノール透過量が多いということである。すなわち、高濃度メタノールを供給した場合の前記燃料電池の発電特性が低下するので好ましくない。   The membrane electrode assembly of the present invention has a decrease in the open circuit potential of a single cell of a direct methanol fuel cell comprising the assembly with an increase in the concentration of methanol used for fuel, 0.00V / (mol / L) or more, It is preferably 0.02 V / (mol / L) or less. As the methanol concentration increases, the amount of methanol permeated through the polymer electrolyte membrane increases, so the decrease does not fall below 0.00 V / (mol / L). On the other hand, when the decrease in the open circuit potential is larger than 0.02 V / (mol / L), the methanol permeation amount increases as the methanol concentration increases. That is, the power generation characteristics of the fuel cell when high concentration methanol is supplied are not preferable.

以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であり、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, examples will be shown, and the embodiment of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples. Various details are possible, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the technical means disclosed in each of the embodiments can be changed. Embodiments obtained by appropriately combining the above are also included in the technical scope of the present invention.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.

(実施例1)
<電解質膜の作製>
まず、前記芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド(大日本インキ化学工業株式会社製、LD10p11)を、前記芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン(三井化学株式会社製、HI−ZEX 3300F)を使用し、高分子フィルムを作製した。
Example 1
<Preparation of electrolyte membrane>
First, polyphenylene sulfide (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc., LD10p11) is used as the polymer compound having the aromatic unit, and high-density polyethylene (HI— ZEX 3300F) was used to produce a polymer film.

具体的には、ポリフェニレンサルファイドのペレット50重量部と、高密度ポリエチレンのペレット50重量部とをドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度290℃、Tダイ温度290℃の条件で、Tダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、その高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを50重量%含有する膜厚84μmの高分子フィルムを作製した。このようにして作成した高分子フィルムは、実際には、主に芳香族単位を有する高分子化合物であるポリフェニレンサルファイド部分と、主に芳香族単位がない高分子化合物である高密度ポリエチレン部分とに相分離して高密度ポリエチレン部分からなる海と、ポリフェニレンサルファイド部分からなる島とからなる海島構造を為していた。   Specifically, a pellet mixture obtained by dry blending 50 parts by weight of polyphenylene sulfide pellets and 50 parts by weight of high density polyethylene pellets was set on a T die under the conditions of a screw temperature of 290 ° C. and a T die temperature of 290 ° C. The polymer film was melt-extruded by a twin-screw extruder to prepare a polymer film having a thickness of 84 μm containing 50% by weight of high-density polyethylene in the polymer film. The polymer film thus prepared is actually divided into a polyphenylene sulfide portion which is a polymer compound mainly having an aromatic unit and a high density polyethylene portion which is a polymer compound mainly having no aromatic unit. Phase-separated to form a sea-island structure consisting of a sea composed of a high-density polyethylene portion and an island composed of a polyphenylene sulfide portion.

次に、このようにして作成した高分子フィルムにプロトン伝導性基としてスルホン酸基を導入することで高分子電解質膜を作成した。具体的には、まず、ガラス容器に、ジクロロメタン905g、クロロスルホン酸18.0gを秤量し、2重量%のクロロスルホン酸溶液を調製し、このクロロスルホン酸溶液に、前記高分子フィルム2.1gを浸漬し、25℃で20時間放置することで、スルホン酸基を高分子フィルムの上述してポリフェニレンサルファイド部分の芳香族環に導入した。その後、このようにしてスルホン酸基を導入した高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄し、その後、の高分子フィルムを23℃に調温した恒温恒湿器内で、順に相対湿度98%、80%、60%および50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置することで乾燥し、高分子電解質膜を得た。   Next, a polymer electrolyte membrane was prepared by introducing a sulfonic acid group as a proton conductive group into the polymer film thus prepared. Specifically, first, 905 g of dichloromethane and 18.0 g of chlorosulfonic acid were weighed in a glass container to prepare a 2 wt% chlorosulfonic acid solution, and 2.1 g of the polymer film was added to the chlorosulfonic acid solution. Was allowed to stand at 25 ° C. for 20 hours, whereby sulfonic acid groups were introduced into the aromatic ring of the polyphenylene sulfide portion described above of the polymer film. Thereafter, the polymer film having the sulfonic acid group introduced in this manner is collected and washed with ion-exchanged water until it becomes neutral, and then the polymer film is kept in a constant temperature and humidity chamber adjusted to 23 ° C. The polymer electrolyte membrane was obtained by drying by leaving it for 30 minutes under controlled humidity of 98%, 80%, 60% and 50%, respectively.

<軟化点の測定>
高分子電解質膜の軟化点を、以下の手順にて動的粘弾性の貯蔵弾性率を測定することによって求めた。まず、前記膜を動的粘弾性測定装置(RSA3、ティー・エイ・インスツルメント株式会社製)に設置し、つぎに、測定条件(25℃から3℃/min.の加熱、周波数:1Hz、ひずみ量:0.15%)で、動的粘弾性の貯蔵弾性率を測定し、最後に、最初に現れた貯蔵弾性率の変曲点から軟化点を求めた。実施例1で作製した高分子電解質膜の軟化点は、120℃であった。
<Measurement of softening point>
The softening point of the polymer electrolyte membrane was determined by measuring the storage elastic modulus of dynamic viscoelasticity according to the following procedure. First, the membrane was installed in a dynamic viscoelasticity measuring apparatus (RSA3, manufactured by T.A. Instruments Co., Ltd.), and then measurement conditions (heating from 25 ° C. to 3 ° C./min., Frequency: 1 Hz, The storage elastic modulus of dynamic viscoelasticity was measured at a strain amount of 0.15%), and finally the softening point was obtained from the inflection point of the storage elastic modulus that appeared first. The softening point of the polymer electrolyte membrane produced in Example 1 was 120 ° C.

<アノード触媒層の作製>
まず、純水4.630gに白金−ルテニウム触媒担持カーボン粉末(TEC61E54、田中貴金属工業株式会社、モル比(白金:ルテニウム=1:1.5)、触媒担持量54重量%)0.463g、および電解質溶液としてナフィオンのアルコール溶液(DE521、5wt%、デュポン社製)4.123gを加えた後に、マグネチックスターラーを用いて30分撹拌することによってアノード触媒インクを作製した。つぎに、このアノード触媒インクをエアブラシで、カーボンペーパー製拡散層(SGL24BA、SGLカーボンジャパン株式会社製、50mm×50mm)に白金担持量1.0mg/cm2になるまで吹き付けた。最後に、それを150℃、1時間真空乾燥させたのちに、22mm×22mmの大きさに裁断することによって、白金担持量1.0mg/cm2のアノード触媒層形成拡散層を得た。
<Preparation of anode catalyst layer>
First, platinum-ruthenium catalyst-supported carbon powder (TEC61E54, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., molar ratio (platinum: ruthenium = 1: 1.5), catalyst-supported amount 54 wt%) 0.463 g in pure water 4.630 g, and After adding 4.123 g of an alcohol solution of Nafion (DE521, 5 wt%, manufactured by DuPont) as an electrolyte solution, the anode catalyst ink was prepared by stirring for 30 minutes using a magnetic stirrer. Next, this anode catalyst ink was sprayed onto a carbon paper diffusion layer (SGL24BA, SGL Carbon Japan, 50 mm × 50 mm) with an air brush until the amount of platinum supported was 1.0 mg / cm 2 . Finally, it was vacuum-dried at 150 ° C. for 1 hour, and then cut into a size of 22 mm × 22 mm to obtain an anode catalyst layer forming diffusion layer having a platinum loading of 1.0 mg / cm 2 .

<カソード触媒層の作製>
まず、純水2.500gに白金触媒担持カーボン粉末(TEC10E50E、田中貴金属工業株式会社、触媒担持量50重量%)0.250g、および電解質溶液としてナフィオンのアルコール溶液(DE521、5wt%、デュポン社製)1.840gを加えた後に、マグネチックスターラーを用いて30分撹拌することによってカソード触媒インクを作製した。つぎに、このカソード触媒インクをエアブラシで、カーボンペーパー製拡散層(SGL24BA、SGLカーボンジャパン株式会社製、50mm×50mm)に白金担持量1.0mg/cm2になるまで吹き付けた。最後に、それを50℃で乾燥させたのちに、22mm×22mmの大きさに裁断することによって、白金担持量1.0mg/cm2のカソード触媒層形成拡散層を得た。
<Preparation of cathode catalyst layer>
First, platinum catalyst-supported carbon powder (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., 50% by weight of catalyst support) 0.250 g of pure water, Nafion alcohol solution (DE521, 5 wt%, manufactured by DuPont) as an electrolyte solution ) After adding 1.840 g, a cathode catalyst ink was prepared by stirring for 30 minutes using a magnetic stirrer. Next, the cathode catalyst ink was sprayed onto a carbon paper diffusion layer (SGL24BA, manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd., 50 mm × 50 mm) with an air brush until the amount of platinum supported was 1.0 mg / cm 2 . Finally, it was dried at 50 ° C. and then cut into a size of 22 mm × 22 mm to obtain a cathode catalyst layer-forming diffusion layer having a platinum loading of 1.0 mg / cm 2 .

<燃料電池用膜電極接合体の作製>
膜電極接合体を、加熱圧接機(テスター産業株式会社製)を用いて次の手順で作製した。SUS板、ポリテトラフルオロエチレンシート(100mm×100mm×0.05mm)、前記アノード触媒層形成拡散層(22mm×22mm)、前記高分子電解質膜、前記カソード触媒層形成拡散層(22mm×22mm)、ポリテトラフルオロエチレンシート(100mm×100mm×0.05mm)およびSUS板の順に積層した積層物を110℃に加熱した加圧板に設置し、9.8MPa、5分間保持の条件で加熱圧接することによって、膜電極接合体を得た。
<Fabrication of membrane electrode assembly for fuel cell>
A membrane / electrode assembly was produced by the following procedure using a heating and pressure welding machine (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.). SUS plate, polytetrafluoroethylene sheet (100 mm × 100 mm × 0.05 mm), the anode catalyst layer forming diffusion layer (22 mm × 22 mm), the polymer electrolyte membrane, the cathode catalyst layer forming diffusion layer (22 mm × 22 mm), By placing a laminate of polytetrafluoroethylene sheets (100 mm × 100 mm × 0.05 mm) and a SUS plate in this order on a pressure plate heated to 110 ° C., and heat-welding under a condition of 9.8 MPa for 5 minutes A membrane electrode assembly was obtained.

<燃料電池セルの作製>
市販のPEFC用単セル(エレクトロケム社製)に、前記膜電極接合体を設置して燃料電池セルを組み立てた。まず、アノード側エンドプレート(集電体)、ガスフロープレート(カーボンセパレーター)、ポリテトラフルオロエチレンガスケット(0.15mm)、膜電極接合体、ポリテトラフルオロエチレンガスケット(0.15mm)、ガスフロープレート(カーボンセパレーター)、カソード側エンドプレート(集電体)の順に積層した。次いで、M3のボルトを用いて2Nmで締め付けることによって、燃料電池セルを作製した。
<Fabrication of fuel cell>
The membrane electrode assembly was installed in a commercially available single cell for PEFC (manufactured by Electrochem) to assemble a fuel cell. First, anode side end plate (current collector), gas flow plate (carbon separator), polytetrafluoroethylene gasket (0.15 mm), membrane electrode assembly, polytetrafluoroethylene gasket (0.15 mm), gas flow plate (Carbon separator) and cathode side end plate (current collector) were laminated in this order. Next, a fuel cell was produced by tightening at 2 Nm using M3 bolts.

<直接メタノール型燃料電池の開回路電位および発電特性の測定>
このようにして作製した燃料電池の開回路電位、及び発電特性を、セル温度60℃にて、アノード側にメタノール水溶液、カソード側に無加湿の空気を供給しながら測定した。
<Measurement of open circuit potential and power generation characteristics of direct methanol fuel cell>
The open circuit potential and power generation characteristics of the fuel cell thus prepared were measured at a cell temperature of 60 ° C. while supplying an aqueous methanol solution on the anode side and non-humidified air on the cathode side.

発電特性は、アノード側に10moll―1メタノール水溶液を供給しながら測定した。結果を図1に示す。 The power generation characteristics were measured while supplying a 10 mol- 1 methanol aqueous solution to the anode side. The results are shown in FIG.

また、開回路電位は、アノード側のメタノール水溶液濃度を、1moll―1、5moll―1、および10moll―1と変化させて、夫々の状態で安定化後測定した。開回路電位は、前記燃料電池を電子負荷器(PLZ164WA、菊水電子工業社製)に接続し、前記電子負荷器を無負荷状態に設定し、前記電子負荷器によって検出された電位を読みとることによって測定した。さらに、発電特性は、前記電子負荷器を用い、任意の電流を設定することにより、前記燃料電池を放電することによって測定した。 The open circuit potential was measured after stabilization in each state by changing the concentration of the aqueous methanol solution on the anode side to 1 mol- 1 , 1 , 5 mol- 1 , and 10 mol- 1 . The open circuit potential is obtained by connecting the fuel cell to an electronic load (PLZ164WA, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.), setting the electronic load to an unloaded state, and reading the potential detected by the electronic load. It was measured. Furthermore, the power generation characteristics were measured by discharging the fuel cell by setting an arbitrary current using the electronic loader.

開回路電位の測定結果のメタノール濃度依存性として、x軸にメタノール濃度、y軸に開回路電位をプロットし、最小自二乗法で直線近似した場合の傾きを算出した。結果を表1に示す。メタノール濃度の増加に伴って、開回路電位は低下した。   As the methanol concentration dependence of the measurement result of the open circuit potential, the methanol concentration was plotted on the x-axis and the open circuit potential was plotted on the y-axis, and the slope when linearly approximated by the least square method was calculated. The results are shown in Table 1. The open circuit potential decreased with increasing methanol concentration.

Figure 0005319061
(比較例1)
高分子電解質膜として膜厚150μmのナフィオン115を用いたこと以外は、実施例1と同様にして比較例1の膜電極接合体を作成し、また、実施例1と同様にしてその膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池を作成し、メタノール濃度増加に伴う開回路電位低下率、及び発電特性を測定した。結果を表1、及び図1に示す。
Figure 0005319061
(Comparative Example 1)
A membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that Nafion 115 having a film thickness of 150 μm was used as the polymer electrolyte membrane. A direct methanol fuel cell using the body was prepared, and the open circuit potential drop rate and the power generation characteristics with increasing methanol concentration were measured. The results are shown in Table 1 and FIG.

(比較例2)
加熱圧接の温度を150℃にしたこと以外は、実施例1と同様にして比較例2の膜電極接合体を作成し、また、直接メタノール型燃料電池のメタノール濃度増加に伴う開回路電位低下率、及び発電特性を測定した。しかし、この比較例2の膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池では、開回路電位自体の値が小さく、その低下率として意味のある値は得られず、また、発電特性も非常に悪い結果であった。
(Comparative Example 2)
A membrane / electrode assembly of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature of heating and pressure welding was set to 150 ° C., and the open circuit potential reduction rate accompanying the increase in methanol concentration in the direct methanol fuel cell , And power generation characteristics were measured. However, in the direct methanol fuel cell using the membrane electrode assembly of Comparative Example 2, the value of the open circuit potential itself is small, a meaningful value cannot be obtained as the rate of decrease, and the power generation characteristics are also very high. It was a bad result.

表1の実施例1、および比較例1の比較から、本発明の膜電極接合体を備えた実施例1の燃料電池の開回路電位の低下率は、比較例1の低下率と比べて小さく、実施例1の膜電極接合体が高メタノール濃度での適用にも適していることが判った。この結果は、各例の膜電極接合体に用いた高分子電解質膜のメタノール遮断性とも関係していると考えられる。   From the comparison of Example 1 in Table 1 and Comparative Example 1, the reduction rate of the open circuit potential of the fuel cell of Example 1 having the membrane electrode assembly of the present invention is smaller than the reduction rate of Comparative Example 1. It was found that the membrane electrode assembly of Example 1 was also suitable for application at a high methanol concentration. This result is considered to be related to the methanol barrier property of the polymer electrolyte membrane used in the membrane electrode assembly of each example.

また、図1の実施例1と比較例1との比較から、本発明の膜電極接合体を備えた燃料電池は、比較例1の場合と比べて優れた発電特性を示すことが明らかとなった。   Further, from comparison between Example 1 and Comparative Example 1 in FIG. 1, it is clear that the fuel cell provided with the membrane electrode assembly of the present invention exhibits superior power generation characteristics as compared with Comparative Example 1. It was.

本発明にかかる膜電極接合体は、直接メタノール型燃料電池に代表される燃料電池をはじめとして、様々な産業上の利用可能性がある。   The membrane electrode assembly according to the present invention has various industrial applicability including a fuel cell represented by a direct methanol fuel cell.

本発明の膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池の電流密度―出力密度曲線。The current density-power density curve of the direct methanol type fuel cell using the membrane electrode assembly of the present invention.

Claims (10)

高分子電解質膜、およびその両側に配置された電極を含む膜電極接合体であって、該高分子電解質膜に2種以上の高分子化合物が含まれ、高分子化合物の軟化点のうち最も低い温度を最低軟化点としたときに、最低軟化点−30℃以上、最低軟化点+10℃以下の加熱温度で、該高分子電解質膜と該電極とが加熱圧接されたものであることを特徴とする膜電極接合体。 A membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane and electrodes arranged on both sides thereof, wherein the polymer electrolyte membrane contains two or more polymer compounds, and is the lowest softening point of the polymer compound When the temperature is the lowest softening point, the polymer electrolyte membrane and the electrode are heated and pressed at a heating temperature of the lowest softening point −30 ° C. or more and the lowest softening point + 10 ° C. or less. Membrane electrode assembly. 請求項1に記載の膜電極接合体であって、それを備える直接メタノール型燃料電池の単セルの開回路電位が、燃料として用いるメタノール濃度の増大にともなって、0.00V/(mol/L)以上、0.02V/(mol/L)以下の範囲で低下するものであることを特徴とする膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the open circuit potential of a single cell of a direct methanol fuel cell including the membrane electrode assembly is 0.00 V / (mol / L) as the concentration of methanol used as fuel increases. ) The membrane electrode assembly is characterized in that it is lowered in the range of 0.02 V / (mol / L) or less. 前記高分子電解質膜が、少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物と芳香族単位がない高分子化合物とを含む高分子フィルムに、プロトン伝導性基が導入されてなることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の膜電極接合体。 The proton conductive group is introduced into a polymer film in which the polymer electrolyte membrane includes at least a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound having no aromatic unit. 3. The membrane electrode assembly according to either 1 or 2. 前記芳香族単位を有する高分子化合物が、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド及び、それらの誘導体からなる群から選択される1種類以上の高分子化合物を含むことを特徴とする請求項3に記載の膜電極接合体。 The polymer compound having an aromatic unit is selected from the group consisting of polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyphenylene sulfide, and derivatives thereof. The membrane / electrode assembly according to claim 3, comprising at least one polymer compound. 前記芳香族単位が無い高分子化合物が下記一般式1からなる高分子化合物から選択される1種類以上の高分子化合物を含むことを特徴とする請求項3または4に記載の膜電極接合体。
Figure 0005319061
(一般式1中、X〜Xは、H、CH、Cl、F、OCOCH、CN、COOH、COOCH、及びOC、からなる群から選択されるいずれかであって、X〜Xは互いに独立で同一であっても異なっていてもよい。)
The membrane electrode assembly according to claim 3 or 4, wherein the polymer compound having no aromatic unit includes one or more polymer compounds selected from polymer compounds represented by the following general formula 1.
Figure 0005319061
(In General Formula 1, X 1 to X 4 are any one selected from the group consisting of H, CH 3 , Cl, F, OCOCH 3 , CN, COOH, COOCH 3 , and OC 4 H 9 . , X 1 to X 4 may be the same or different from each other.
前記芳香族単位が無い高分子化合物が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、及びそれらの誘導体からなる群から選択される1種類以上の高分子化合物を含むことを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The polymer compound having no aromatic unit includes at least one polymer compound selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, and derivatives thereof. The membrane electrode assembly according to any one of claims. 前記プロトン伝導性基がスルホン酸基を含むことを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the proton conductive group includes a sulfonic acid group. 高分子電解質膜、およびその両側に配置された電極を含む膜電極接合体の製造方法であって、該高分子電解質膜に含まれる2種以上の高分子化合物の軟化点のうち最も低い温度を最低軟化点としたときに、最低軟化点−30℃以上、最低軟化点+10℃以下の加熱温度で、該高分子電解質膜と該電極とを加熱圧接することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 A method for manufacturing a membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides thereof, wherein the lowest temperature is selected from the softening points of two or more polymer compounds contained in the polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly, wherein the polymer electrolyte membrane and the electrode are heated and pressure-welded at a heating temperature of a minimum softening point of −30 ° C. or more and a minimum softening point of + 10 ° C. or less when the minimum softening point is used. Production method. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の膜電極接合体の製造方法であって、前記高分子電解質膜を溶融成型を含む工程により製造する方法を含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 7, comprising a method for producing the polymer electrolyte membrane by a process including melt molding. Manufacturing method. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1.
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