JP5386775B2 - Manufacturing method of electrolyte membrane - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜およびその製造方法、当該電解質膜を用いた電解質膜−電極接合体(Membrane−Electrode Assembly:以下、単に「MEA」とも記載する)、ならびに当該MEAを用いた燃料電池に関するものである。より詳しくは、本発明は、優れたプロトン伝導性を有する電解質膜、特に燃料電池用電解質膜、およびその製造方法、当該電解質膜を用いた電解質膜−電極接合体、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体、ならびに当該MEAを用いた燃料電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane and a method for producing the same, an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter referred to simply as “MEA”) using the electrolyte membrane, and a fuel cell using the MEA. It is. More specifically, the present invention relates to an electrolyte membrane having excellent proton conductivity, particularly an electrolyte membrane for a fuel cell, and a method for producing the same, and an electrolyte membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane, particularly an electrolyte membrane for a fuel cell. The present invention relates to an electrode assembly and a fuel cell using the MEA.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体を、ガス拡散層さらにはセパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持されてなるものである。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. In general, the polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between a gas diffusion layer and a separator. The electrolyte membrane-electrode assembly is obtained by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers.
上記したようなMEAを有する固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H2→4H++4e−)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O2+4H++4e−→2H2O)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the MEA as described above, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e − ). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, a gas diffusion layer in contact with a side of the electrode catalyst layer different from the polymer electrolyte membrane, a separator, and an external circuit. To reach the cathode side electrocatalyst layer. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O). In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.
従来、燃料電池の電解質膜は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系電解質膜と炭化水素系電解質膜とに大別される。これらのうち、フッ素系電解質膜は、C−F結合を有しているために耐熱性や化学的安定性に優れるため、特に、Nafion(登録商標、デュポン社製)の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜に代表されるフッ素系電解質膜が使用されている。しかしながら、上記フッ素系電解質は、製造が困難で、非常に高価であるという欠点がある。このため、パーフルオロスルホン酸系の膜に代えて、炭化水素系電解質膜を使用することが考えられている。この炭化水素系電解質膜は、上記フッ素系電解質膜と比較すると、原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いという利点があるものの、プロトン伝導性が低いため、電解質膜として使用するには不十分であった。 Conventionally, an electrolyte membrane of a fuel cell is roughly classified into a fluorine-based electrolyte membrane and a hydrocarbon-based electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Among these, the fluorine-based electrolyte membrane has a C—F bond and is excellent in heat resistance and chemical stability. In particular, it is a perfume known under the trade name of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont). A fluorine-based electrolyte membrane represented by a fluorosulfonic acid membrane is used. However, the above-mentioned fluorine-based electrolyte has a drawback that it is difficult to produce and is very expensive. For this reason, it is considered that a hydrocarbon electrolyte membrane is used instead of the perfluorosulfonic acid membrane. Compared with the above-mentioned fluorine-based electrolyte membrane, this hydrocarbon-based electrolyte membrane has the advantages that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the selectivity of the material is high, but the proton conductivity is low. It was insufficient to use as.
上記問題を解決するために、電解質膜のプロトン伝導性向上と化学劣化抑制に効果があるフラーレンおよびその誘導体を電解質膜に用いる試みがなされている(例えば、特許文献1)。特許文献1は、パーフルオロスルホン酸系樹脂がメタノールの透過遮断能が低い点を鑑みて、水溶性フラーレン誘導体または水溶性フラーレン誘導体とヒドロキシル基を有する高分子材料との混合物からなるプロトン伝導性膜の表面に、フラーレン誘導体の水溶性を抑制する性質をもつ異種材料からなる膜が積層されてなるプロトン伝導性複合膜、特にメタノール型燃料電池用のプロトン伝導性複合膜が開示されている。 In order to solve the above problems, attempts have been made to use fullerene and derivatives thereof, which are effective in improving proton conductivity of the electrolyte membrane and suppressing chemical degradation, for the electrolyte membrane (for example, Patent Document 1). Patent Document 1 discloses a proton conductive membrane comprising a water-soluble fullerene derivative or a mixture of a water-soluble fullerene derivative and a polymer material having a hydroxyl group in view of the perfluorosulfonic acid resin having a low methanol permeation blocking ability. A proton conductive composite membrane, in particular a proton conductive composite membrane for a methanol fuel cell, in which a membrane made of a different material having the property of suppressing the water solubility of a fullerene derivative is laminated on the surface of is disclosed.
また、特許文献2では、触媒層に配置するアイオノマーのイオン交換容量をカソード側よりアノード側が0.01〜1.5meq/g程度高く配置させる。これによって、基本的に、膜電極接合体は電解質層を介して水で満たされており、水素極反応層及び空気極反応層に結合したイオンは移動できないため、アノードに固定されたイオン濃度がカソードよりも大きくなる状態が継続する。このため、イオン濃度の差に基づいてカソード側の水がアノード側に移動し、水素極反応層側と空気極反応層側とのイオン濃度差を浸透圧で打ち消そうとし、カソード側の水がアノード側に逆拡散することとなる。 In Patent Document 2, the ion exchange capacity of the ionomer arranged in the catalyst layer is arranged to be higher by about 0.01 to 1.5 meq / g on the anode side than on the cathode side. Thus, basically, the membrane electrode assembly is filled with water through the electrolyte layer, and ions bonded to the hydrogen electrode reaction layer and the air electrode reaction layer cannot move, so that the ion concentration fixed to the anode is reduced. The state of becoming larger than the cathode continues. For this reason, the water on the cathode side moves to the anode side based on the difference in ion concentration and tries to counteract the ion concentration difference between the hydrogen electrode reaction layer side and the air electrode reaction layer side by osmotic pressure. Will be diffused back to the anode side.
このため、この燃料電池システムでは、発電中において、アノードが水素を無加湿又は低加湿で供給するとしても、乾燥しがちになることはなく、かつカソードで水が過剰な状態になることがなく、燃料電池システムの高出力化が可能になることが開示されている。 For this reason, in this fuel cell system, even if the anode supplies hydrogen without humidification or low humidification during power generation, it does not tend to dry, and water does not become excessive at the cathode. It is disclosed that the output of the fuel cell system can be increased.
特許文献3では、電解質膜のイオン交換容量を、アノードのアイオノマー、膜、カソードのアイオノマーの順に、イオン交換基1mol当たりのイオン交換樹脂乾燥重量の少ない方から配置する。これにより、高電流密度域での運転が長期間継続して生成水が滞留してフラッティングを生じる場合など、異なった環境下での継続した運転が求められる場合でも、一定の発電性能を常に維持することが可能なることが開示されている。
上記特許文献1によると、プロトン伝導性膜は、フラーレン誘導体からなるプロトン伝導層の両面にナフィオン等のパーフルオロスルホン酸系樹脂膜が形成される積層構造を有している(段落「0038」、段落「0048」〜「0056」の実施例1)。このような積層構造は、フラーレン誘導体は水溶性である(段落「0013」)ため、加湿条件下でフラーレン誘導体やそれに伴い電解質膜が溶出することを防ぐためにとられている(段落0018」)。しかしながら、積層構造をとるということは、その作製が複雑であるということを意味し、大量生産する際には製造コストが上昇するという問題がある。また、上記特許文献1は、メタノール型燃料電池用の電解質膜として使用することを意図するものであり、例えば、固体高分子型燃料電池には適用できない。これは、例えば、ヒドロキシル基を有する高分子材料としてポリビニルアルコールが好ましく使用されている(請求項12)。しかしながら、ポリビニルアルコールは水蒸気に弱いため、上記したような水素−酸素型の燃料電池では機械的強度が低下してしまうという問題が生じる。また、特許文献1では、異種材料としてナフィオンが使用されており(請求項19〜21及び段落「0034」)、上記したようにこれらのフッ素系電解質は、製造が困難で、非常に高価であるという問題が依然として解決されていない。さらに、上記のようにポリビニルアルコール等の高分子材料を使用して膜を形成する場合には、フラーレン誘導体は高分子材料のポリマー鎖に結合させることで導入されているが、この方法は複雑な工程を必要としかつ化合物の収率が悪いため、膜の製造効率が悪いという問題もあった。 According to Patent Document 1, the proton conductive membrane has a laminated structure in which a perfluorosulfonic acid resin membrane such as Nafion is formed on both sides of a proton conductive layer made of a fullerene derivative (paragraph “0038”, Examples 1) of paragraphs “0048” to “0056”. Such a laminated structure is taken to prevent the fullerene derivative and the electrolyte membrane from eluting under the humidified condition (paragraph “0013”) because the fullerene derivative is water-soluble (paragraph “0013”). However, taking a laminated structure means that the production is complicated, and there is a problem that the manufacturing cost increases in mass production. Moreover, the said patent document 1 intends using it as an electrolyte membrane for methanol type fuel cells, and cannot be applied to a solid polymer type fuel cell, for example. For example, polyvinyl alcohol is preferably used as a polymer material having a hydroxyl group (claim 12). However, since polyvinyl alcohol is vulnerable to water vapor, the above-described hydrogen-oxygen type fuel cell has a problem that the mechanical strength is lowered. Further, in Patent Document 1, Nafion is used as a different material (claims 19 to 21 and paragraph “0034”), and as described above, these fluorine-based electrolytes are difficult to manufacture and very expensive. The problem is still not solved. Further, when a film is formed using a polymer material such as polyvinyl alcohol as described above, the fullerene derivative is introduced by bonding to the polymer chain of the polymer material, but this method is complicated. There was also a problem that the production efficiency of the membrane was poor because a process was required and the yield of the compound was poor.
また、発電中に生成水がカソードで発生し、水移動の不均一により、特に以下のような課題が起こる。
(1)発電時高電流密度で運転を行った際、アノードの水が、プロトンと共に多量にカソードに流れ、アノードのドライアウトが起こり、性能が低下する。
(2)発電時、低加湿運転を行うと、カソード入り口で乾燥による性能低下、高電流密度または高加湿での運転を行うとカソード出口でフラッディングによる性能低下が起こる。
In addition, generated water is generated at the cathode during power generation, and the following problems occur due to non-uniform water movement.
(1) When operation is performed at a high current density during power generation, a large amount of anode water flows to the cathode together with protons, and anode dryout occurs, resulting in a decrease in performance.
(2) When performing a low humidification operation during power generation, performance degradation due to drying occurs at the cathode inlet, and performance degradation due to flooding occurs at the cathode exit when operation at a high current density or high humidification is performed.
上記特許文献2および3では、電解質のイオン交換容量が高くなり、含水率が向上してしまうために、耐久性が低下する等の問題があった。 In Patent Documents 2 and 3, since the ion exchange capacity of the electrolyte is increased and the water content is improved, there is a problem that durability is lowered.
さらに、カソードにおいて水が生成されるが、カソードの場所によっても含水量の分布が生じ、これにより膜−電極接合体内における水分量の管理などの問題がある。 Furthermore, although water is produced at the cathode, the moisture content distribution also occurs depending on the location of the cathode, thereby causing problems such as management of the moisture content in the membrane-electrode assembly.
このように従来、炭化水素系電解質を電解質膜に使用することは、コストや材料の選択性の面で強く望まれているものの、電解質膜として必須の特性であるプロトン伝導性などの点で実用化にはなかなか至らないのが現状である。 As described above, the use of a hydrocarbon-based electrolyte for an electrolyte membrane has been strongly desired in terms of cost and material selectivity, but it is practically used in terms of proton conductivity, which is an essential characteristic for an electrolyte membrane. The current situation is that it is not easy to make it.
したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、プロトン伝導性が向上した電解質膜、特に固体高分子型燃料電池用の炭化水素系電解質膜およびその製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electrolyte membrane having improved proton conductivity, particularly a hydrocarbon electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing the membrane. And
本発明の他の目的は、プロトン伝導性が向上しかつ電解質の劣化を抑制/防止できる電解質膜、特に固体高分子型燃料電池用の炭化水素系電解質膜およびその製造方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane, particularly a hydrocarbon electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing the same that can improve proton conductivity and suppress / prevent deterioration of the electrolyte. .
本発明の別の目的は、容易な工程で製造できるプロトン伝導性が向上した電解質膜、特に固体高分子型燃料電池用の炭化水素系電解質膜およびその製造方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane with improved proton conductivity, particularly a hydrocarbon electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, which can be produced by an easy process, and a method for producing the membrane.
本発明者は、上記の問題を解決すべく、鋭意検討を行った結果、特定量の添加剤を電解質膜中に均一に分散させることによって従来の炭化水素系の電解質膜に比べてプロトン伝導性を有意に向上でき、添加剤を含む炭化水素系電解質膜は比較的高い湿度条件下であっても十分なプロトン伝導性を示すことを見出した。また、本発明者は、フラレノールを含む炭化水素系電解質膜の製造方法についてさらに鋭意検討を行った結果、水酸化ナトリウム水溶液などの塩基性溶液にフラレノールを一旦溶解させた後、この塩基性フラレノール溶液に電解質膜を浸漬する、あるいはこの塩基性フラレノール溶液に電解質をさらに添加し、この混合物を膜化することによって、フラレノールが均一に分散した炭化水素系電解質膜を容易にかつ簡便に製造できることを見出した。上記に製法に加えて、本発明者は、フラレノール及び電解質双方が溶解できる非プロトン性極性溶媒に溶解させると、混合物のpHを塩基性にしなくとも溶解でき、この混合液を膜化することによっても、フラレノールが均一に分散した炭化水素系電解質膜を容易にかつ簡便に製造できることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that proton conductivity is higher than that of a conventional hydrocarbon electrolyte membrane by uniformly dispersing a specific amount of additive in the electrolyte membrane. It was found that the hydrocarbon electrolyte membrane containing the additive exhibits sufficient proton conductivity even under relatively high humidity conditions. In addition, as a result of further earnest studies on a method for producing a hydrocarbon-based electrolyte membrane containing fullerenol, the present inventor once dissolved fullerenol in a basic solution such as an aqueous sodium hydroxide solution, and then the basic fullerenol solution. It is found that a hydrocarbon-based electrolyte membrane in which fullerenol is uniformly dispersed can be easily and easily produced by immersing the electrolyte membrane in the solution or by further adding an electrolyte to the basic fullerenol solution and forming the mixture into a membrane. It was. In addition to the above production method, the present inventor can dissolve the solution in an aprotic polar solvent in which both fullerenol and the electrolyte can be dissolved, even if the pH of the mixture is not made basic. In addition, it has been found that a hydrocarbon electrolyte membrane in which fullerenol is uniformly dispersed can be produced easily and simply.
また、本発明者は、上述したような固体高分子型燃料電池において重要な問題として最近提起されたアイドル停止(OCV:Open Circuit Voltage)状態における電解質膜の劣化の問題に着目した。この問題は、以下のようなメカニズムで生じるものと考えられる。すなわち、電解質膜は、本来、完全にガスを遮断する(不透過状態にする)ものではないため、酸素や水素ガスの濃度勾配(分圧)によっては、アノード側からカソード側に向かって水素が、カソード側からアノード側に向かって酸素や窒素が、僅かながら透過(溶解拡散)している(このような現象を「クロスリーク」とも称する)。特にOCV時は、カソードと電解質膜の界面における酸素濃度は、発電時に比べて高いため、電解質膜を介してカソード側からアノード側へ溶解拡散する酸素量も、発電時に比べて多くなる。このため、クロスリークにより酸素がカソード側からアノード側へ移行して、酸素がアノード側で水素と直接反応して、H2+O2→H2O2の反応が起こって、過酸化水素(H2O2)が生成し、また、水素がアノード側からカソード側へ移行して、水素がカソード側で酸素と直接反応して、同様にして過酸化水素が生成する。この過酸化水素は、電解質膜またはアノード若しくはカソード触媒層に含まれる電解質成分(アイオノマー)を分解して、電解質膜を化学的に劣化させることが知られている。ここで、アノード触媒層とカソード触媒層の電位と、過酸化水素の分解反応との関係を考慮すると、電解質電位に対して電位が比較的高い(0.6〜1V程度)カソード側では、カソード近傍の酸素と、アノード触媒層よりクロスリークしてきた水素が直接反応するため、生成する過酸化水素は、H2O2→O2+2H++2e−の反応によって、比較的速やかに酸素とプロトンとに分解する。これに対して、アノード側では、電位が低いために上記したような過酸化水素の分解反応は生じにくい。このため、アノード側で多く発生する過酸化水素が、濃度拡散により電解質膜中に移動して、電解質膜を酸化劣化させたり、あるいは電解質膜中のカチオン(例えば、Fe2+、Cu2+)の存在により加速的に電解質膜成分を劣化させる。このような電解質膜や触媒層の劣化、特に電解質膜の劣化の問題を解決するためにさらに鋭意検討を行なった結果、本発明者は、特定量の添加剤を電解質膜中に均一に分散させると、得られる電解質膜は、添加しない膜に比べて、燃料ガス及び酸化剤ガス、特に酸化剤ガスである酸素の透過を抑制することができることを知得した。また、これにより当該膜では、カソード側からアノード側への酸素ガスのクロスリークを有意に抑制・防止し、電解質膜や触媒層中の電解質劣化を有意に抑制・防止することができるため、このような電解質膜を有する燃料電池は高い発電効率を達成することができることを見出した。 Further, the present inventor has paid attention to the problem of deterioration of the electrolyte membrane in the idle stop (OCV) state, which has been recently proposed as an important problem in the polymer electrolyte fuel cell as described above. This problem is considered to be caused by the following mechanism. That is, the electrolyte membrane does not inherently completely shut off the gas (makes it impermeable), so depending on the concentration gradient (partial pressure) of oxygen or hydrogen gas, hydrogen may flow from the anode side to the cathode side. Oxygen and nitrogen are slightly permeated (dissolved and diffused) from the cathode side to the anode side (this phenomenon is also referred to as “cross leak”). In particular, at the time of OCV, the oxygen concentration at the interface between the cathode and the electrolyte membrane is higher than that at the time of power generation. Therefore, the amount of oxygen that dissolves and diffuses from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane is also larger than at the time of power generation. For this reason, oxygen moves from the cathode side to the anode side due to cross leak, and oxygen reacts directly with hydrogen on the anode side, causing a reaction of H 2 + O 2 → H 2 O 2 , resulting in hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated, hydrogen is transferred from the anode side to the cathode side, and hydrogen directly reacts with oxygen on the cathode side to similarly generate hydrogen peroxide. This hydrogen peroxide is known to decompose the electrolyte component (ionomer) contained in the electrolyte membrane or the anode or cathode catalyst layer to chemically degrade the electrolyte membrane. Here, in consideration of the relationship between the potential of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer and the decomposition reaction of hydrogen peroxide, the potential on the cathode side is relatively high (about 0.6 to 1 V) with respect to the electrolyte potential. Since nearby oxygen directly reacts with hydrogen that has cross-leaked from the anode catalyst layer, the generated hydrogen peroxide is decomposed into oxygen and protons relatively quickly by the reaction of H 2 O 2 → O 2 + 2H ++ 2e−. To do. On the other hand, since the potential is low on the anode side, the above-described decomposition reaction of hydrogen peroxide hardly occurs. For this reason, hydrogen peroxide generated frequently on the anode side moves into the electrolyte membrane due to concentration diffusion, oxidatively degrades the electrolyte membrane, or the presence of cations (eg, Fe 2+ , Cu 2+ ) in the electrolyte membrane. As a result, the electrolyte membrane components are degraded at an accelerated rate. As a result of further diligent studies to solve such problems of electrolyte membrane and catalyst layer degradation, particularly electrolyte membrane degradation, the present inventor has uniformly dispersed a specific amount of additive in the electrolyte membrane. It has been found that the obtained electrolyte membrane can suppress the permeation of oxygen, which is a fuel gas and an oxidant gas, particularly the oxidant gas, as compared with a membrane not added. In addition, this makes it possible to significantly suppress / prevent oxygen gas cross leak from the cathode side to the anode side and to significantly suppress / prevent electrolyte deterioration in the electrolyte membrane and the catalyst layer. It has been found that a fuel cell having such an electrolyte membrane can achieve high power generation efficiency.
上記知見に基づいて、本発明を完成した。 Based on the above findings, the present invention has been completed.
すなわち、上記諸目的は、添加剤を、電解質に対して、1〜50質量%、分散させてなる電解質膜によって達成される。 That is, the above-mentioned objects are achieved by an electrolyte membrane in which the additive is dispersed in an amount of 1 to 50% by mass with respect to the electrolyte.
また、本発明の上記諸目的は、フラレノールを塩基性溶液に溶解して、塩基性フラレノール溶液(1)を調製し;さらに前記塩基性フラレノール溶液(1)中に電解質膜を浸漬する工程を含む、上記本発明の電解質膜の製造方法、またはフラレノールを塩基性溶液に溶解して、塩基性フラレノール溶液(2)を調製し;前記塩基性フラレノール溶液(2)を電解質と混合し、フラレノール−電解質混合液(1)を調製し;さらに前記フラレノール−電解質混合液(1)を膜に成形する工程を含む上記本発明の電解質膜の製造方法によっても達成される。 The above-mentioned objects of the present invention also include a step of preparing a basic fullerenol solution (1) by dissolving fullerenol in a basic solution; and further immersing an electrolyte membrane in the basic fullerenol solution (1). The method for producing an electrolyte membrane of the present invention, or fullerenol is dissolved in a basic solution to prepare a basic fullerenol solution (2); the basic fullerenol solution (2) is mixed with an electrolyte, and the fullerenol-electrolyte is prepared. It is also achieved by the method for producing an electrolyte membrane of the present invention, which comprises the step of preparing a mixed solution (1); and further forming the fullerenol-electrolyte mixed solution (1) into a membrane.
さらに、本発明の上記諸目的は、フラレノール、電解質及び溶媒を混合し、フラレノール−電解質混合液(2)を調製し;さらに前記フラレノール−電解質混合液(2)を膜に成形する工程を含む上記本発明の電解質膜の製造方法によっても達成される。 Further, the above objects of the present invention include the step of mixing fullerenol-electrolyte and solvent to prepare a fullerenol-electrolyte mixed solution (2); and further forming the fullerenol-electrolyte mixed solution (2) into a film. This can also be achieved by the method for producing an electrolyte membrane of the present invention.
本発明によれば、電解質膜中に存在する特定量の添加剤により、電解質膜のプロトン伝導性が比較的高い湿度条件下であっても有意に向上できる。このため、本発明によると、燃料電池、特に水素−酸素型燃料電池用の電解質膜に炭化水素系電解質膜を使用しても、十分なプロトン伝導性を発揮することができる。上記利点に加えて、フラレノールを添加した電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガス、特に酸化剤ガスである酸素の透過を抑制する。このため、本発明の電解質膜によれば、当該膜を介してカソード側からアノード側への酸素ガスのクロスリークを有意に抑制・防止する、即ち、電解質膜や触媒層中の電解質劣化を有意に抑制・防止することができる。したがって、本発明の電解質膜を有する燃料電池は高い発電効率を達成することができる。 According to the present invention, the specific amount of additive present in the electrolyte membrane can significantly improve the proton conductivity of the electrolyte membrane even under relatively high humidity conditions. For this reason, according to the present invention, even when a hydrocarbon-based electrolyte membrane is used as an electrolyte membrane for a fuel cell, particularly a hydrogen-oxygen fuel cell, sufficient proton conductivity can be exhibited. In addition to the above advantages, the electrolyte membrane added with fullerenol suppresses the permeation of oxygen, which is a fuel gas and an oxidant gas, particularly an oxidant gas. Therefore, according to the electrolyte membrane of the present invention, oxygen gas cross-leakage from the cathode side to the anode side is significantly suppressed and prevented through the membrane, that is, electrolyte deterioration in the electrolyte membrane and the catalyst layer is significantly reduced. Can be suppressed and prevented. Therefore, the fuel cell having the electrolyte membrane of the present invention can achieve high power generation efficiency.
また、本発明によれば、電解質膜内に水の拡散を促進する部位を設けることによって、発電中に、膜厚方向でのアノードからカソードへの水の移動速度が上昇するため、電解質膜のアノード側で発生しやすい乾燥、カソード側で発生しやすいフラッディングを抑制し、発電性能を高めることができる。 In addition, according to the present invention, by providing a portion that promotes the diffusion of water in the electrolyte membrane, the rate of movement of water from the anode to the cathode in the film thickness direction increases during power generation. Power generation performance can be improved by suppressing drying that tends to occur on the anode side and flooding that tends to occur on the cathode side.
さらに、本発明の方法によると、特殊な設備や複雑な操作や専用の装置を用いることなくフラレノールを任意の比率で均一にかつ容易に分散させることができる。このため、本発明の方法によれば、安定した品質でフラレノールを添加した、即ち優れたプロトン伝導性を発揮する電解質膜を容易に製造することが可能である。 Furthermore, according to the method of the present invention, fullerenol can be uniformly and easily dispersed at an arbitrary ratio without using special equipment, complicated operation, or a dedicated device. Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to easily produce an electrolyte membrane to which fullerenol is added with stable quality, that is, exhibits excellent proton conductivity.
以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
本発明の第一は、添加剤を、電解質に対して、1〜50質量%、分散させてなる、電解質膜に関するものである。本発明では、電解質膜中に添加剤を特定量存在させることを特徴とする。 The first of the present invention relates to an electrolyte membrane in which an additive is dispersed in an amount of 1 to 50% by mass with respect to the electrolyte. The present invention is characterized in that a specific amount of the additive is present in the electrolyte membrane.
本発明に係る添加剤は、フラーレン誘導体、金属酸化物などが好ましく、例えば添加剤としてフラレノールを用いた場合、フラレノールはプロトン伝導性を向上させる効果があるため、本発明の電解質膜は、従来の電解質膜に比して、比較的高い湿度(例えば、相対湿度が60%以上であるような)条件下であっても、有意に高いプロトン伝導性を発揮することができる。このため、従来プロトン伝導性が低いという問題を有する炭化水素系の電解質膜に特に有用である。また、本発明に係る電解質膜を例えば電池に用いる場合、本発明の電解質膜は膜中にフラレノールなどの添加剤を分散させる単一層構造をとる場合や、電解膜中においてフラッディング現象を生じやすい部位に金属酸化物などの添加剤を含ませたり、乾燥しやすい部位にフラーレン誘導体や金属酸化物などの添加剤を含ませたりすることにより複数層構造をとってもよい。このため、このような単一層構造の電解質膜は、上記特許文献1での積層構造に比して、製造が容易であり、層の剥離などの問題も生じない。なお、上記特許文献1ではフラレノールが水溶性があるため、加湿条件下では流出してしまうことが記載されていたが、本発明によれば、フラレノールは水中では酸性を呈するので、加湿条件下では電解質がゲル状に膨潤し、このゲル状物の中にフラレノールが閉じ込められる。このため、本発明の電解質では、水が存在していてもフラレノールは溶解して膜から流出することがない。ゆえに、本発明の電解質膜は、コスト面や材料の選択面で有利であるがプロトン伝導性の面で問題のあった炭化水素系電解質膜に適用すると、長期間にわたって優れたプロトン伝導性を維持することができ、特に有用である。 The additive according to the present invention is preferably a fullerene derivative, a metal oxide or the like. For example, when fullerenol is used as the additive, fullerenol has an effect of improving proton conductivity. Compared with the electrolyte membrane, significantly higher proton conductivity can be exhibited even under relatively high humidity conditions (for example, the relative humidity is 60% or more). For this reason, it is particularly useful for a hydrocarbon-based electrolyte membrane having a problem of low proton conductivity. In addition, when the electrolyte membrane according to the present invention is used in, for example, a battery, the electrolyte membrane according to the present invention has a single layer structure in which an additive such as fullerenol is dispersed in the membrane, or a portion where a flooding phenomenon is likely to occur in the electrolyte membrane. A multi-layer structure may be formed by adding an additive such as a metal oxide, or by adding an additive such as a fullerene derivative or a metal oxide to a portion that is easily dried. For this reason, the electrolyte membrane having such a single layer structure is easier to manufacture than the laminated structure described in Patent Document 1, and does not cause problems such as layer peeling. In addition, in Patent Document 1 described above, since fullerenol is water-soluble, it was described that it flows out under humidified conditions. However, according to the present invention, fullerenol exhibits acidity in water, so under humidified conditions. The electrolyte swells in a gel state, and fullerenol is trapped in the gel. For this reason, in the electrolyte of the present invention, fullerenol does not dissolve and flow out of the membrane even in the presence of water. Therefore, when the electrolyte membrane of the present invention is applied to a hydrocarbon-based electrolyte membrane which is advantageous in terms of cost and material selection but has a problem in terms of proton conductivity, it maintains excellent proton conductivity for a long period of time. Can be particularly useful.
本発明に係る添加剤は、上記したようにフラーレン誘導体、金属酸化物などが好ましく、前記フラーレン誘導体としては、フラレノールが好ましく、前記金属酸化物としては、アルコキシシラン、アルコキシチタンが好ましい。 As described above, the additive according to the present invention is preferably a fullerene derivative, a metal oxide or the like. The fullerene derivative is preferably a fullerenol, and the metal oxide is preferably an alkoxysilane or an alkoxytitanium.
また上記アルコキシシランとしては、アルコキシ基を4個有するテトラアルコキシシラン、アルコキシ基を3個有するトリアルコキシシラン、アルコキシ基を2個有するジアルコキシシランを用いることができる。アルコキシ基の種類は特に制限されないが、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等などが挙げられる。また、アルコキシシランが有するアルコキシ基が3または2個である場合は、アルコキシシラン中のケイ素原子には有機基、水酸基等が結合していてもよく、当該有機基はアミノ基やメルカプト基等の官能基をさらに有していてもよい。 Examples of the alkoxysilane include tetraalkoxysilane having 4 alkoxy groups, trialkoxysilane having 3 alkoxy groups, and dialkoxysilane having 2 alkoxy groups. Although the kind in particular of alkoxy group is not restrict | limited, A methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, a butoxy group etc. are mentioned. Further, when the alkoxysilane has 3 or 2 alkoxy groups, an organic group, a hydroxyl group, or the like may be bonded to the silicon atom in the alkoxysilane, and the organic group is an amino group, a mercapto group, or the like. It may further have a functional group.
さらに上記アルコキシシランが、テトラアルコキシシランの場合としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン(TEOS)、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等が挙げられ、トリアルコキシシランとしては、トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等が挙げられる。また、ジアルコキシシランとしては、ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン等が挙げられる。なかでもテトラエトキシシランがより好ましい。 Further, when the alkoxysilane is tetraalkoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane (TEOS), tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, dimethoxydiethoxysilane and the like can be mentioned. Methoxysilanol, triethoxysilanol, trimethoxymethylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2 -Aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3, 4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane and the like. Examples of dialkoxysilane include dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, and dimethoxymethylphenylsilane. Of these, tetraethoxysilane is more preferable.
上記アルコキシシランは、単独で用いることもできるが2種類以上を組み合わせて用いることも可能である。また、上記のアルコキシ基を2〜4個有するアルコキシシランは、アルコキシ基を1個有するモノアルコキシシランと組み合わせて使用することも可能である。このようにして用いることのできるモノアルコキシシランとしては、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、3−クロロプロピルジメチルメトキシシラン等が挙げられる。 Although the said alkoxysilane can also be used independently, it can also be used in combination of 2 or more types. Moreover, the alkoxysilane having 2 to 4 alkoxy groups described above can be used in combination with a monoalkoxysilane having one alkoxy group. Examples of the monoalkoxysilane that can be used in this way include trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, and 3-chloropropyldimethylmethoxysilane.
また上記アルコキシチタンは、化学式TiR’n(OR)4−nで表され、式中のRとR’はアルキル基、nは0あるいは1〜3の整数であるものを含むものである。RとR’は、同一または異なるアルキル基であってもよく、さらにRとR’がそれぞれ複数の場合、それぞれが同一または異なるアルキル基の構成であってもよい。そのようなアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基などが挙げられる。さらに、式中のRの一部が水素または炭素数2〜10のアルケニル基であってもよく、アルケニル基の例としては、ビニル基、イソプロペニル基、ブタジエニル基、2−メチルアリル基などが挙げられる。式中のR’で示される置換基は、その分子内にエポキシ基またはグリシジル基を含んでいてもよい。 The alkoxytitanium is represented by the chemical formula TiR ′ n (OR) 4-n , wherein R and R ′ are alkyl groups, and n is 0 or an integer of 1 to 3. R and R ′ may be the same or different alkyl groups, and when there are a plurality of R and R ′, they may be the same or different alkyl groups. Examples of such an alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, and a tert-butyl group. Furthermore, part of R in the formula may be hydrogen or an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, and examples of the alkenyl group include a vinyl group, an isopropenyl group, a butadienyl group, and a 2-methylallyl group. It is done. The substituent represented by R ′ in the formula may contain an epoxy group or a glycidyl group in the molecule.
アルコキシチタンの好ましい具体例としては、テトラエトキシチタン、テトラプロポキシチタン、テトライソプロポキシチタンなどが挙げられる。また、これらアルコキシチタンを主にして2種類以上の前述アルコキシチタンの混合系であってもよい。さらに、本発明に係る添加剤のアルコキシチタンは、上記の本発明に係るアルコキシシランと混合して用いてもよく、この際にアルコキシチタンも2種類以上でかつアルコキシシランも2種類以上用いてもよい。 Preferable specific examples of the alkoxy titanium include tetraethoxy titanium, tetrapropoxy titanium, tetraisopropoxy titanium and the like. Further, a mixed system of two or more types of the above-described alkoxy titanium may be used mainly based on these alkoxy titaniums. Furthermore, the alkoxytitanium additive according to the present invention may be used in combination with the above alkoxysilane according to the present invention. In this case, two or more types of alkoxytitanium and two or more types of alkoxysilane may be used. Good.
本明細書において、「フラレノール」とは、フラーレン骨格にヒドロキシル含有基が結合させた化合物である。なお、上記「ヒドロキシル含有基」とは、基中にヒドロキシル基が1個以上存在する基を意味する。具体的には、ヒドロキシル基(−OH)、スルホン基(−SO3H)、カルボキシル基(−COOH)、ホスホン基[−PO3H2]、−OSO3H及び−OPO(OH)2などが挙げられ、好ましくはヒドロキシル基(−OH)、スルホン基(−SO3H)及びカルボキシル基(−COOH)である。また、この際使用できるフラーレンとしては、特に制限されず、従来公知のフラーレンが使用でき、具体的には、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C96などの球状炭素クラスター分子Cn(nは60以上)などが好ましく挙げられる。これらのうち、反応性などを考慮すると、C60及びC70が好ましい。また、上記フラーレンへのヒドロキシル含有基の置換数は、使用される電解質などによって異なり特に制限されず、また、電解質膜の所望のプロトン伝導性などに応じて適宜選択できる。例えば、C60のフラーレンの場合には、フラーレンへのヒドロキシル含有基の置換数は、好ましくは1〜24個、より好ましくは6〜12個であり、C70のフラーレンの場合には、フラーレンへのヒドロキシル含有基の置換数は、好ましくは1〜28個、より好ましくは6〜14個である。
また、フラーレンへのヒドロキシル含有基の置換位置は、特に制限されず、電解質膜の所望のプロトン伝導性などに応じて適宜選択できる。
In the present specification, “fullerenol” is a compound in which a hydroxyl-containing group is bonded to a fullerene skeleton. The “hydroxyl-containing group” means a group having one or more hydroxyl groups in the group. Specifically, hydroxyl group (—OH), sulfone group (—SO 3 H), carboxyl group (—COOH), phosphone group [—PO 3 H 2 ], —OSO 3 H, —OPO (OH) 2 and the like. And preferably a hydroxyl group (—OH), a sulfone group (—SO 3 H) and a carboxyl group (—COOH). In addition, the fullerene that can be used in this case is not particularly limited, and conventionally known fullerenes can be used. Specifically, spherical carbon cluster molecules Cn such as C60, C70, C76, C78, C82, C84, C90, and C96 are used. (N is 60 or more) etc. are mentioned preferably. Among these, C60 and C70 are preferable in consideration of reactivity and the like. Further, the number of substitution of the hydroxyl-containing group to the fullerene varies depending on the electrolyte used and is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the desired proton conductivity of the electrolyte membrane. For example, in the case of C60 fullerene, the number of hydroxyl-containing group substitution to fullerene is preferably 1 to 24, more preferably 6 to 12, and in the case of C70 fullerene, the hydroxyl to fullerene The number of substitutions of the containing group is preferably 1 to 28, more preferably 6 to 14.
Further, the substitution position of the hydroxyl-containing group to fullerene is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the desired proton conductivity of the electrolyte membrane.
本発明において、フラレノールの製造方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、フラレノールがスルホン基(−SO3H)を有する場合には、フラーレンを高温で発煙硫酸または濃硫酸中で反応させる方法が使用できる。また、特開2000−247935号公報、特開平9−157273号公報、特開平7−247273号公報、特開平7−188129号公報、特開平5−221623号公報に記載の方法などが適用できる。または、フラレノールとして、市販品を使用してもよい。このような市販品としては、フロンティアカーボン株式会社製のナノムスペクトラ(nanom spectra)シリーズの水酸化フラーレン(商品名:水酸化C60(HX10−S)、水酸化ミックス(HX10−M));本荘ケミカル株式会社製のフラレノール、硫酸水素化フラレノールなどが挙げられる。 In the present invention, the method for producing fullerenol is not particularly limited, and a known method can be used. For example, when fullerenol has a sulfone group (—SO 3 H), a method of reacting fullerene in fuming sulfuric acid or concentrated sulfuric acid at a high temperature can be used. Further, the methods described in JP 2000-247935 A, JP 9-157273 A, JP 7-247273 A, JP 7-188129 A, JP 5-221623 A, and the like can be applied. Alternatively, a commercially available product may be used as fullerenol. Such commercial products include Nanom Spectra series fullerene hydroxide (trade name: Hydroxide C60 (HX10-S), Hydroxide mix (HX10-M)) manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd .; Honjo Chemical Examples include fullerenol and hydrogen sulfated fullerenol.
さらに、本発明のフラレノールなどの添加剤を含む電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガス、特に酸化剤ガスである酸素の透過を有意に抑制/防止する。このため、本発明の電解質膜によれば、当該膜を介してカソード側からアノード側への酸素ガスのクロスリークを有意に抑制・防止できるため、電解質膜や触媒層中の電解質劣化を有意に抑制・防止することができる。したがって、本発明の電解質膜を有する燃料電池は高い発電効率を達成することが期待される。 Further, the electrolyte membrane containing an additive such as fullerenol of the present invention significantly suppresses / prevents permeation of fuel gas and oxidant gas, particularly oxygen which is oxidant gas. For this reason, according to the electrolyte membrane of the present invention, it is possible to significantly suppress / prevent oxygen gas cross-leakage from the cathode side to the anode side through the membrane, thereby significantly reducing electrolyte deterioration in the electrolyte membrane and the catalyst layer. It can be suppressed / prevented. Therefore, the fuel cell having the electrolyte membrane of the present invention is expected to achieve high power generation efficiency.
本発明で使用される電解質膜は、特に限定されず公知の電解質からなる膜を用いることができるが、少なくともプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際、電解質膜は、プロトン解離性の官能基を有する高分子を含むことが好ましい。本明細書において、「プロトン解離性の基」とは、その基から水素原子がプロトン(H+)として電離し、離脱し得る官能基を意味する。プロトン解離性の官能基としては、特に制限されないが、例えば、スルホン基(−SO3H)、ホスホン基[−PO3H2]などが好ましく挙げられる。具体的には、フッ素系電解質膜、炭化水素系電解質膜、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜にリン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などの公知の膜が使用できる。 The electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited, and a membrane made of a known electrolyte can be used, but any member having at least proton conductivity may be used. At this time, the electrolyte membrane preferably contains a polymer having a proton dissociable functional group. In the present specification, the “proton dissociable group” means a functional group from which a hydrogen atom can be ionized as a proton (H + ) and separated. The proton dissociating functional group is not particularly limited, for example, a sulfonic group (-SO 3 H), such as a phosphonic group [-PO 3 H 2] are preferably exemplified. Specifically, an electrolyte such as phosphoric acid or ionic liquid is formed on a porous thin film formed of a fluorine-based electrolyte membrane, a hydrocarbon-based electrolyte membrane, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like. Well-known solid polymer electrolyte membranes such as membranes impregnated with components, membranes in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, membranes in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, etc. Can be used.
このうち、フッ素系電解質膜としては、特に制限されず、公知のフッ素系電解質膜が使用される。具体的には、フッ素系電解質膜を構成するプロトン解離性の官能基を有するフッ素系電解質としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂などが好適な一例として挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能上の観点からはこれらのフッ素系電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系電解質膜が用いられる。 Among these, as a fluorine-type electrolyte membrane, it does not restrict | limit in particular, A well-known fluorine-type electrolyte membrane is used. Specifically, as the fluorine-based electrolyte having a proton dissociative functional group constituting the fluorine-based electrolyte membrane, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion ( (Registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc., perfluorocarbon sulfonic acid polymers, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymers, perfluorocarbon phosphonic acid polymers, trifluorostyrene sulfonic acid polymers, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfone. An acid-based polymer, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, a polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer, an ion exchange resin manufactured by Dow Chemical Company, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, and trifluorostyrene. A resin to polymer are mentioned as suitable examples. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably a fluorine-based electrolyte membrane composed of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer.
また、炭化水素系膜としても、特に制限されず、公知の炭化水素系電解質膜が使用される。具体的には、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン導電体の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン導電体などが使用されるが、耐酸化性、低ガス透過性、製造の容易さ及び低コストなどを考慮すると、スルホン酸基を有する炭化水素系膜が好ましい。本発明で使用される炭化水素系膜としては、特に制限されず、公知の炭化水素系電解質膜が使用されるが、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、PBI(ポリベンズイミダゾール)、PBO(ポリベンズオキサゾール)、S−PPBP(スルホン化ポリフェノキシベンゾイルフェニレン)、S−PEEK(スルホン化ポエーテルエーテルケトン)、スルホンアミド型ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホンアミド型ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化架橋ポリスチレン、スルホンアミド型架橋ポリスチレン、スルホン化ポリトリフルオロスチレン、スルホンアミド型ポリトリフルオロスチレン、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホンアミド型ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリ(アリールエーテルスルホン)、スルホンアミド型ポリ(アリールエーテルスルホン)、ポリイミド、スルホン化ポリイミド、スルホンアミド型ポリイミド、スルホン化4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン、スルホンアミド型4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン、ホスホン酸型4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホンアミド型ポリベンゾイミダゾール、ホスホン酸型ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホンアミド型ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリビフェニレンスルフィド、スルホンアミド型ポリビフェニレンスルフィド、スルホン化ポリフェニレンスルホン、スルホンアミド型ポリフェニレンスルホン、スルホン化ポリフェノキシベンゾイルフェニレン、スルホン化ポリスチレン−エチレン−プロピレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリフェニレンイミド、ポリベンズイミダゾール−アルキルスルホン酸、スルホアリル化ポリベンズイミダゾールなどが好適な一例として挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述した電解質(イオン交換樹脂)は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。 Also, the hydrocarbon film is not particularly limited, and a known hydrocarbon electrolyte film is used. Specifically, a hydrocarbon-based resin film having a sulfonic acid group, a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, an organic partially substituted with a functional group of a proton conductor / Inorganic hybrid polymer, proton conductor impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution in polymer matrix is used, but considering oxidation resistance, low gas permeability, ease of production and low cost, A hydrocarbon film having a sulfonic acid group is preferred. The hydrocarbon membrane used in the present invention is not particularly limited, and a known hydrocarbon electrolyte membrane is used. For example, sulfonated polyethersulfone (S-PES), PBI (polybenzimidazole) , PBO (polybenzoxazole), S-PPBP (sulfonated polyphenoxybenzoylphenylene), S-PEEK (sulfonated polyetheretherketone), sulfonamide type polyethersulfone, sulfonated polyetheretherketone, sulfonamide type poly Ether ether ketone, sulfonated crosslinked polystyrene, sulfonamide type crosslinked polystyrene, sulfonated polytrifluorostyrene, sulfonamide type polytrifluorostyrene, sulfonated polyaryletherketone, sulfonamide type polyaryl ether T, sulfonated poly (aryl ether sulfone), sulfonamide type poly (aryl ether sulfone), polyimide, sulfonated polyimide, sulfonamide type polyimide, sulfonated 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene, sulfonamide type 4- Phenoxybenzoyl-1,4-phenylene, phosphonic acid type 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene, sulfonated polybenzimidazole, sulfonamide type polybenzimidazole, phosphonic acid type polybenzimidazole, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonamide Type polyphenylene sulfide, sulfonated polybiphenylene sulfide, sulfonamide type polybiphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonamide type polyphenylene sulfide Preferred examples include nylene sulfone, sulfonated polyphenoxybenzoylphenylene, sulfonated polystyrene-ethylene-propylene, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyphenyleneimide, polybenzimidazole-alkylsulfonic acid, sulfoallylated polybenzimidazole, and the like. It is done. These hydrocarbon-based electrolyte membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the selectivity of the material is high. In addition, as for the electrolyte (ion exchange resin) mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is needless to say that other materials may be used without being limited to the above-described materials.
これらのうち、上述したように、本発明によると、フラレノールの存在によりプロトン伝導性が向上できるので、炭化水素系電解質膜/炭化水素系電解質、特にプロトン解離性の官能基を有する炭化水素系電解質膜/炭化水素系電解質が特に有用である。ゆえに、本発明では、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェノキシベンゾイルフェニレン(S−PPBP)が電解質膜を構成する電解質として特に好ましく使用される。 Among these, as described above, according to the present invention, proton conductivity can be improved by the presence of fullerenol, so that the hydrocarbon-based electrolyte membrane / hydrocarbon-based electrolyte, particularly the hydrocarbon-based electrolyte having a proton-dissociating functional group. Membrane / hydrocarbon electrolytes are particularly useful. Therefore, in the present invention, sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK), and sulfonated polyphenoxybenzoylphenylene (S-PPBP) are particularly preferable as the electrolyte constituting the electrolyte membrane. used.
電解質膜の厚さは、当該膜を組み込むMEAや固体電解質型燃料電池(PEFC)の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。ただし、電解質膜の厚さは、好ましくは5〜300μmであり、より好ましくは10〜200μmであり、さらに好ましくは15〜150μmであり、特に好ましくは20〜50μmである。厚さがこのような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性、および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。 The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the MEA incorporating the membrane or the solid electrolyte fuel cell (PEFC), and is not particularly limited. However, the thickness of the electrolyte membrane is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, still more preferably 15 to 150 μm, and particularly preferably 20 to 50 μm. When the thickness is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.
本発明では、添加剤を、電解質に対して、1〜50質量%、添加・分散させることが必須の構成要件である。この際、添加剤の量が1質量%未満であると、添加による効果(特に、プロトン伝導性の向上効果や電解質劣化の抑制/防止効果)が得られない。逆に、添加剤の量が50質量%を超えると、添加に見合う効果の向上が認められず、逆に材料の靭性が失われることにより、長期運転に対する耐久性が失われたり、製膜自体が困難となる。添加剤の量は、電解質に対して、好ましくは2〜40質量%、より好ましくは5〜30質量%である。 In the present invention, it is essential to add and disperse the additive in an amount of 1 to 50% by mass with respect to the electrolyte. At this time, when the amount of the additive is less than 1% by mass, the effect of addition (particularly, the effect of improving proton conductivity and the effect of suppressing / preventing electrolyte deterioration) cannot be obtained. On the contrary, if the amount of the additive exceeds 50% by mass, the improvement of the effect corresponding to the addition is not recognized, and conversely the toughness of the material is lost. It becomes difficult. The amount of the additive is preferably 2 to 40% by mass, more preferably 5 to 30% by mass with respect to the electrolyte.
前記添加剤が金属酸化物の場合の添加量は、電解質に対して、1〜50質量%であることが必須であり、好ましくは3〜30質量%、より好ましくは7〜25質量%である。この際、添加剤の量が添加剤の量が1質量%未満であると、添加による効果(特に、プロトン伝導性の向上効果や電解質劣化の抑制/防止効果)が得られない。逆に、添加剤の量が50質量%を超えると、添加に見合う効果の向上が認められず、逆に材料の靭性が失われることにより、長期運転に対する耐久性が失われたり、製膜自体が困難となる。 When the additive is a metal oxide, it is essential that the additive is 1 to 50% by mass, preferably 3 to 30% by mass, more preferably 7 to 25% by mass with respect to the electrolyte. . At this time, if the amount of the additive is less than 1% by mass, the effect of addition (particularly, the effect of improving proton conductivity and the effect of suppressing / preventing electrolyte deterioration) cannot be obtained. On the contrary, if the amount of the additive exceeds 50% by mass, the improvement of the effect corresponding to the addition is not recognized, and conversely the toughness of the material is lost. It becomes difficult.
また、前記添加剤がフラレノールの場合の添加量は、電解質に対して、1〜50質量%が好ましく、1質量%未満であると、フラレノールの添加による効果(特に、プロトン伝導性の向上効果や電解質劣化の抑制/防止効果)が十分達成されず、工程数の増加によるコスト増大に対しての優位性がない場合がある。逆に、フラレノールの量が50質量%を超えると、フラレノールの添加に見合う効果の向上が認められず、逆に材料の靭性が失われることにより、長期運転に対する耐久性が失われる場合がある。フラレノールの量は、電解質に対して、好ましくは2.5〜25質量%、より好ましくは5〜20質量%である。 In addition, when the additive is fullerenol, the addition amount is preferably 1 to 50% by mass with respect to the electrolyte, and if it is less than 1% by mass, the effect of addition of fullerenol (especially the effect of improving proton conductivity or In some cases, the effect of suppressing / preventing electrolyte deterioration is not sufficiently achieved, and there is no advantage over cost increase due to an increase in the number of steps. Conversely, if the amount of fullerenol exceeds 50% by mass, no improvement in the effect commensurate with the addition of fullerenol is observed, and conversely, the durability against long-term operation may be lost due to the loss of the toughness of the material. The amount of fullerenol is preferably 2.5 to 25% by mass, more preferably 5 to 20% by mass with respect to the electrolyte.
本発明は、水の拡散を促進する部位が設けられている電解質膜であって、前記部位に、前記添加剤が含まれることが好ましい。例えば本発明の電解質を電池に用いる場合、水の拡散を促進する部位を電解質膜内に設けることによって、発電中に、プロトンの同伴水流出による乾燥や高電流密度または高湿度下でのフラッディング現象による性能低下を防ぎ、低湿度条件、高電流密度側での性能が向上できる。 The present invention is an electrolyte membrane provided with a site that promotes diffusion of water, and the site preferably contains the additive. For example, when the electrolyte of the present invention is used in a battery, by providing a portion that promotes water diffusion in the electrolyte membrane, during power generation, drying due to outflow of proton entrained water or flooding phenomenon under high current density or high humidity This prevents the performance degradation due to the low humidity condition and the performance on the high current density side.
ここでいう水の拡散を促進する部位は、電解質膜中の面方向でまたは厚さ方向に設けてもよく、さらには面方向および厚さ方向のいずれに設けられてもよい。 The site | part which accelerates | stimulates the spreading | diffusion of a water here may be provided in the surface direction or thickness direction in an electrolyte membrane, and may be provided in any of a surface direction and thickness direction.
尚、本明細書において、「水の拡散を促進する部位」とは、水の拡散速度が高い領域をいい、具体的には水の拡散速度が1×10−7(cm2/s)以上の領域をいい(より具体的には、湿度30〜80%RHでは3×10−○以上、1×10−4以下がより好ましい)、フラーレン誘導体、金属酸化剤などを添加することにより、水の拡散速度が添加しない場合と比較して高くなった領域でもある。 In the present specification, the “site that promotes the diffusion of water” refers to a region where the diffusion rate of water is high. Specifically, the diffusion rate of water is 1 × 10 −7 (cm 2 / s) or more. (More specifically, 3 × 10 − ○ or more and 1 × 10 −4 or less is more preferable at a humidity of 30 to 80% RH), and by adding a fullerene derivative, a metal oxidizer, This is also a region in which the diffusion rate is higher than that in the case where no diffusion rate is added.
本発明は、電解質膜の両側にアノード電極触媒層とカソード電極触媒層とをそれぞれ備え、さらに前記アノード電極触媒層およびカソード電極触媒層を担持するよう1対のガス拡散層を形成してなる電解質膜−電極接合体において、水の拡散を促進する部位は膜の乾燥が乾燥しやすい部位に設けることが好ましく、例えば前記電解質膜−電極接合体の厚み方向に対しては、電解質膜中のアノード側の少なくとも一部に形成されていることがより好ましく、前記部位は前記電解質膜−電極接合体の面内方向に対しては、電解質膜中のカソードガス入り口側に形成されていることがより好ましい。 The present invention provides an electrolyte comprising an anode electrode catalyst layer and a cathode electrode catalyst layer on both sides of an electrolyte membrane, and further formed with a pair of gas diffusion layers so as to carry the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer. In the membrane-electrode assembly, it is preferable that the portion that promotes the diffusion of water is provided in a portion where drying of the membrane is easy to dry. For example, in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, the anode in the electrolyte membrane More preferably, the portion is formed on at least a part of the cathode gas inlet side in the electrolyte membrane with respect to the in-plane direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. preferable.
さらに、本発明については、水の拡散を促進する部位はフラッディング現象が起こりやすい部位に設けることが好ましく、前記部位は前記電解質膜−電極接合体の厚み方向に対しては、電解質膜中のカソード側の少なくとも一部に形成されていることがより好ましく、前記部位は前記電解質膜−電極接合体の面内方向に対しては、電解質膜中のカソードガス出口側に形成されていることがより好ましい。 Further, in the present invention, it is preferable to provide the portion that promotes the diffusion of water in a portion where a flooding phenomenon easily occurs, and the portion is a cathode in the electrolyte membrane with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. More preferably, the portion is formed on at least a part of the cathode gas outlet side in the electrolyte membrane with respect to the in-plane direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. preferable.
特に、本発明に係る電解質膜内における水の拡散を促進する部位は、低加湿度(湿度0〜40%RH)での水の拡散係数を促進させる場合、電解質膜が乾燥しやすい部位に設けることが好ましく、具体的に電解質膜が乾燥しやすい部位とはアノード側および/またはカソードガス入り口側であり、より具体的には、電解質膜の厚さ方向では水の拡散を促進する部位はアノード側に形成されることがより好ましく、および/または電解質膜の面方向では水の拡散を促進する部位はカソードガス入り口側に形成されることがより好ましい。より詳細に電解質膜の厚さ方向について説明すると、電解質膜の膜厚方向をx軸にし、電解質膜の膜厚をL、電解質膜の中心(後述する電解質膜の膜厚の中点と同一)をx=0、カソード側の電解質膜の表面をx=(−1/2)L、アノード側の電解質膜の表面をx=(1/2)Lとすると、0≦x≦(1/2)Lがアノード側として水の拡散を促進する部位として好ましい領域であり、(1/3)L≦x≦(1/2)Lが水の拡散を促進する部位としてより好ましい領域である。 In particular, the portion that promotes the diffusion of water in the electrolyte membrane according to the present invention is provided at a portion where the electrolyte membrane is easily dried when the diffusion coefficient of water at a low humidity (humidity 0 to 40% RH) is promoted. Preferably, the part where the electrolyte membrane is easy to dry is the anode side and / or the cathode gas inlet side, and more specifically, the part which promotes the diffusion of water in the thickness direction of the electrolyte membrane is the anode side. More preferably, the portion that promotes the diffusion of water in the surface direction of the electrolyte membrane is formed on the cathode gas inlet side. The thickness direction of the electrolyte membrane will be described in more detail. The thickness direction of the electrolyte membrane is the x axis, the thickness of the electrolyte membrane is L, and the center of the electrolyte membrane (the same as the middle point of the thickness of the electrolyte membrane described later) X = 0, the surface of the electrolyte membrane on the cathode side is x = (− 1/2) L, and the surface of the electrolyte membrane on the anode side is x = (1/2) L, 0 ≦ x ≦ (1/2 ) L is a preferable region as a portion promoting the diffusion of water on the anode side, and (1/3) L ≦ x ≦ (1/2) L is a more preferable region as a portion promoting the diffusion of water.
上記に代えてまたは加えて、より詳細に電解質膜の面内方向について説明すると、上記のx軸上における電解質膜の中心からx軸に対し垂直にy軸を設けた場合、電解質膜の長さをkとし、ガスがy軸のマイナス方向からプラス方向に通過するとすると、0≦y≦(1/2)kが水の拡散を促進する部位としてのカソードガス入り口側の領域で好ましい範囲であり、0≦y≦(1/3)kが水の拡散を促進する部位としてのカソードガス入り口側の領域でより好ましい範囲である。これにより、低湿度での水の拡散係数を向上させ、乾燥による性能低下を防ぐことができると考えられる。 Instead of or in addition to the above, the in-plane direction of the electrolyte membrane will be described in more detail. When the y axis is provided perpendicular to the x axis from the center of the electrolyte membrane on the x axis, the length of the electrolyte membrane Is k and the gas passes from the minus direction of the y-axis in the plus direction, 0 ≦ y ≦ (1/2) k is a preferable range in the region on the cathode gas inlet side as a portion that promotes the diffusion of water. , 0 ≦ y ≦ (1/3) k is a more preferable range in the region on the cathode gas inlet side as a portion that promotes the diffusion of water. As a result, it is considered that the diffusion coefficient of water at low humidity can be improved and performance degradation due to drying can be prevented.
上記のカソードガス入り口側、アノード側に、上記のフラーレン誘導体または金属酸化物などの添加物を含ませることが好ましい。 It is preferable that the cathode gas inlet side and the anode side contain an additive such as the above fullerene derivative or metal oxide.
上記本発明に係る電解質膜内における水の拡散を促進する部位としてのアノード側とは、電解質膜の中心面(電解質膜の膜厚方向をx軸にし、当該x軸上における電解質膜の膜厚の中点から垂直に電解質膜を切断した場合の仮想面)を基準として、アノード側の領域をいい、上記本発明に係る電解質膜内における水の拡散を促進する部位としてのカソード側とは、電解質膜の中心面を基準として、カソード側の領域をいう。 The anode side as the site for promoting the diffusion of water in the electrolyte membrane according to the present invention is the center plane of the electrolyte membrane (the thickness direction of the electrolyte membrane is the x axis, and the thickness of the electrolyte membrane on the x axis is The region on the anode side with reference to the virtual plane when the electrolyte membrane is cut perpendicularly from the middle point of the cathode, and the cathode side as a site that promotes the diffusion of water in the electrolyte membrane according to the present invention, A region on the cathode side with reference to the center plane of the electrolyte membrane.
本発明に係る電解質膜内における水の拡散を促進する部位が、高加湿度(湿度40〜100%RH)での水の拡散係数を向上させる場合、フラッディング現象を起こしやすい部位に設けることが好ましく、具体的にはカソード側であり、より具体的には、電解質膜の厚さ方向ではカソード側、電解質膜の面方向ではカソードガス出口側に形成されることがより好ましい。 When the portion that promotes the diffusion of water in the electrolyte membrane according to the present invention improves the diffusion coefficient of water at a high humidity (humidity 40 to 100% RH), it is preferably provided at a portion that easily causes a flooding phenomenon. More specifically, it is on the cathode side, and more specifically, it is more preferably formed on the cathode side in the thickness direction of the electrolyte membrane and on the cathode gas outlet side in the surface direction of the electrolyte membrane.
より詳細に電解質膜の厚さ方向を説明すると、電解質膜の膜厚方向をx軸にし、電解質膜の膜厚をL、電解質膜の中心をx=0、カソード側の電解質膜の表面をx=(−1/2)L、アノード側の電解質膜の表面をx=(1/2)Lとすると、(−1/2)L≦x≦0がカソード側として水の拡散を促進する部位として好ましい領域であり、(−1/2)L≦x≦−(1/3)Lが水の拡散を促進する部位としてより好ましい領域である。 The thickness direction of the electrolyte membrane will be described in more detail. The thickness direction of the electrolyte membrane is taken as the x axis, the thickness of the electrolyte membrane is L, the center of the electrolyte membrane is x = 0, and the surface of the electrolyte membrane on the cathode side is x. = (− 1/2) L, where x = (1/2) L is the surface of the electrolyte membrane on the anode side, (−1/2) L ≦ x ≦ 0 is the portion that promotes water diffusion on the cathode side (−1/2) L ≦ x ≦ − (1/3) L is a more preferable region as a portion that promotes the diffusion of water.
上記に代えてまたは加えて、より詳細に電解質膜の面内方向を説明すると、上記のx軸上における電解質膜の中心から垂直にy軸を設けた場合、電解質膜の長さをkとし、ガスの流れる方向をy軸のブラス方向とすると、(1/2)k≦y≦kが水の拡散を促進する部位としてのカソードガス出口側の領域で好ましい範囲であり、(2/3)k≦x≦kが水の拡散を促進する部位としてのカソードガス出口側の領域でより好ましい範囲である。これにより、高湿度での水の拡散係数を向上させ、高湿度や高電流密度での性能低下を防ぐことができる。 Instead of or in addition to the above, the in-plane direction of the electrolyte membrane will be described in more detail. When the y axis is provided perpendicularly from the center of the electrolyte membrane on the x axis, the length of the electrolyte membrane is k, Assuming that the gas flow direction is the y-axis brass direction, (1/2) k ≦ y ≦ k is a preferable range in the region on the cathode gas outlet side as a portion that promotes the diffusion of water, and (2/3) k ≦ x ≦ k is a more preferable range in the region on the cathode gas outlet side as the portion that promotes the diffusion of water. Thereby, the diffusion coefficient of water at high humidity can be improved, and performance degradation at high humidity and high current density can be prevented.
上記のカソードガス出口側、カソード側に、上記の金属酸化物などの添加物を含ませることが好ましい。 It is preferable that the cathode gas outlet side and the cathode side contain an additive such as the above metal oxide.
尚、水の拡散を促進する部位を設ける際に、層状であっても膜状であってもよく、電解質膜が複数層構造をとることにより、水の拡散係数を向上させ、高湿度や高電流密度での性能低下を防ぐことができる。 In addition, when providing the site | part which accelerates | stimulates the spreading | diffusion of water, it may be a layer form or a film | membrane form, and when the electrolyte membrane takes a multi-layer structure, the diffusion coefficient of water is improved, high humidity and Performance degradation at current density can be prevented.
さらに、本発明は、フラ−レン誘導体の添加剤と前記金属酸化物の添加剤とが、同一の水の拡散を促進する部位に含まれても良いが、それぞれ異なる部位に用いることがより好ましい。 Further, in the present invention, the fullerene derivative additive and the metal oxide additive may be included in the same site that promotes the diffusion of water, but are more preferably used in different sites. .
また、上記したように、低湿度と高湿度との上記の条件を組み合わせて本発明に係る水の拡散を促進する部位を設けてもよい。 Moreover, as described above, a portion that promotes the diffusion of water according to the present invention may be provided by combining the above conditions of low humidity and high humidity.
尚、本明細書の図7において、水の拡散を促進する部分やカソードガス出口側、カソード入り口側の概念図を示してあるが、この図においてはガスの流路は、電解質膜の面方向に平行になるよう蛇行してガスが流れた場合のカソードガス出口側、カソード入り口側を記載してある。 In FIG. 7 of the present specification, there is shown a conceptual diagram of the portion that promotes the diffusion of water, the cathode gas outlet side, and the cathode inlet side. In this figure, the gas flow path is the surface direction of the electrolyte membrane. The cathode gas outlet side and the cathode inlet side when the gas flows meandering in parallel with each other are described.
本発明に係る電解質膜中において、水の拡散を促進する部位の含水率は増加しないが、水の拡散を促進する部位の水の拡散は促進されることが好ましい。なぜなら、電解質膜中の全体の含水量が増えることで、アノード側などの乾燥する部分には幾分かは水分が供給されるが、電解質膜の含水量が増えるとフラッディング現象が起こりやすくなるため、系の水分量は一定に保ったまま水が拡散により系内を循環することで、電解質膜内、しいては膜−電極接合体の系の水分量の管理ができると考えられるからである。 In the electrolyte membrane according to the present invention, the water content of the site that promotes the diffusion of water does not increase, but the diffusion of water at the site that promotes the diffusion of water is preferably promoted. This is because some moisture is supplied to the dried part such as the anode side due to the increase in the total water content in the electrolyte membrane, but flooding phenomenon tends to occur when the water content in the electrolyte membrane increases. This is because it is considered that the water content in the electrolyte membrane, and hence the membrane-electrode assembly system, can be managed by circulating water through the system by diffusion while keeping the water content of the system constant. .
本発明に係る電解質膜において、湿度30〜80%RHの範囲では水の拡散係数D(cm2/s)は3×10−7以上1×10−4以下であることが好ましい。 In the electrolyte membrane according to the present invention, the diffusion coefficient D (cm 2 / s) of water is preferably 3 × 10 −7 or more and 1 × 10 −4 or less in the range of 30 to 80% RH.
水の拡散係数D(cm2/s)が3×10−7未満であると、発電中の電場をかかった状態で、水の拡散速度が遅いために生成水が豊富なカソードから生成水のないアノードへの逆拡散が起こらず、アノードのドライアウトが防げない恐れがある。 When the water diffusion coefficient D (cm 2 / s) is less than 3 × 10 −7 , the generated water is generated from the cathode rich in generated water because the diffusion rate of water is slow in the state where an electric field is applied during power generation. There is a risk that back diffusion to the anode does not occur and anode dryout cannot be prevented.
本明細書の実施例から拡散係数の算出する方法を以下簡単に説明する。各湿度における電解質膜の重量の時間変化を計測する方法を用いるが、拡散式は一般に以下のFick第二法則で与えられ、 A method for calculating the diffusion coefficient from the embodiment of the present specification will be briefly described below. Although the method of measuring the time change of the weight of the electrolyte membrane at each humidity is used, the diffusion equation is generally given by the following Fick second law:
の初期計算法により、質量変化率(Mt/M∞)が√tに比例し、質量変化率(Mt/M∞)、時間(s)、膜厚から各湿度における拡散係数を算出する。 By the initial calculation method, the mass change rate (Mt / M∞) is proportional to √t, and the diffusion coefficient at each humidity is calculated from the mass change rate (Mt / M∞), time (s), and film thickness.
本発明の電解質膜の製造方法は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは修飾して適用できるが、単一層構造を有するフラレノール含有電解質膜を製造する際には、好ましくはフラレノールを膜中に均一に分散することができる方法が好ましい。フラレノールは酸性を呈するため、塩基性溶液に溶解する。このため、フラレノールを一旦塩基性溶液に溶解して、フラレノールが均一に溶解した塩基性フラレノール溶液を調製した後、この塩基性フラレノール溶液中に電解質膜を浸漬することによって、フラレノールは膜中に均一に分散することができる。したがって、本発明の第二は、(ア)フラレノールを塩基性溶液に溶解して、塩基性フラレノール溶液(1)を調製する工程;および(イ)前記塩基性フラレノール溶液(1)中に電解質膜を浸漬する工程を含む、本発明の電解質膜の製造方法を提供する。 The method for producing the electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, and a known method can be applied in the same manner or modified, but when producing a fullerenol-containing electrolyte membrane having a single layer structure, preferably fullerenol is used. A method capable of uniformly dispersing in the film is preferred. Since fullerenol is acidic, it dissolves in a basic solution. Therefore, once the fullerenol is dissolved in the basic solution to prepare a basic fullerenol solution in which the fullerenol is uniformly dissolved, and then the electrolyte membrane is immersed in the basic fullerenol solution, the fullerenol is uniformly dispersed in the film. Can be dispersed. Therefore, the second of the present invention is (a) a step of preparing a basic fullerenol solution (1) by dissolving fullerenol in a basic solution; and (a) an electrolyte membrane in the basic fullerenol solution (1). The manufacturing method of the electrolyte membrane of this invention including the process of soaking is provided.
ここで、まず、本発明の第二について詳細に説明する。 Here, first, the second of the present invention will be described in detail.
上記工程(ア)では、フラレノールを塩基性溶液に溶解して、塩基性フラレノール溶液(1)を調製する。この工程(ア)において、塩基性溶液は、フラレノールが溶解できるものであれば特に制限されないが、塩基性溶液を構成する塩基としては、例えば、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)等のアルカリ金属の水酸化物;水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物;水酸化アンモニウム(NH4OH)などが挙げられる。これらのうち、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化アンモニウム(NH4OH)及び水酸化リチウム(LiOH)が好ましい。電解質がスルホン基を有する場合には、水酸化バリウム、水酸化カルシウム中のバリウム、カルシウムがスルホン基に結合して脱離しにくい形態をとるので、電解質がスルホン基を有する場合には、これらの塩基は好ましくない。上記塩基は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、上記塩基を溶解する溶媒は、塩基及びフラレノールを溶解できるものであれば特に制限されないが、水;メタノール、エタノール、プロパノール等の低級アルコール;エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等の低級多価アルコール類;アセトン、メチルイソブチルケトン(MIBK)、メチルエチルケトン(MEK)及びシクロヘキサノン等のケトン類;エタンチオール、ベンジルチオールなどのメルカプタン類などが挙げられる。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。上記溶媒のうち、工程(イ)で電解質膜を溶解しない溶媒であることが好ましく、このような溶媒としては、特に水が好ましく使用される。 In the step (a), fullerenol is dissolved in a basic solution to prepare a basic fullerenol solution (1). In this step (a), the basic solution is not particularly limited as long as it can dissolve fullerenol. Examples of the base constituting the basic solution include lithium hydroxide (LiOH) and sodium hydroxide (NaOH). And alkali metal hydroxides such as potassium hydroxide (KOH); alkaline earth metal hydroxides such as calcium hydroxide, barium hydroxide and magnesium hydroxide; ammonium hydroxide (NH 4 OH) and the like. . Of these, potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) and lithium hydroxide (LiOH) are preferred. When the electrolyte has a sulfone group, it takes a form in which barium hydroxide, barium in calcium hydroxide, and calcium are bonded to the sulfone group and are not easily released. Therefore, when the electrolyte has a sulfone group, these bases Is not preferred. The above bases may be used alone or in the form of a mixture of two or more. The solvent for dissolving the base is not particularly limited as long as it can dissolve the base and fullerenol, but water; lower alcohols such as methanol, ethanol and propanol; lower polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol and glycerin. Ketones such as acetone, methyl isobutyl ketone (MIBK), methyl ethyl ketone (MEK) and cyclohexanone; mercaptans such as ethanethiol and benzylthiol. The said solvent may be used independently or may be used with the form of a 2 or more types of mixture. Among the above solvents, a solvent that does not dissolve the electrolyte membrane in the step (A) is preferable, and water is particularly preferably used as such a solvent.
さらに、塩基性溶液のpHは、フラレノールの溶解を阻害せず、電解質を溶解したり、過度に膨潤させたりしない程度であれば特に制限されない。好ましくは7〜14、より好ましくは12〜14である。このようなpHの範囲であれば、フラレノールを十分溶解でき、かつ後工程で電解質膜を添加しても電解質膜は劣化したり変質したりしない。この際、塩基の溶媒への添加量は、フラレノールが溶解できる量であれば特に制限されず、好ましくは塩基性溶液のpHが上記範囲になるような量である。 Further, the pH of the basic solution is not particularly limited as long as it does not inhibit the dissolution of fullerenol and does not dissolve or excessively swell the electrolyte. Preferably it is 7-14, More preferably, it is 12-14. Within such a pH range, fullerenol can be sufficiently dissolved, and even if an electrolyte membrane is added in a later step, the electrolyte membrane does not deteriorate or deteriorate. At this time, the amount of the base added to the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve fullerenol, and is preferably an amount such that the pH of the basic solution falls within the above range.
上記工程(ア)において、フラレノールの塩基性溶液への添加量は、工程(イ)後に得られる膜中へのフラレノールの含量が膜を構成する電解質に対して、1〜50質量%となるような量であれば特に制限されず、フラレノールの膜への分散量によって適宜選択される。好ましくは、フラレノールの塩基性溶液への添加量は、溶液中の濃度が5〜40(w/v)%、より好ましくは10〜40(w/v)%となるような量である。このような範囲であれば、フラレノールは容易に塩基性溶液中に溶解できる。 In the above step (a), the amount of fullerenol added to the basic solution is such that the content of fullerenol in the membrane obtained after step (a) is 1 to 50% by mass with respect to the electrolyte constituting the membrane. The amount is not particularly limited as long as it is an appropriate amount, and is appropriately selected depending on the amount of fullerenol dispersed in the film. Preferably, the amount of fullerenol added to the basic solution is such that the concentration in the solution is 5 to 40 (w / v)%, more preferably 10 to 40 (w / v)%. If it is such a range, fullerenol can be easily dissolved in a basic solution.
上記工程(イ)では、上記工程(ア)で調製された塩基性フラレノール溶液(1)中に電解質膜を浸漬する。この工程における膜の浸漬条件は、十分量のフラレノールが膜中に均一に分散できる条件であれば特に制限されないが、電解質が溶出したり過度に膨潤させたりしない程度であることが好ましい。例えば、20〜80℃、より好ましくは20〜40℃で、6〜48時間、より好ましくは10〜20時間、上記工程(ア)で調製された塩基性フラレノール溶液(1)中に電解質膜を浸漬することが好ましい。なお、本工程で使用される電解質膜は、上記したのと同様であるため、ここでは説明を省略する。また、本工程(イ)は、1回の工程でフラレノールの膜への分散量が所望のレベルにまで達しない場合には、所望のレベルに達するまで、上記工程を複数回繰り返してもよい。 In the step (A), the electrolyte membrane is immersed in the basic fullerenol solution (1) prepared in the step (A). The conditions for immersing the film in this step are not particularly limited as long as a sufficient amount of fullerenol can be uniformly dispersed in the film, but it is preferable that the electrolyte does not elute or swell excessively. For example, the electrolyte membrane is placed in the basic fullerenol solution (1) prepared in the above step (a) at 20 to 80 ° C., more preferably 20 to 40 ° C., for 6 to 48 hours, more preferably 10 to 20 hours. It is preferable to immerse. In addition, since the electrolyte membrane used at this process is the same as that mentioned above, description is abbreviate | omitted here. Further, in this step (a), when the amount of fullerenol dispersed in the film does not reach a desired level in one step, the above step may be repeated a plurality of times until the desired level is reached.
または、フラレノールを一旦塩基性溶液に溶解して、フラレノールが均一に溶解した塩基性フラレノール溶液を調製した後、この塩基性フラレノール溶液を電解質と混合して、フラレノール及び電解質が溶液中に均一に溶解するフラレノール−電解質混合液を調製した後、この混合液を用いて膜に成形することによっても、フラレノールが均一に分散する電解質膜が得られる。したがって、本発明の第三は、(ア’)フラレノールを塩基性溶液に溶解して、塩基性フラレノール溶液(2)を調製する工程;(イ’)前記塩基性フラレノール溶液(2)を電解質と混合し、フラレノール−電解質混合液(1)を調製する工程;および(ウ’)前記フラレノール−電解質混合液(1)を膜に成形する工程を含む、本発明の電解質膜の製造方法を提供する。 Alternatively, once the fullerenol is once dissolved in a basic solution to prepare a basic fullerenol solution in which the fullerenol is uniformly dissolved, this basic fullerenol solution is mixed with the electrolyte, and the fullerenol and the electrolyte are uniformly dissolved in the solution. After preparing a fullerenol-electrolyte mixed solution, an electrolyte membrane in which fullerenol is uniformly dispersed can be obtained by forming the fullerenol-electrolyte mixed solution into a membrane using the mixed solution. Therefore, the third of the present invention is (a ′) a step of preparing a basic fullerenol solution (2) by dissolving fullerenol in a basic solution; (ii ′) the basic fullerenol solution (2) as an electrolyte. There is provided a method for producing an electrolyte membrane of the present invention, comprising: mixing to prepare a fullerenol-electrolyte mixed solution (1); and (c) a step of forming the fullerenol-electrolyte mixed solution (1) into a membrane. .
ここで、本発明の第三について詳細に説明する。 Here, the third aspect of the present invention will be described in detail.
上記工程(ア’)では、フラレノールを塩基性溶液に溶解して、塩基性フラレノール溶液(2)を調製する。この工程(ア’)において、塩基性溶液は、フラレノールが溶解できるものであれば特に制限されないが、塩基性溶液を構成する塩基としては、例えば、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)等のアルカリ金属の水酸化物;水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物;水酸化アンモニウム(NH4OH)などが挙げられる。これらのうち、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化アンモニウム(NH4OH)及び水酸化リチウム(LiOH)、さらに好ましくは水酸化カリウム(NaOH)、水酸化ナトリウム(KOH)及び水酸化アンモニウム(NH4OH)が好ましい。電解質がスルホン基を有する場合には、水酸化バリウム、水酸化カルシウム中のバリウム、カルシウムがスルホン基に結合して脱離しにくい形態をとるので、電解質がスルホン基を有する場合には、これらの塩基は好ましくない。上記塩基は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、上記塩基を溶解する溶媒は、塩基、フラレノール及び電解質を溶解できるものであれば特に制限されないが、水;メタノール、エタノール、プロパノール等の低級アルコール;エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等の低級多価アルコール類;アセトン、メチルイソブチルケトン(MIBK)、メチルエチルケトン(MEK)及びシクロヘキサノン等のケトン類;エタンチオール、ベンジルチオールなどのメルカプタン類などが挙げられる。 In the above step (a ′), fullerenol is dissolved in a basic solution to prepare a basic fullerenol solution (2). In this step (a ′), the basic solution is not particularly limited as long as it can dissolve fullerenol. Examples of the base constituting the basic solution include lithium hydroxide (LiOH) and potassium hydroxide (KOH). ), Hydroxides of alkali metals such as sodium hydroxide (NaOH); hydroxides of alkaline earth metals such as calcium hydroxide, barium hydroxide, magnesium hydroxide; ammonium hydroxide (NH 4 OH) It is done. Of these, potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) and lithium hydroxide (LiOH), more preferably potassium hydroxide (NaOH), sodium hydroxide (KOH) And ammonium hydroxide (NH 4 OH) is preferred. When the electrolyte has a sulfone group, it takes a form in which barium hydroxide, barium in calcium hydroxide, and calcium are bonded to the sulfone group and are not easily released. Therefore, when the electrolyte has a sulfone group, these bases Is not preferred. The above bases may be used alone or in the form of a mixture of two or more. The solvent for dissolving the base is not particularly limited as long as it can dissolve the base, fullerenol, and electrolyte, but water; lower alcohols such as methanol, ethanol, and propanol; lower solvents such as ethylene glycol, propylene glycol, and glycerin. Examples thereof include monohydric alcohols; ketones such as acetone, methyl isobutyl ketone (MIBK), methyl ethyl ketone (MEK), and cyclohexanone; mercaptans such as ethanethiol and benzylthiol.
上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。上記溶媒のうち、工程(イ’)で電解質と混合した時に、フラレノール及び電解質が均一に混合するよう、フラレノール及び電解質を溶解できるものであることが好ましい。このような溶媒としては、低級ケトン類、低級アルコール類、あるいはこれらの溶媒と水との混合溶媒などが好ましく使用され、フラレノールを溶解する(塩基性水溶液を調製する)ための水と、及び電解質を溶解するためのアセトン、メタノール、エタノール、プロパノールとの混合液を使用することがより好ましい。これにより、フラレノール及び電解質双方が十分均一に混合できるからである。この際の水、及び上記電解質を溶解するための溶媒との混合比は、フラレノール及び電解質が十分均一に混合できる割合であれば特に制限されないが、水と電解質を溶解できる溶媒とを、0.5:9.5〜5:5、より好ましくは1:9〜2:8の質量比で混合した混合液が特に好ましく使用される。 The said solvent may be used independently or may be used with the form of a 2 or more types of mixture. Of the above solvents, it is preferable that the fullerenol and the electrolyte can be dissolved so that the fullerenol and the electrolyte are uniformly mixed when mixed with the electrolyte in the step (ii). As such a solvent, lower ketones, lower alcohols, or a mixed solvent of these solvents and water are preferably used, and water for dissolving fullerenol (preparing a basic aqueous solution), and an electrolyte It is more preferable to use a mixed solution of acetone, methanol, ethanol, and propanol for dissolving the solvent. This is because both fullerenol and the electrolyte can be sufficiently uniformly mixed. The mixing ratio of water and the solvent for dissolving the electrolyte at this time is not particularly limited as long as the fullerenol and the electrolyte can be mixed sufficiently uniformly. A mixed solution mixed at a mass ratio of 5: 9.5 to 5: 5, more preferably 1: 9 to 2: 8 is particularly preferably used.
さらに、塩基性溶液のpHは、フラレノールが溶解でき、次工程での電解質溶液あるいは電解質の添加によるpH変化によってpHが酸性側に変化することによりフラレノールが不溶化しない程度であれば特に制限されない。好ましくは10〜14、より好ましくは12〜14である。このようなpHの範囲であれば、フラレノールを十分溶解でき、かつ後工程で電解質を添加・混合してもフラレノールの沈降は起こらない。この際、塩基の溶媒への添加量は、フラレノールが溶解できる量であれば特に制限されず、好ましくは塩基性溶液のpHが上記範囲になるような量である。 Further, the pH of the basic solution is not particularly limited as long as it can dissolve fullerenol and does not insolubilize fullerenol by changing the pH to the acidic side due to pH change due to addition of an electrolyte solution or electrolyte in the next step. Preferably it is 10-14, More preferably, it is 12-14. Within such a pH range, fullerenol can be sufficiently dissolved, and precipitation of fullerenol does not occur even when an electrolyte is added and mixed in a subsequent step. At this time, the amount of the base added to the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve fullerenol, and is preferably an amount such that the pH of the basic solution falls within the above range.
上記工程(ア’)において、フラレノールの塩基性溶液への添加量は、工程(ウ’)後に得られる膜中へのフラレノールの含量が膜を構成する電解質に対して、1〜50質量%となるような量であれば特に制限されず、フラレノールの膜への分散量によって適宜選択される。好ましくは、フラレノールの塩基性溶液への添加量は、溶液中の濃度が0.01〜40(w/v)%、より好ましくは0.01〜20(w/v)%となるような量である。このような範囲であれば、フラレノールは容易に塩基性溶液中に溶解できる。 In the above step (A ′), the amount of fullerenol added to the basic solution is 1 to 50% by mass with respect to the electrolyte in which the content of fullerenol in the membrane obtained after the step (U ′) constitutes the membrane. The amount is not particularly limited and is appropriately selected depending on the amount of fullerenol dispersed in the film. Preferably, the amount of fullerenol added to the basic solution is such that the concentration in the solution is 0.01 to 40 (w / v)%, more preferably 0.01 to 20 (w / v)%. It is. If it is such a range, fullerenol can be easily dissolved in a basic solution.
上記工程(イ’)では、上記工程(ア’)で調製された塩基性フラレノール溶液(2)を電解質と混合し、フラレノール−電解質混合液(1)を調製する。この工程において、塩基性フラレノール溶液(2)と電解質との混合比は、後工程(エ)で得られる膜中のフラレノールの所望の量に応じて適宜選択される。具体的には、上記膜中でのフラレノールの量(電解質に対して、1〜50質量%)と同様である。また、電解質は、溶液の形態で塩基性フラレノール溶液と混合されてもよい。この際、電解質を溶解するのに使用される溶媒は、特に制限されないが、例えば、水/低級アルコール混合溶媒、水/低級ケトン化合物混合溶媒、非プロトン性極性溶媒などが使用できるが、好ましくは上記(ア’)と相溶できるものが使用できるが、より好ましくは上記(ア’)と同一の組成の溶媒が選択される。電解質を溶液の形態で塩基性フラレノール溶液(2)と混合する際に、電解質の溶液における濃度は、特に制限されず、混合されるフラレノールとの割合や取り扱い易さによって適宜選択される。 In the step (ii '), the basic fullerenol solution (2) prepared in the step (a') is mixed with an electrolyte to prepare a fullerenol-electrolyte mixed solution (1). In this step, the mixing ratio of the basic fullerenol solution (2) and the electrolyte is appropriately selected according to the desired amount of fullerenol in the film obtained in the subsequent step (d). Specifically, it is the same as the amount of fullerenol in the membrane (1 to 50% by mass with respect to the electrolyte). The electrolyte may also be mixed with a basic fullerenol solution in the form of a solution. In this case, the solvent used for dissolving the electrolyte is not particularly limited, and for example, a water / lower alcohol mixed solvent, a water / lower ketone compound mixed solvent, an aprotic polar solvent, and the like can be used. A solvent compatible with the above (A ′) can be used, but more preferably a solvent having the same composition as the above (A ′) is selected. When the electrolyte is mixed with the basic fullerenol solution (2) in the form of a solution, the concentration of the electrolyte in the solution is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the ratio to the mixed fullerenol and ease of handling.
次に、上記工程(ウ’)では、上記工程(イ’)で得られたフラレノール−電解質混合液(1)を用いて膜に成形する。この際、膜の成形条件は、上記したような所望の厚さの電解質膜が得られるような条件であれば特に制限されない。具体的には、フラレノール−電解質混合液(1)を、ガラス板、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等のポリエステルシートなどのシートなどの上に、乾燥後の厚みが上記したような電解質膜の好ましい厚みになるように塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で乾燥を行う。乾燥の温度は使用した溶媒に応じて選択される。例えば、沸点が60℃未満の溶媒の場合には、好ましい乾燥温度は10〜20℃であり;60℃以上100℃未満の溶媒の場合には、好ましい乾燥温度は20〜40℃であり;100℃以上150℃未満の溶媒の場合には、好ましい乾燥温度は40〜80℃であり;150℃以上300℃未満の溶媒の場合には、好ましい乾燥温度は80〜150℃である。また、乾燥に要する時間は、溶媒の種類などによって適宜選択できるが、好ましくは4時間〜24時間、より好ましくは6〜20時間である。また、沸点の異なる複数の溶媒を用いた場合、沸点の低い成分が揮発するまで低温での乾燥を行い、より沸点の高い成分を揮発させるためにその後高温での乾燥を行ってもよい。 Next, in the step (C '), a film is formed using the fullerenol-electrolyte mixed solution (1) obtained in the step (A'). At this time, the film forming conditions are not particularly limited as long as the electrolyte film having a desired thickness as described above can be obtained. Specifically, the thickness of the fullerenol-electrolyte mixed solution (1) after drying on a sheet such as a glass sheet, a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, a PET (polyethylene terephthalate) sheet, or the like. The electrolyte membrane is applied so as to have a preferable thickness as described above, and is dried in a vacuum dryer or under reduced pressure. The drying temperature is selected according to the solvent used. For example, in the case of a solvent having a boiling point of less than 60 ° C., the preferred drying temperature is 10 to 20 ° C .; in the case of a solvent having a boiling point of 60 ° C. or more and less than 100 ° C., the preferred drying temperature is 20 to 40 ° C .; In the case of a solvent having a temperature not lower than 150 ° C. and lower than 150 ° C., a preferable drying temperature is 40 to 80 ° C .; in the case of a solvent not lower than 150 ° C. and lower than 300 ° C., the preferable drying temperature is 80 to 150 ° C. Moreover, although the time which drying requires can be suitably selected according to the kind etc. of solvent, Preferably it is 4 to 24 hours, More preferably, it is 6 to 20 hours. When a plurality of solvents having different boiling points are used, drying at a low temperature may be performed until a component having a low boiling point volatilizes, and then drying at a high temperature may be performed to volatilize a component having a higher boiling point.
なお、上記本発明の第二及び第三の方法が終了した後、膜中に含まれる塩基を除去する工程をさらに行なうことが好ましい。膜中に含まれるフラレノールは、上述したように、塩基性条件下では溶出するが、中性あるいは酸性条件下では不溶化する。このため、この性質を利用して、上記で得られた電解質膜を、25〜40℃で、1〜3時間、純水などに浸漬して、不溶化したフラレノールを電解質中に閉じ込めつつ、表面に付着した、容易に洗い落とされる余分なフラレノールを除去することができる。なお、余分なフラレノールの除去は他の方法によって行なわれてもよい。また、電解質膜中に含まれる塩基の除去方法もまた特に制限されず、公知の方法が使用でき、例えば、上記したようにして余分なフラレノールを除去した後の電解質膜を、酸性水溶液中に、25〜40℃で、5〜30時間、浸漬することにより中和した後、さらに25〜40℃で、5〜30時間、純水などに浸漬することによって、塩基を除去することができる。なお、上記方法で使用できる酸性水溶液は、使用される塩基を中和できるものであれば特に制限されず、例えば、硫酸、塩酸やリン酸の水溶液、好ましくは硫酸や塩酸の水溶液が使用でき、その濃度は使用される塩基の量によって適宜調節される。 In addition, it is preferable to further perform the process of removing the base contained in a film | membrane after the said 2nd and 3rd method of this invention is complete | finished. As described above, fullerenol contained in the membrane is eluted under basic conditions, but insolubilized under neutral or acidic conditions. For this reason, by utilizing this property, the electrolyte membrane obtained above is immersed in pure water or the like at 25 to 40 ° C. for 1 to 3 hours to confine insolubilized fullerenol in the electrolyte, and on the surface. Any excess fullerenol that adheres and is easily washed off can be removed. The removal of excess fullerenol may be performed by other methods. Also, the method for removing the base contained in the electrolyte membrane is not particularly limited, and a known method can be used.For example, the electrolyte membrane after removing the excess fullerenol as described above is placed in an acidic aqueous solution. After neutralizing by immersing at 25 to 40 ° C. for 5 to 30 hours, the base can be removed by further immersing in pure water or the like at 25 to 40 ° C. for 5 to 30 hours. The acidic aqueous solution that can be used in the above method is not particularly limited as long as it can neutralize the base used. For example, an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid or phosphoric acid, preferably an aqueous solution of sulfuric acid or hydrochloric acid can be used. The concentration is appropriately adjusted depending on the amount of base used.
または、フラレノール、電解質及び溶媒を一緒に混合した混合液を用いて膜に成形することによって、本発明の電解質膜を製造してもよい。したがって、本発明の第四は、(A)フラレノール、電解質及び溶媒を混合して、フラレノール−電解質混合液(2)を調製する工程;及び(B)前記フラレノール−電解質混合液(2)を膜に成形する工程を有する本発明の電解質膜の製造方法である。 Or you may manufacture the electrolyte membrane of this invention by shape | molding into a film | membrane using the liquid mixture which mixed fullerenol, electrolyte, and the solvent together. Accordingly, the fourth aspect of the present invention is that (A) a step of preparing a fullerenol-electrolyte mixture (2) by mixing fullerenol, an electrolyte and a solvent; and (B) the fullerenol-electrolyte mixture (2) as a membrane. It is the manufacturing method of the electrolyte membrane of this invention which has the process shape | molded in.
以下、本発明の第四の方法を詳細に説明する。 Hereinafter, the fourth method of the present invention will be described in detail.
上記工程(A)において、フラレノール−電解質混合液(2)を調製する際に使用される溶媒は、フラレノール及び電解質を双方とも溶解できるものであれば特に制限されないが、非プロトン性極性溶媒であることが好ましい。このような溶媒としては、特に制限されないが、具体的には、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、スルホラン、キノリン、ヘキサメチルリン酸トリアミドなどが挙げられ、好ましくは、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン,ジメチルアセトアミド、スルホラン及びヘキサメチルリン酸トリアミドである。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合液の形態で使用されてもよい。 In the above step (A), the solvent used in preparing the fullerenol-electrolyte mixed solution (2) is not particularly limited as long as it can dissolve both fullerenol and the electrolyte, but is an aprotic polar solvent. It is preferable. Such a solvent is not particularly limited, and specific examples include dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, sulfolane, quinoline, hexamethylphosphoric triamide, and preferably dimethyl sulfoxide. Dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, sulfolane and hexamethylphosphoric triamide. The said solvent may be used independently or may be used with the form of a 2 or more types of liquid mixture.
上記工程(A)において、電解質は、そのままの形態で混合されてもあるいは溶剤に一旦溶かした後溶液の形態で混合されてもいずれでもよいが、好ましくは溶液の形態で混合される。同様にして、フラレノールも、そのままの形態で混合されてもあるいは溶剤に一旦溶かした後溶液の形態で混合されてもいずれでもよいが、好ましくは溶液の形態で混合される。溶液の形態で使用する方が、取り扱いが容易であり、かつ溶液の形態の方が容易に混合するため、短時間でフラレノール及び電解質を容易にかつ均一に混合することができるからである。電解質を溶液の形態で混合する際に使用される溶剤は、電解質が溶解できるものであれば特に制限されないが、具体的には、上記フラレノール−電解質混合液(2)を調製する際に使用される溶媒から選択されることが好ましい。電解質の濃度は、特に制限されず、フラレノールの濃度などによって適宜選択できるが、溶液中、1〜25(w/v)%であることが好ましい。また、電解質の溶解性を促進するために、電解質を溶解した液を加熱してもよく、例えば、100〜120℃で30〜120分間、加熱すると、電解質は溶剤中に完全に溶解できる。また、フラレノールを溶液の形態で混合する際に使用される溶剤は、フラレノールが溶解できるものであれば特に制限されないが、具体的には、上記フラレノール−電解質混合液(2)を調製する際に使用される溶媒から選択されることが好ましい。フラレノール濃度は、特に制限されず、電解質の濃度などによって適宜選択できるが、溶液中、0.01〜25(w/v)%であることが好ましい。また、フラレノールの溶解性を促進するために、フラレノールを溶解した液を加熱してもよく、例えば、100〜120℃で15〜30分間、加熱すると、フラレノールは溶剤中に完全に溶解できる。なお、本発明では、フラレノール及び電解質を一旦溶媒で溶解した後、両者を混合する場合に使用される溶媒は、それぞれ同じであってもあるいは異なるものであってもよいが、取り扱いやすさや後の膜成形の操作性などを考慮すると、同じ溶媒であることが好ましい。 In the step (A), the electrolyte may be mixed in the form as it is or may be mixed in the form of a solution once dissolved in a solvent, but is preferably mixed in the form of a solution. Similarly, fullerenol may be mixed as it is, or once dissolved in a solvent and then mixed in the form of a solution, but is preferably mixed in the form of a solution. This is because the use in the form of a solution is easier to handle and the form of the solution is easier to mix, so that the fullerenol and the electrolyte can be easily and uniformly mixed in a short time. The solvent used when mixing the electrolyte in the form of a solution is not particularly limited as long as the electrolyte can be dissolved. Specifically, the solvent is used when preparing the fullerenol-electrolyte mixed solution (2). It is preferable to select from the following solvents. The concentration of the electrolyte is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the concentration of fullerenol, but is preferably 1 to 25 (w / v)% in the solution. Moreover, in order to accelerate | stimulate the solubility of electrolyte, you may heat the liquid which melt | dissolved electrolyte, for example, when it heats for 30 to 120 minutes at 100-120 degreeC, electrolyte can melt | dissolve completely in a solvent. Further, the solvent used when mixing fullerenol in the form of a solution is not particularly limited as long as it can dissolve fullerenol. Specifically, when preparing the fullerenol-electrolyte mixture (2), It is preferably selected from the solvents used. The fullerenol concentration is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the concentration of the electrolyte, but is preferably 0.01 to 25 (w / v)% in the solution. Moreover, in order to accelerate | stimulate the solubility of fullerenol, you may heat the liquid which melt | dissolved fullerenol, for example, if it heats for 15 to 30 minutes at 100-120 degreeC, fullerenol can melt | dissolve completely in a solvent. In the present invention, after the fullerenol and the electrolyte are once dissolved in a solvent, the solvents used when mixing both may be the same or different, but they are easy to handle and In consideration of film forming operability and the like, the same solvent is preferable.
また、フラレノール、電解質及び溶媒の混合順序は、特に制限されず、例えば、(ア)フラレノールを溶媒に溶解してフラレノール溶液を調製し、電解質を前記溶媒に溶解して電解質溶液を調製し、前記フラレノール溶液及び電解質溶液を混合する工程;(イ)フラレノールを溶媒に溶解してフラレノール溶液を調製し、前記フラレノール溶液に電解質を添加する工程;(ウ)電解質を溶媒に溶解して電解質溶液を調製し、前記電解質溶液にフラレノールを添加する工程;または(エ)フラレノール、電解質及び溶媒を同時に混合するなど、いずれでもよい。しかしながら、フラレノールをそのままの形態で電解質溶液中に添加すると、フラレノールが電解質表面に付着して全体として粘稠な溶液となるため、フラレノールを完全に溶解することが困難になる。このため、フラレノールは溶液の状態で電解質または電解質溶液と混合することが好ましい。また、上述したように、電解質もまた溶液の形態で混合することが好ましいので、(ア)及び(イ)が好ましく、(ア)が最も好ましい。なお、本工程(A)においては、非プロトン性極性溶媒はフラレノール及び電解質双方を溶解できるため、塩基の存在しなくとも、フラレノール及び電解質双方が良好に混合できる。このため、本発明の第四の方法では、塩基を使用する必要はない。 The order of mixing fullerenol, electrolyte and solvent is not particularly limited. For example, (a) fullerenol is dissolved in a solvent to prepare a fullerenol solution, and the electrolyte is dissolved in the solvent to prepare an electrolyte solution. A step of mixing a fullerenol solution and an electrolyte solution; (b) preparing a fullerenol solution by dissolving fullerenol in a solvent; and (c) preparing an electrolyte solution by dissolving the electrolyte in a solvent. The step of adding fullerenol to the electrolyte solution; or (d) fullerenol, electrolyte and solvent may be mixed at the same time. However, when fullerenol is added to the electrolyte solution as it is, the fullerenol adheres to the electrolyte surface and becomes a viscous solution as a whole, so that it is difficult to completely dissolve the fullerenol. For this reason, it is preferable to mix fullerenol with an electrolyte or an electrolyte solution in a solution state. Further, as described above, since the electrolyte is also preferably mixed in the form of a solution, (a) and (a) are preferred, and (a) is most preferred. In this step (A), since the aprotic polar solvent can dissolve both fullerenol and the electrolyte, both fullerenol and the electrolyte can be mixed well even in the absence of a base. For this reason, it is not necessary to use a base in the fourth method of the present invention.
次に、工程(B)では、上記工程(A)で得られたフラレノール−電解質混合液(2)を用いて膜に成形する。この際、膜の成形条件は、上記したような所望の厚さの電解質膜が得られるような条件であれば特に制限されない。具体的には、フラレノール−電解質混合液(2)を、ガラス板、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等のポリエステルシートなどのシートなとの上に、乾燥後の厚みが上記したような電解質膜の好ましい厚みになるように塗布し、常圧下あるいは、真空乾燥機内にて減圧下で乾燥を行う。乾燥の温度は使用した溶媒に応じて選択される。例えば、沸点が60℃未満の溶媒の場合には、好ましい乾燥温度は10〜20℃であり;60℃以上100℃未満の溶媒の場合には、好ましい乾燥温度は20〜40℃であり;100℃以上150℃未満の溶媒の場合には、好ましい乾燥温度は40〜80℃であり;150℃以上300℃未満の溶媒の場合には、好ましい乾燥温度は80〜150℃である。また、乾燥に要する時間は、溶媒の種類などによって適宜選択できるが、好ましくは4時間〜24時間、より好ましくは6〜20時間である。また、沸点の異なる複数の溶媒を用いた場合、沸点の低い成分が揮発するまで低温での乾燥を行い、より沸点の高い成分を揮発させるためにその後高温での乾燥を行ってもよい。 Next, at a process (B), it shape | molds into a film | membrane using the fullerenol-electrolyte liquid mixture (2) obtained at the said process (A). At this time, the film forming conditions are not particularly limited as long as the electrolyte film having a desired thickness as described above can be obtained. Specifically, the thickness after drying the fullerenol-electrolyte mixed solution (2) on a sheet such as a glass sheet, a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, or a PET (polyethylene terephthalate) sheet. Is applied to a preferable thickness of the electrolyte membrane as described above, and is dried under normal pressure or reduced pressure in a vacuum dryer. The drying temperature is selected according to the solvent used. For example, in the case of a solvent having a boiling point of less than 60 ° C., the preferred drying temperature is 10 to 20 ° C .; in the case of a solvent having a boiling point of 60 ° C. or more and less than 100 ° C., the preferred drying temperature is 20 to 40 ° C .; In the case of a solvent having a temperature not lower than 150 ° C. and lower than 150 ° C., a preferable drying temperature is 40 to 80 ° C .; in the case of a solvent not lower than 150 ° C. and lower than 300 ° C., the preferable drying temperature is 80 to 150 ° C. Moreover, although the time which drying requires can be suitably selected according to the kind etc. of solvent, Preferably it is 4 to 24 hours, More preferably, it is 6 to 20 hours. When a plurality of solvents having different boiling points are used, drying at a low temperature may be performed until a component having a low boiling point volatilizes, and then drying at a high temperature may be performed to volatilize a component having a higher boiling point.
また、上記乾燥工程の後、最終的に膜中に残留している溶剤を除去するために、大過剰の純水中にて膜を洗浄した後に、再び乾燥を行なう工程を加えても良い。この場合、上記2度目の乾燥工程条件は、残留している溶剤を十分除去できる条件であれば特に制限されないが、例えば、真空下で80℃〜120℃の温度範囲で2〜8時間、乾燥を行なうことが好ましい。 In addition, after the drying step, in order to finally remove the solvent remaining in the film, a step of performing drying again after washing the film in a large excess of pure water may be added. In this case, the drying process conditions for the second time are not particularly limited as long as the remaining solvent can be sufficiently removed. For example, drying is performed in a temperature range of 80 ° C. to 120 ° C. for 2 to 8 hours under vacuum. Is preferably performed.
上記したような本発明の第二、第三及び第四の方法によると、フラレノールが、上記したような所定量(電解質に対して1〜50質量%)電解質膜中に均一に分散している電解質膜が、容易にかつ特殊な設備、複雑な操作や専用の装置を必要とすることなく、製造することができる。 According to the second, third and fourth methods of the present invention as described above, fullerenol is uniformly dispersed in the electrolyte membrane in a predetermined amount (1 to 50% by mass with respect to the electrolyte) as described above. The electrolyte membrane can be manufactured easily and without the need for special equipment, complicated operations, or dedicated equipment.
また、本発明のあるいは本発明の方法によって製造される電解質膜は、特定量のフラレノールが存在することにより、電解質膜のプロトン伝導性が有意に向上し、特に比較的高い湿度条件下であってもプロトン伝導性を有意に向上できる。このため、本発明の電解質膜は、電解質に炭化水素系電解質を使用しても十分なプロトン伝導性を発揮することができるため、コスト面や材料の選択面で特に有利である。さらに、本発明のフラレノールを添加した電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガス、特に酸化剤ガスである酸素の透過を有意に抑制/防止する。このため、本発明の電解質膜によれば、当該膜を介してカソード側からアノード側への酸素ガスのクロスリークを有意に抑制・防止できるため、電解質膜や触媒層中の電解質劣化を有意に抑制・防止することができる。 In addition, the electrolyte membrane of the present invention or produced by the method of the present invention has a significantly improved proton conductivity of the electrolyte membrane due to the presence of a specific amount of fullerenol, particularly under relatively high humidity conditions. Can significantly improve proton conductivity. For this reason, the electrolyte membrane of the present invention is particularly advantageous in terms of cost and material selection because it can exhibit sufficient proton conductivity even when a hydrocarbon-based electrolyte is used as the electrolyte. Furthermore, the electrolyte membrane to which fullerenol of the present invention is added significantly suppresses / prevents permeation of fuel gas and oxidant gas, particularly oxygen which is oxidant gas. For this reason, according to the electrolyte membrane of the present invention, it is possible to significantly suppress / prevent oxygen gas cross-leakage from the cathode side to the anode side through the membrane, thereby significantly reducing electrolyte deterioration in the electrolyte membrane and the catalyst layer. It can be suppressed / prevented.
したがって、本発明の電解質膜を有する燃料電池は高い発電効率を達成することが期待される。ゆえに、本発明の第五は、本発明のまたは本発明の方法によって製造された電解質膜を有する電解質膜−電極接合体を提供する。また、本発明の第六は、本発明の電解質膜−電極接合体を使用してなる燃料電池を提供する。 Therefore, the fuel cell having the electrolyte membrane of the present invention is expected to achieve high power generation efficiency. Therefore, a fifth aspect of the present invention provides an electrolyte membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane of the present invention or produced by the method of the present invention. The sixth aspect of the present invention provides a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention.
以下、本発明の第五及び第六を詳細に説明する。なお、以下に好ましい実施態様を説明するが、本発明は、電解質膜に特徴があり、MEAまたは燃料電池において、本発明の電解質膜を使用する以外は、当該分野において既知の部材または方法が同様にして適用できる。 Hereinafter, the fifth and sixth aspects of the present invention will be described in detail. Although preferred embodiments are described below, the present invention is characterized by an electrolyte membrane, and members or methods known in the art are the same except that the electrolyte membrane of the present invention is used in an MEA or a fuel cell. Can be applied.
以下、本発明に係る電解質膜を用いて転写法により本発明のMEAを製造する好ましい方法について詳述する。 Hereinafter, a preferred method for producing the MEA of the present invention by the transfer method using the electrolyte membrane according to the present invention will be described in detail.
まず、触媒インクを調製し、この触媒インクを転写用台紙上に塗布・乾燥して、転写用台紙上に触媒層を形成した転写シートを得る。次に、この転写シート2枚(アノード用及びカソード用)で、本発明に係る電解質膜をはさみ、当該積層についてホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、触媒層と電解質膜とからなるMEAを得ることができる。 First, a catalyst ink is prepared, and this catalyst ink is applied onto a transfer mount and dried to obtain a transfer sheet having a catalyst layer formed on the transfer mount. Next, by sandwiching the electrolyte membrane according to the present invention between the two transfer sheets (for anode and cathode), performing hot pressing on the laminated layer, and peeling off the transfer mount, the catalyst layer and the electrolyte membrane An MEA consisting of can be obtained.
上記方法で使用される触媒インクは、溶媒、電解質、及び触媒成分を含む。カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。 The catalyst ink used in the above method includes a solvent, an electrolyte, and a catalyst component. The catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof, and the like Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as the cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 to 70. It is preferable to use atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。 The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the oxygen reduction activity is also high, but in practice the average particle diameter is too small. On the other hand, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image determined from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.
本発明において、上述した触媒粒子は導電性担体に担持された電極触媒として触媒インクに含まれる。 In the present invention, the catalyst particles described above are included in the catalyst ink as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.
前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.
前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gとするのがよい。導電性担体の比表面積がこのような範囲内の値であると、導電性担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスを適切に制御することができる。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. When the specific surface area of the conductive support is within this range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the conductive support and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。 Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm.
前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%を超えると、触媒成分の導電性担体上での分散度が下がり、担持量が増加するわりに発電性能の向上が小さく経済上での利点が低下する恐れがある。また、前記担持量が、10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下して所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となり好ましくない。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。 In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. If the loading amount exceeds 80% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support is lowered, and although the loading amount is increased, the improvement in power generation performance is small and the economic advantage may be lowered. On the other hand, if the loading amount is less than 10% by mass, the catalytic activity per unit mass is lowered, and a large amount of electrode catalyst is required to obtain the desired power generation performance, which is not preferable. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。前記高分子電解質としては、特に限定されず、上記電解質膜に用いたものと同様の高分子電解質が使用できる。前記電解質膜に用いられる高分子電解質と、各触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層と電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。 The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and the same polymer electrolyte as that used for the electrolyte membrane can be used. The polymer electrolyte used for the electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each catalyst layer may be the same or different from the viewpoint of improving the adhesion between each catalyst layer and the electrolyte membrane. It is preferable to use the same one.
また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。 The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.
本発明の方法では、上記したような電極触媒、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、転写用台紙に塗布することによって、触媒層が形成される。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。 In the method of the present invention, the catalyst layer is formed by applying a catalyst ink composed of the electrode catalyst, the polymer electrolyte, and the solvent as described above to the transfer mount. In this case, the solvent is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used. Also, the amount of solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. In the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction. Any amount may be used as long as it can sufficiently exert the action of catalyzing (cathode side). It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.
本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。 The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.
本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のナフィオン(登録商標)溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でナフィオン(登録商標)が分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。 The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution in which the electrolyte is previously prepared in the other solvent (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont: Nafion (registered trademark) dispersed in 1-propanol at a concentration of 5 wt% / The suspension) may be used in the above method as it is.
上記したような触媒インクを、転写用台紙上に塗布して、各触媒層が形成される。この際、高分子電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。 Each catalyst layer is formed by applying the catalyst ink as described above onto a transfer mount. At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or appropriately modified. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying is 5 to 20 μm, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.
上記方法において、転写用台紙としては、特に制限されず、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、触媒層の厚みは、1〜30μm、より好ましくは1〜20μmである。また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された触媒層の乾燥条件もまた、触媒層から極性溶媒を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒インクの塗布層(触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。 In the above method, the transfer mount is not particularly limited, and a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink). In the above step, the thickness of the catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Can be used. Specifically, the thickness of the catalyst layer is 1 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm. The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. Also, the drying conditions of the applied catalyst layer are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the catalyst layer. Specifically, the catalyst ink coating layer (catalyst layer) is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained.
次に、このようにして作製された触媒層2枚電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、触媒層及び電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより高分子電解質膜と触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、触媒層と高分子電解質膜とからなるMEAを得ることができる。 Next, after sandwiching the two catalyst layer electrolyte membranes thus produced, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the catalyst layer and the electrolyte membrane can be joined sufficiently closely, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C., and 1 to 5 MPa with respect to the electrode surface. It is preferable to carry out at a pressing pressure of. Thereby, the bondability between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer can be enhanced. After performing hot pressing, an MEA composed of a catalyst layer and a polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the transfer mount.
なお、上記では、転写法により、電解質膜にアノード/カソード触媒層を形成する方法について述べてきたが、本発明のMEAは、電解質膜へ直接触媒インクを印刷する直接塗布法などの他の方法によって製造されてもよい。具体的には、上記したような触媒インクを、本発明の電解質膜上に塗布して、各触媒層が形成される。この際、電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。 In the above description, the method of forming the anode / cathode catalyst layer on the electrolyte membrane by the transfer method has been described. However, the MEA of the present invention can be applied to other methods such as a direct coating method in which the catalyst ink is directly printed on the electrolyte membrane. May be manufactured. Specifically, the catalyst ink as described above is applied on the electrolyte membrane of the present invention to form each catalyst layer. At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the electrolyte membrane are not particularly limited, and a known method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying is 5 to 20 μm, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.
なお、本発明によるMEAは、下記に詳述されるように、一般的にガス拡散層をさらに有してもよく、この際、ガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、触媒層と電解質膜との接合後にさらに各触媒層に接合することが好ましい。または、触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この触媒層−ガス拡散層接合体で電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。 Note that the MEA according to the present invention may generally further include a gas diffusion layer, as will be described in detail below. In this case, the gas diffusion layer is obtained by peeling off the transfer mount in the above method. It is preferable that the joined body is further sandwiched between gas diffusion layers to further join each catalyst layer after joining the catalyst layer and the electrolyte membrane. Alternatively, after the catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce the catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrolyte membrane is heated with this catalyst layer-gas diffusion layer assembly in the same manner as described above. It is also preferable to sandwich and join by pressing.
この際、MEAに用いられるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。 At this time, the gas diffusion layer used in the MEA is not particularly limited, and a known one can be used in the same manner. For example, the conductive and porous properties such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric are used. The thing which uses the sheet-like material which has as a base material etc. are mentioned. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.
触媒層をガス拡散層表面上に形成する方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、スプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、触媒層のガス拡散層表面上への形成条件は、特に制限されず、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。 The method for forming the catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. Moreover, the formation conditions in particular on the gas diffusion layer surface of a catalyst layer are not restrict | limited, The conditions similar to the past can be applied with the above specific formation methods.
前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。 Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.
前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。 Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.
前記カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤の質量比)程度とするのがよい。 In the carbon particle layer, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent). .
前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.
ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。 When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.
ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。 When forming a carbon particle layer on a substrate in a gas diffusion layer, the carbon particles, water repellent, etc. are in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing in a slurry, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Use it. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.
なお、触媒層と電解質膜と、及び好ましくはガス拡散層を含む接合体の製造方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、触媒インクを電解質膜上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして、触媒層を固体電解質膜と接合し、得られた接合体をガス拡散層で挟持して、MEAとする方法;触媒インクを、前記ガス拡散層上に塗布・乾燥させて触媒層を形成し、これを電解質膜とホットプレスにより接合する方法、などであってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。 In addition, the manufacturing method of the joined body including the catalyst layer, the electrolyte membrane, and preferably the gas diffusion layer is not limited to the method described above. That is, a method in which a catalyst ink is applied and dried on an electrolyte membrane, followed by hot pressing, the catalyst layer is joined to a solid electrolyte membrane, and the obtained joined body is sandwiched between gas diffusion layers to form MEA; Ink may be applied to the gas diffusion layer and dried to form a catalyst layer, which may be bonded to the electrolyte membrane by hot pressing, or any other known technique may be used as appropriate.
本発明の電解質膜−電極接合体及び本発明の方法によって製造される電解質膜−電極接合体は、上述した通り、触媒担体として用いられるカーボン担体の腐食、および、電解質膜−電極接合体に含まれる電解質成分の劣化を抑制することが可能となる。また、ガスケット層を設けることにより、触媒層の面積および配置を容易に決定することが可能となり、各触媒層を予め正確に位置合わせしなければいけない必要がないため、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。従って、かような電解質膜−電極接合体を用いることにより、製造工程が容易であり、耐久性にも優れる信頼性の高い燃料電池を提供することができる。 The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention and the electrolyte membrane-electrode assembly produced by the method of the present invention are included in the corrosion of the carbon support used as the catalyst support and the electrolyte membrane-electrode assembly as described above. It is possible to suppress deterioration of the electrolyte component. In addition, by providing a gasket layer, it is possible to easily determine the area and arrangement of the catalyst layer, and it is not necessary to accurately align each catalyst layer in advance, so industrial mass production is considered. This is highly desirable. Therefore, by using such an electrolyte membrane-electrode assembly, it is possible to provide a highly reliable fuel cell that has a simple manufacturing process and excellent durability.
前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。 The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition to this, a representative example is an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Examples thereof include an acid electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.
前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。 The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.
前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。 The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators.
前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。 The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、2mm〜50μm、望ましくは1mm〜100μm程度とすればよい。 Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. The thickness of the gas seal portion may be 2 mm to 50 μm, preferably about 1 mm to 100 μm.
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
(実施例1−1)
フラレノール[フロンティアカーボン株式会社製、ナノムスペクトラ(nanom spectra)HX10−S]25mgを、20mlのジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解し、30分間80℃に加熱し完全に溶解させた。このフラレノール溶解液に、電解質としてのスルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)500mgを加え、2時間、80℃で撹拌することによって、フラレノール及びS−PESが均一に溶解したフラーレン−電解質混合液を調製した。このフラーレン−電解質混合液を、100cm2のガラス板上に展開し、80℃のオーブンで12時間、加熱し、乾燥することによって、厚みが45μmの均一な厚みの電解質膜を得た。なお、このようにして得られた電解質膜におけるフラレノールの含有量は、電解質に対して、5質量%である。
(Example 1-1)
25 mg of fullerenol (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd., nanom spectra HX10-S) was dissolved in 20 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO) and heated to 80 ° C. for 30 minutes for complete dissolution. To this fullerenol solution, 500 mg of sulfonated polyethersulfone (S-PES) as an electrolyte was added and stirred at 80 ° C. for 2 hours to obtain a fullerene-electrolyte mixture solution in which fullerenol and S-PES were uniformly dissolved. Prepared. This fullerene-electrolyte mixed solution was spread on a 100 cm 2 glass plate, heated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and dried to obtain an electrolyte membrane having a uniform thickness of 45 μm. The content of fullerenol in the electrolyte membrane thus obtained is 5% by mass with respect to the electrolyte.
この膜を水で膨潤させ剥離した後、膜の4辺を枠で固定した。水中に1晩漬け、電解質膜表面に付着したフラレノールおよび残留している微量の溶媒を除去した後、真空乾燥機にて100℃、5時間の乾燥を行った。これを性能試験に供し、その結果を下記表1に示す。 After the membrane was swollen with water and peeled, the four sides of the membrane were fixed with a frame. After dipping in water overnight to remove the fullerenol adhering to the electrolyte membrane surface and the remaining trace amount of solvent, drying was performed at 100 ° C. for 5 hours in a vacuum dryer. This was subjected to a performance test, and the results are shown in Table 1 below.
なお、表1におけるプロトン伝導性は、下記方法に従って評価した。 The proton conductivity in Table 1 was evaluated according to the following method.
「プロトン伝導性評価方法」
電気化学インピーダンス測定装置(ソーラトロン社製1280Z)を用いて、振幅5mV、周波数100,000〜10Hz、10steps/decadeの領域でインピーダンス測定し、固体高分子電解質膜のプロトン伝導度を評価した。この際、小開口仕様(幅30mm×長さ15mm)セルを用いた。
"Proton conductivity evaluation method"
Using an electrochemical impedance measuring device (Solartron 1280Z), impedance was measured in the region of amplitude 5 mV, frequency 100,000 to 10 Hz, 10 steps / decade, and the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane was evaluated. In this case, a small opening specification (width 30 mm × length 15 mm) cell was used.
なお、上記測定では、サンプルは、電気的に絶縁された密閉容器中に支持され、水蒸気雰囲気(30〜95%RH)で、温度コントローラーによりセル温度を室温から80℃まで変化させ、各条件において、恒温恒湿槽が定常状態になってから30分経過後に、インピーダンスを3回測定し、その平均を表1及び表2に示す。また、表1及び表2では、代表値として、80℃30%RH(相対湿度)、60%RHおよび95%RH条件下での測定値を示す。 In the above measurement, the sample is supported in an electrically insulated sealed container, and the cell temperature is changed from room temperature to 80 ° C. by a temperature controller in a water vapor atmosphere (30 to 95% RH). The impedance was measured three times after 30 minutes had passed since the thermostatic chamber was in a steady state, and the averages are shown in Tables 1 and 2. Moreover, in Table 1 and Table 2, the measured value on 80 degreeC30% RH (relative humidity), 60% RH, and 95% RH conditions is shown as a typical value.
(実施例1−2)
実施例1−1において、フラレノール50mg[フロンティアカーボン株式会社製、ナノムスペクトラ(nanom spectra)HX10−S]を20mlのDMSOに溶解したフラレノール溶解液を使用した以外は、実施例1と同様に、電解質膜を製造した。なお、このようにして得られた電解質膜におけるフラレノールの含有量は、電解質に対して、10質量%である。
(Example 1-2)
In Example 1-1, an electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1 except that a fullerenol solution obtained by dissolving 50 mg of fullerenol (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd., nanom spectra HX10-S) in 20 ml of DMSO was used. A membrane was produced. In addition, content of fullerenol in the electrolyte membrane obtained in this way is 10 mass% with respect to electrolyte.
また、得られた電解質膜について、実施例1−1に記載の方法と同様にして、プロトン伝導性を評価した。その結果を下記表1に示す。 Further, the proton conductivity of the obtained electrolyte membrane was evaluated in the same manner as in the method described in Example 1-1. The results are shown in Table 1 below.
(実施例1−3)
実施例1−1において、フラレノール500mg[フロンティアカーボン株式会社製、ナノムスペクトラ(nanom spectra)HX10−S]を20mlのDMSOに溶解したフラレノール溶解液を使用した以外は、実施例1と同様に、電解質膜を製造した。なお、このようにして得られた電解質膜におけるフラレノールの含有量は、電解質に対して、50質量%である。
(Example 1-3)
In Example 1-1, an electrolyte was used in the same manner as in Example 1 except that a fullerenol solution containing 500 mg of fullerenol (manufactured by Frontier Carbon Corporation, nanom spectra HX10-S) dissolved in 20 ml of DMSO was used. A membrane was produced. The content of fullerenol in the electrolyte membrane thus obtained is 50% by mass with respect to the electrolyte.
(比較例1−1)
電解質としてのスルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)500mgを20mlのDMSOに加え、2時間、80℃で撹拌させることによって、均一な電解質溶液を得た。これを100cm2のガラス板上に展開し、80℃のオーブンで12時間、加熱し、乾燥することによって、厚みが45μmの均一な厚みの電解質膜を得た。これを水で膨潤させ剥離した後、実施例1−1に記載の方法と同様にして、性能試験に供した。その結果を下記表1に示す。
(Comparative Example 1-1)
A uniform electrolyte solution was obtained by adding 500 mg of sulfonated polyethersulfone (S-PES) as an electrolyte to 20 ml of DMSO and stirring at 80 ° C. for 2 hours. This was spread on a 100 cm 2 glass plate, heated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and dried to obtain an electrolyte membrane having a uniform thickness of 45 μm. This was swollen with water and peeled, and then subjected to a performance test in the same manner as described in Example 1-1. The results are shown in Table 1 below.
上記表1に示されるように、本発明の電解質膜は、フラレノールを添加することによって、プロトン伝導性が有意に向上していることが示される。 As shown in Table 1 above, it is shown that the proton conductivity of the electrolyte membrane of the present invention is significantly improved by adding fullerenol.
(実施例1−4)
水/プロパノール混合液(水:プロパノールの混合質量比=1:2)における電解質としてのナフィオン(デュポン社製、DE2029(登録商標))の20%ディスパージョン溶液5gにプロパノール5gを加え、撹拌および脱泡をした後、100cm2のガラス板上に展開し、室温で1晩乾燥させることにより、厚み60μmの電解質膜を得た。これを水で膨潤剥離をした後、真空乾燥を行なうことによって、膜を得た。
(Example 1-4)
5 g of propanol is added to 5 g of a 20% dispersion solution of Nafion (manufactured by DuPont, DE2029 (registered trademark)) as an electrolyte in a water / propanol mixture (water: propanol mixture ratio = 1: 2), followed by stirring and desorption. After foaming, it was developed on a 100 cm 2 glass plate and dried overnight at room temperature to obtain an electrolyte membrane having a thickness of 60 μm. This was swollen and peeled with water, and then vacuum-dried to obtain a film.
別途、1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液(pH:14)に対して、質量比で5%含有量となるようにフラレノールを加え、撹拌することによって、均一な褐色溶液としての塩基性フラレノール溶液を調製した。 Separately, by adding fullerenol to a 1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution (pH: 14) so that the content is 5% by mass, and stirring, a basic fullerenol solution as a uniform brown solution is obtained. Prepared.
上記で作製した膜を、上記塩基性フラレノール溶液中に、25℃で1時間、含浸させて、膜中に塩基性フラレノール溶液が十分浸透したら、膜の4辺を枠で固定した。この塩基性フラレノール溶液に25℃で一晩、浸漬した後、取り出し、純水に一晩漬けることによって、膜表面に付着した余分なフラレノールを除去した。さらに、この膜を1mol/Lの塩酸に25℃で一晩漬けた後、純水に25℃で一晩漬けて、余分な塩酸を除去することによって、本発明の電解質膜を得た。なお、このようにして得られた電解質膜におけるフラレノールの含有量は、電解質に対して、3.6質量%である。 The membrane produced above was impregnated in the basic fullerenol solution at 25 ° C. for 1 hour. When the basic fullerenol solution sufficiently penetrated into the membrane, the four sides of the membrane were fixed with a frame. After being immersed in this basic fullerenol solution at 25 ° C. overnight, it was taken out and immersed in pure water overnight to remove excess fullerenol adhering to the film surface. Further, this membrane was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid at 25 ° C. overnight, and then immersed in pure water at 25 ° C. overnight to remove excess hydrochloric acid, thereby obtaining the electrolyte membrane of the present invention. The content of fullerenol in the electrolyte membrane thus obtained is 3.6% by mass with respect to the electrolyte.
このようにして得られた電解質膜について、実施例1−1に記載の方法と同様にして、性能試験に供した。その結果を下記表2に示す。 The electrolyte membrane thus obtained was subjected to a performance test in the same manner as described in Example 1-1. The results are shown in Table 2 below.
(比較例1−2)
実施例1−4において、フラレノールを使用しない以外は実施例1−4と同様にして、電解質膜を作製し、このようにして得られた電解質膜について、実施例1−1に記載の方法と同様にして、性能試験に供した。その結果を下記表2に示す。
(Comparative Example 1-2)
In Example 1-4, an electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1-4 except that fullerenol was not used. The electrolyte membrane thus obtained was the same as the method described in Example 1-1. Similarly, it was subjected to a performance test. The results are shown in Table 2 below.
(実施例1−5)
1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液(pH:14)に対して、質量比で5%含有量となるようにフラレノールを加え、撹拌することによって、均一な褐色溶液としての塩基性フラレノール溶液を調製した。
(Example 1-5)
A basic fullerenol solution as a uniform brown solution was prepared by adding fullerenol to a 1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution (pH: 14) so as to have a mass ratio of 5% and stirring. .
厚み30μmのスルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)電解質膜を、上記で調製した塩基性フラレノール溶液の中に、25℃で1時間、含浸させて、膜中に塩基性フラレノール溶液が十分浸透したら、膜の4辺を枠で固定した。この塩基性フラレノール溶液に25℃で一晩、浸漬した後、取り出し、純水に一晩漬けることによって、膜表面に付着した余分なフラレノールを除去した。さらに、この膜を1mol/Lの塩酸に25℃で一晩漬けた後、純水に25℃で一晩漬けて、余分な塩酸を除去することによって、本発明の電解質膜を得た。なお、このようにして得られた電解質膜におけるフラレノールの含有量は、電解質に対して、2.8質量%である。 When a sulfonated polyethersulfone (S-PES) electrolyte membrane having a thickness of 30 μm is impregnated into the basic fullerenol solution prepared above at 25 ° C. for 1 hour, the basic fullerenol solution is sufficiently permeated into the membrane. The four sides of the membrane were fixed with a frame. After being immersed in this basic fullerenol solution at 25 ° C. overnight, it was taken out and immersed in pure water overnight to remove excess fullerenol adhering to the film surface. Further, this membrane was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid at 25 ° C. overnight, and then immersed in pure water at 25 ° C. overnight to remove excess hydrochloric acid, thereby obtaining the electrolyte membrane of the present invention. The content of fullerenol in the electrolyte membrane thus obtained is 2.8% by mass with respect to the electrolyte.
このようにして得られた電解質膜について、実施例1−1に記載の方法と同様にして、性能試験に供した。その結果を下記表2に示す。 The electrolyte membrane thus obtained was subjected to a performance test in the same manner as described in Example 1-1. The results are shown in Table 2 below.
(比較例1−3)
実施例1−5において、フラレノールを使用しない以外は実施例1−5と同様にして、電解質膜を作製し、このようにして得られた電解質膜について、実施例1−1に記載の方法と同様にして、性能試験に供した。その結果を下記表2に示す。
(Comparative Example 1-3)
In Example 1-5, an electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1-5 except that fullerenol was not used. The electrolyte membrane thus obtained was obtained by the method described in Example 1-1. Similarly, it was subjected to a performance test. The results are shown in Table 2 below.
上記表2における実施例1−4と比較例1−2、ならびに実施例1−5と比較例1−3の結果を比較することによって、本発明の電解質膜は、フラレノールを添加することによって、プロトン伝導性が有意に向上していることが示される。 By comparing the results of Example 1-4 and Comparative Example 1-2 in Table 2 above, and Examples 1-5 and Comparative Example 1-3, the electrolyte membrane of the present invention can be obtained by adding fullerenol. It is shown that proton conductivity is significantly improved.
ゾルゲル法による無機物ゲルを含有する複合電解質膜の作製方法は、特願2005−255604に記載に従い以下のように行なった。 A method for producing a composite electrolyte membrane containing an inorganic gel by the sol-gel method was performed as described below in Japanese Patent Application No. 2005-255604.
(実施例2−1)
1.加水分解・縮合反応触媒を含む電解質溶液の調製
1−1.電解質溶液(触媒含まず)の調製
高沸点溶媒であるNMP(N−メチルピロリドン)(20mlを攪拌しながら、該NMP溶媒に電解質としてポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)(以下、単にS−PPBPともいう)5.0gを少量ずつ投入し(投入速度;溶媒10mlに対し、0.1〜10g/分程度)、全量投入後、常温下で、30分以上攪拌した。その後、ヒーター加熱により80℃の高温下で更に12時間攪拌を行った後、自然放冷にて常温に戻すことで、電解質含有溶液として25wt/v%のS−PPBP含有NMP溶液を調製した。
(Example 2-1)
1. 1. Preparation of electrolyte solution containing hydrolysis / condensation reaction catalyst 1-1. Preparation of electrolyte solution (without catalyst) While stirring 20 ml of NMP (N-methylpyrrolidone), which is a high boiling point solvent, poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) (hereinafter, A small amount of 5.0 g (also simply referred to as S-PPBP) was added little by little (charging speed; about 0.1 to 10 g / min with respect to 10 ml of solvent), and the whole amount was added, followed by stirring at room temperature for 30 minutes or more. The mixture was further stirred for 12 hours at a high temperature of 80 ° C. by heating with a heater, and then returned to room temperature by natural cooling, thereby preparing a 25 wt / v% S-PPBP-containing NMP solution as an electrolyte-containing solution.
ここで、S−PPBPの投入速度は、溶媒10mlに対し、0.5g/分とした。 Here, the input rate of S-PPBP was 0.5 g / min with respect to 10 ml of the solvent.
1−2.電解質溶液(触媒含む)の調製
上記25wt/v%のS−PPBP含有NMP溶液を攪拌しながら、該25wt/v%のS−PPBP含有NMP溶液に、加水分解・縮合反応触媒として水(中性触媒)をゆっくりと滴下した後、0.5時間攪拌を行って、加水分解・縮合反応触媒を含む電解質含有溶液として約25wt/v%のS−PPBP含有NMP水溶液を調製した。
1-2. Preparation of Electrolyte Solution (Including Catalyst) While stirring the 25 wt / v% S-PPBP-containing NMP solution, the 25 wt / v% S-PPBP-containing NMP solution was mixed with water (neutral as a hydrolysis / condensation reaction catalyst). (Catalyst) was slowly added dropwise, followed by stirring for 0.5 hour to prepare an NMP aqueous solution containing about 25 wt / v% S-PPBP as an electrolyte-containing solution containing a hydrolysis / condensation reaction catalyst.
ここで、水の添加量は、後述する無機物前駆体であるTEOS(単にテトラエトキシシランとも称する)に対して10molとした。また、水の滴下速度は、25wt/v%のS−PPBP含有NMP溶液10mlに対して、0.01ml/minの速度でゆっくりと滴下した。 Here, the amount of water added was 10 mol with respect to TEOS (also simply referred to as tetraethoxysilane) which is an inorganic precursor described later. Moreover, the dripping speed | rate of water was dripped slowly at the speed | rate of 0.01 ml / min with respect to 10 ml of 25 wt / v% S-PPBP containing NMP solution.
2.無機物前駆体溶液の調製
溶媒として、上記1で用いた高沸点溶媒と同じであるNMP1gを攪拌しながら、該NMP溶媒に無機物前駆体であるTEOS0.1gを投入後、1時間以上攪拌して溶解させることで所定の濃度の無機物前駆体含有溶液として9.1wtwt/v%のTEOS含有NMP溶液を調製した。
2. Preparation of inorganic precursor solution While stirring 1 g of NMP which is the same as the high boiling point solvent used in 1 above as a solvent, 0.1 g of TEOS which is an inorganic precursor is added to the NMP solvent and stirred for 1 hour or more to dissolve. As a result, a 9.1 wtwt / v% TEOS-containing NMP solution was prepared as an inorganic precursor-containing solution having a predetermined concentration.
ここで、TEOSの投入速度は、NMP溶媒1gに対し、0.1g/分とした。 Here, the input rate of TEOS was 0.1 g / min with respect to 1 g of NMP solvent.
3.複合電解質含有溶液の作製
上記1−2で得られたS−PPBP含有NMP水溶液に、所定の濃度に調製されてなる上記2で得られた9.1wt/v%のTEOS含有NMP溶液を常温(室温)下でゆっくりと滴下し、全量滴下後にも、常温(室温)のまま12時間以上攪拌することで複合電解質含有溶液を作製した。ここで、TEOS含有NMP溶液の滴下速度は、電解質含有溶液10ml当たり、0.1ml/minとした。
3. Preparation of Composite Electrolyte-Containing Solution To the S-PPBP-containing NMP aqueous solution obtained in 1-2 above, the 9.1 wt / v% TEOS-containing NMP solution obtained in 2 above prepared to a predetermined concentration is added at room temperature ( The solution containing the composite electrolyte was prepared by stirring dropwise for 12 hours or more at room temperature (room temperature) even after the entire amount was dropped. Here, the dropping rate of the TEOS-containing NMP solution was 0.1 ml / min per 10 ml of the electrolyte-containing solution.
4.電解質膜の形成
4−1.複合電解質含有溶液の塗布
上記3で作製された複合電解質含有溶液を、自動塗工装置を用いて、50μm厚のテフロンフィルム基材に塗工して塗膜(ウェット状態)を形成した。塗布処理は、大気雰囲気下、常温、常圧で行った。
4). Formation of electrolyte membrane 4-1. Application of Composite Electrolyte-Containing Solution Using the automatic coating apparatus, the composite electrolyte-containing solution prepared in 3 above was applied to a 50 μm thick Teflon film substrate to form a coating film (wet state). The coating treatment was performed at normal temperature and normal pressure in an air atmosphere.
4−2.塗膜(ウェット状態)の熱処理
上記4−1により形成された塗膜(ウェット状態)を、乾燥機を用いて80℃で最低12時間以上熱処理することで膜(ドライ状態)を得た。熱処理は、大気雰囲気下、常圧にて行った。
4-2. Heat treatment of the coating film (wet state) The coating film (wet state) formed by the above 4-1 was heat-treated at 80 ° C. for at least 12 hours using a dryer to obtain a film (dry state). The heat treatment was performed under atmospheric pressure and normal pressure.
4−3.膜(ドライ状態)の純水剥離
4−2で得られた膜を常温(室温)下で基材に固定された膜が破れたりしないように、純水に5分浸漬して膨潤させて膜にテンションが加わらないようにして、基材から剥離した。ここでも、大気雰囲気下、常温、常圧で行った。
4-3. Pure water stripping of the membrane (dry state) The membrane obtained by 4-2 is immersed in pure water for 5 minutes to swell so that the membrane fixed to the substrate does not break at room temperature (room temperature). The film was peeled from the base material so that no tension was applied. Again, this was carried out at room temperature and atmospheric pressure in an air atmosphere.
4−4.膜の乾燥
剥離された純水を含んだ膜を、乾燥器に入れ、常温(室温)で3時間以上、真空乾燥を行って、所望の複合電解質膜を形成した。
4-4. Drying of the membrane The peeled membrane containing pure water was placed in a drier and vacuum dried at room temperature (room temperature) for 3 hours or more to form a desired composite electrolyte membrane.
(比較例2−1)
1.電解質溶液の調製
高沸点溶媒であるNMP20mlを攪拌しながら、該NMP溶媒に電解質としてS−PPBP5.0gを少量ずつ投入し、全量投入後、常温下で、30分以上攪拌した。その後、ヒーター加熱により80℃の高温下で更に12時間攪拌を行った後、自然放冷にて常温に戻すことで、電解質含有溶液として25wt/v%のS−PPBP含有NMP溶液を調製した。
(Comparative Example 2-1)
1. Preparation of Electrolyte Solution While stirring 20 ml of NMP, which is a high boiling point solvent, 5.0 g of S-PPBP as an electrolyte was added to the NMP solvent little by little, and after the entire amount was added, it was stirred at room temperature for 30 minutes or more. Thereafter, the mixture was further stirred for 12 hours at 80 ° C. by heating with a heater, and then returned to room temperature by natural cooling, thereby preparing a 25 wt / v% S-PPBP-containing NMP solution as an electrolyte-containing solution.
ここで、S−PPBPの投入速度は、溶媒10mlに対し、0.5g/分とした。 Here, the input rate of S-PPBP was 0.5 g / min with respect to 10 ml of the solvent.
2.電解質膜の形成
2−1.電解質含有溶液の塗布
上記1で作製された電解質含有溶液を、自動塗工装置を用いて、50μm厚のポリエチレンナフタレート基材に塗工して塗膜(ウェット状態)を形成した。塗布処理は、大気雰囲気下、常温、常圧で行った。
2. Formation of electrolyte membrane 2-1. Application of Electrolyte-Containing Solution Using the automatic coating apparatus, the electrolyte-containing solution prepared in 1 above was applied to a 50 μm thick polyethylene naphthalate substrate to form a coating film (wet state). The coating treatment was performed at normal temperature and normal pressure in an air atmosphere.
2−2.塗膜(ウェット状態)の熱処理
上記2−1により形成された塗膜(ウェット状態)を、乾燥機を用いて80℃で最低12時間以上熱処理することで膜(ドライ状態)を得た。熱処理は、大気雰囲気下、常圧にて行った。
2-2. Heat Treatment of Coating Film (Wet State) A film (dry state) was obtained by heat-treating the coating film (wet state) formed by 2-1 above at 80 ° C. for at least 12 hours using a dryer. The heat treatment was performed under atmospheric pressure and normal pressure.
2−3.膜(ドライ状態)の純水剥離
2−2で得られた膜を常温(室温)下で基材に固定された膜が破れたりしないように、純水に5分浸漬して膨潤させて膜にテンションが加わらないようにして、基材から剥離した。ここでも、大気雰囲気下、常温、常圧で行った。
2-3. Pure water stripping of the membrane (dry state) The membrane obtained by 2-2 is immersed in pure water for 5 minutes and swollen so that the membrane fixed to the substrate does not break at room temperature (room temperature). The film was peeled from the base material so that no tension was applied. Again, this was carried out at room temperature and atmospheric pressure in an air atmosphere.
2−4.膜の乾燥
剥離された純水を含んだ膜を、真空乾燥器に入れ、常温(室温)で3時間以上、真空乾燥を行って、所望の複合電解質膜を形成した。
2-4. Drying of the membrane The peeled membrane containing pure water was put in a vacuum dryer and vacuum dried at room temperature (room temperature) for 3 hours or more to form a desired composite electrolyte membrane.
(実施例3−1)
フラレノール[フロンティアカーボン株式会社製、ナノムスペクトラ(nanom spectra)HX10−S]25mgを、20mlのジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解し、30分間80℃に加熱し完全に溶解させた。このフラレノール溶解液に、電解質としてのスルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)500mgを加え、2時間、80℃で撹拌することによって、フラレノール及びスルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)が均一に溶解したフラーレン−電解質混合液を調製した。このフラーレン−電解質混合液を、100cm2のガラス板上に展開し、80℃のオーブンで12時間、加熱し、乾燥することによって、厚みが45μmの均一な厚みの電解質膜を得た。なお、このようにして得られた電解質膜におけるフラレノールの含有量は、電解質に対して、5質量%である。
(Example 3-1)
25 mg of fullerenol (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd., nanom spectra HX10-S) was dissolved in 20 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO) and heated to 80 ° C. for 30 minutes for complete dissolution. To this fullerenol solution, 500 mg of sulfonated polyethersulfone (S-PES) as an electrolyte is added and stirred at 80 ° C. for 2 hours, so that fullerenol and sulfonated polyethersulfone (S-PES) are uniformly dissolved. A fullerene-electrolyte mixture was prepared. This fullerene-electrolyte mixed solution was spread on a 100 cm 2 glass plate, heated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and dried to obtain an electrolyte membrane having a uniform thickness of 45 μm. The content of fullerenol in the electrolyte membrane thus obtained is 5% by mass with respect to the electrolyte.
この膜を水で膨潤させ剥離した後、膜の4辺を枠で固定した。水中に1晩漬け、電解質膜表面に付着したフラレノールおよび残留している微量の溶媒を除去した後、真空乾燥機にて100℃、5時間の乾燥を行った。 After the membrane was swollen with water and peeled, the four sides of the membrane were fixed with a frame. After dipping in water overnight to remove the fullerenol adhering to the electrolyte membrane surface and the remaining trace amount of solvent, drying was performed at 100 ° C. for 5 hours in a vacuum dryer.
(実施例4−1)
フラレノール[フロンティアカーボン株式会社製、ナノムスペクトラ(nanom spectra)HX10−S]100mgを、20mlのジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解し、30分間80℃に加熱し完全に溶解させた。このフラレノール溶解液に、電解質としてのスルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)500mgを加え、2時間、80℃で撹拌することによって、フラレノール及びS−PESが均一に溶解したフラーレン−電解質混合液を調製した。このフラーレン−電解質混合液を、100cm2のガラス板上に展開し、80℃のオーブンで12時間、加熱し、乾燥することによって、厚みが45μmの均一な厚みの電解質膜を得た。なお、このようにして得られた電解質膜におけるフラレノールの含有量は、電解質に対して、20質量%である。
(Example 4-1)
100 mg of fullerenol (Nanom Spectra HX10-S, manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd.) was dissolved in 20 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO) and heated to 80 ° C. for 30 minutes to completely dissolve it. To this fullerenol solution, 500 mg of sulfonated polyethersulfone (S-PES) as an electrolyte was added and stirred at 80 ° C. for 2 hours to obtain a fullerene-electrolyte mixture solution in which fullerenol and S-PES were uniformly dissolved. Prepared. This fullerene-electrolyte mixed solution was spread on a 100 cm 2 glass plate, heated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and dried to obtain an electrolyte membrane having a uniform thickness of 45 μm. The content of fullerenol in the electrolyte membrane thus obtained is 20% by mass with respect to the electrolyte.
この膜を水で膨潤させ剥離した後、膜の4辺を枠で固定した。水中に1晩漬け、電解質膜表面に付着したフラレノールおよび残留している微量の溶媒を除去した後、真空乾燥機にて100℃、5時間の乾燥を行った。 After the membrane was swollen with water and peeled, the four sides of the membrane were fixed with a frame. After dipping in water overnight to remove the fullerenol adhering to the electrolyte membrane surface and the remaining trace amount of solvent, drying was performed at 100 ° C. for 5 hours in a vacuum dryer.
(比較例2−2)
電解質としてのスルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)500mgを20mlのジメチルスルホキシド(DMSO)に添加し、2時間、80℃で撹拌することによって、S−PESが均一に溶解した電解質液を調製した。この電解質液を、100cm2のガラス板上に展開し、80℃のオーブンで12時間、加熱し、乾燥することによって、厚みが45μmの均一な厚みの電解質膜を得た。
(Comparative Example 2-2)
An electrolyte solution in which S-PES was uniformly dissolved was prepared by adding 500 mg of sulfonated polyethersulfone (S-PES) as an electrolyte to 20 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO) and stirring at 80 ° C. for 2 hours. . This electrolyte solution was spread on a 100 cm 2 glass plate, heated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and dried to obtain an electrolyte membrane having a uniform thickness of 45 μm.
この膜を水で膨潤させ剥離した後、膜の4辺を枠で固定した。水中に1晩漬け、真空乾燥機にて100℃、5時間の乾燥を行った。 After the membrane was swollen with water and peeled, the four sides of the membrane were fixed with a frame. It was immersed in water overnight and dried at 100 ° C. for 5 hours in a vacuum dryer.
電解質膜の性能評価については、実施例、比較例とも以下のように行った。 Regarding the performance evaluation of the electrolyte membrane, both Examples and Comparative Examples were performed as follows.
「プロトン伝導度測定」
インピーダンスの測定にはソーラトロン社のインピーダンスアナライザーを用い、交流法にて行った。振幅10mV、10k〜100kHzの周波数掃引を行い、得られたcole−coleプロットを用いてプロトン伝導度を評価した。なお、評価には小開口仕様(幅30mm×長さ15mm)セルを用いた。
"Proton conductivity measurement"
The impedance was measured by an alternating current method using a Solartron impedance analyzer. A frequency sweep with an amplitude of 10 mV and 10 k to 100 kHz was performed, and proton conductivity was evaluated using the obtained colle-core plot. In addition, the small opening specification (width 30mm x length 15mm) cell was used for evaluation.
なお、上記測定では、サンプルは、電気的に絶縁された密閉容器中に支持され、水蒸気雰囲気(30〜95%RH)で、温度コントローラーによりセル温度を室温から80℃まで変化させ、各湿度条件において、恒温恒湿槽が定常状態になってから30分経過後に、インピーダンスを3回測定した。プロトン伝導度(S/cm)を図3、6、および9に示す。 In the above measurement, the sample is supported in an electrically insulated sealed container, and the cell temperature is changed from room temperature to 80 ° C. by a temperature controller in a water vapor atmosphere (30 to 95% RH). The impedance was measured three times after 30 minutes had elapsed since the thermostatic chamber was in a steady state. Proton conductivity (S / cm) is shown in FIGS.
「含水率、拡散係数」
含水率、拡散係数の測定にはHIDEN社の水吸着測定装置IGA Sorpを用い、重量法にて行った。2cm2程度の電解質膜を2時間乾燥後、80℃にて湿度を5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、95%RHと変化させ、重量変化量(水分量)の時間変化を電子天秤でリアルタイムで測定する。含水率は、イオン交換容量ベースでスルホン酸基1個当たりの水分子の数(H2O/SO3H)とした。拡散係数の算出方法は、発明の最良の形態において説明した「数1」のとおりで行なった。この時間変化から、含水率、水の拡散係数を算出した結果は図1、2、4、5、7、および8に示す。
"Moisture content, diffusion coefficient"
The water content and diffusion coefficient were measured by a gravimetric method using a water adsorption measuring device IGA Sorp manufactured by HIDEN. After the electrolyte membrane of about 2 cm 2 is dried for 2 hours, the humidity is changed to 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95% RH at 80 ° C. Amount) is measured in real time with an electronic balance. The water content was defined as the number of water molecules per sulfonic acid group (H 2 O / SO 3 H) on an ion exchange capacity basis. The calculation method of the diffusion coefficient was performed according to “Equation 1” described in the best mode of the invention. The results of calculating the water content and the water diffusion coefficient from this time change are shown in FIGS. 1, 2, 4, 5, 7, and 8.
「発電評価」
<カソード用触媒インク>市販のNafion溶液(アルドリッチ社製5質量%溶液)にPt担持カーボン(白金担持量:50質量%)の微粒子を、カーボンとNafionの質量比がカーボン:Nafion=1:0.8となるように混合した後、ホモジナイザー(粉砕器)に3時間ほどかけてカソード用触媒インクを作製した。
"Power generation evaluation"
<Cathode catalyst ink> Fine particles of Pt-supported carbon (platinum supported amount: 50% by mass) in a commercially available Nafion solution (Aldrich 5% by mass solution), and the mass ratio of carbon to Nafion is carbon: Nafion = 1: 0. After mixing so as to be 0.8, a cathode catalyst ink was produced in a homogenizer (pulverizer) for about 3 hours.
<アノード用触媒インク>カソード用触媒インクと同様の手順でアノード用触媒インクを作製した。 <Anode catalyst ink> An anode catalyst ink was prepared in the same manner as the cathode catalyst ink.
「触媒層転写シート作製」
前記のように調製したインクを、スクリーンプリンタを使用して、台紙として使用するテフロンシート上に塗布して、カソード用およびアノード用触媒層転写シートを作製した。台紙としてはテフロンシートの他にPET(ポリエチレンテレフタレート)シートなどが優れている。Pt担持量が0.4mg/cm2となるまで塗布、乾燥を繰り返すことで、所定白金量の触媒層転写シートを作製した。
"Catalyst layer transfer sheet preparation"
The ink prepared as described above was applied onto a Teflon sheet used as a mount using a screen printer to prepare a catalyst layer transfer sheet for cathode and anode. As the mount, a PET (polyethylene terephthalate) sheet or the like is excellent in addition to the Teflon sheet. Coating and drying were repeated until the Pt carrying amount reached 0.4 mg / cm 2 to prepare a catalyst layer transfer sheet having a predetermined platinum amount.
「触媒層の転写」
前記のように作製したカソード用およびアノード用触媒層転写シートの触媒層面にエタノールをスプレーして浸潤させ、触媒層表面が乾燥してきたところで、これらの転写シートで作製した電解質膜を挟みこみ、130℃、6.5MPa、保持時間10分にてホットプレスを行なった。エタノールで浸潤させるのは、触媒層および膜の電解質を柔軟にさせ、触媒層の転写を容易にするためである。
"Transfer of catalyst layer"
When the catalyst layer surface of the cathode and anode catalyst layer transfer sheets prepared as described above is sprayed and infiltrated with ethanol, and the catalyst layer surface is dried, the electrolyte membranes prepared with these transfer sheets are sandwiched, 130 Hot pressing was performed at a temperature of 6.5 MPa and a holding time of 10 minutes. The reason for infiltrating with ethanol is to make the catalyst layer and membrane electrolyte flexible and to facilitate the transfer of the catalyst layer.
冷却後、転写シートの台紙をはがし、膜−触媒層接合体を作製した。 After cooling, the mount of the transfer sheet was peeled off to produce a membrane-catalyst layer assembly.
本実施例はカソードのバインダのみ非フッ素系固体高分子電解質を使用し、アノードのバインダは通常のNafionとした。これはCV(サイクリック・ボルタンメトリ)測定時の参照極とするのに、アノードのバインダをNafionとする方が都合がよいためであり、両極とも非フッ素系固体高分子電解質を使用したバインダにしても本質的に変わらないことは言うまでもない。 In this example, a non-fluorine solid polymer electrolyte was used only for the cathode binder, and ordinary Nafion was used for the anode binder. This is because it is more convenient to use Nafion as the anode binder to make the reference electrode for CV (cyclic voltammetry) measurement. Needless to say, there is essentially no change.
「発電条件」
発電は、アノードに純水素、カソードに空気(両方とも大気圧)を供給して行なう。発電条件は、セル温度80℃、アノードガス相対湿度20%、カソードガス相対湿度60%、水素利用率67%、空気利用率40%である。IV性能は図10に示す。
"Power generation conditions"
Power generation is performed by supplying pure hydrogen to the anode and air (both atmospheric pressure) to the cathode. The power generation conditions are a cell temperature of 80 ° C., an anode gas relative humidity of 20%, a cathode gas relative humidity of 60%, a hydrogen utilization rate of 67%, and an air utilization rate of 40%. IV performance is shown in FIG.
図1〜9の結果から明らかなように、比較例1、2の電解質膜に比して、本発明の複合電解質膜(実施例1〜3)では、プロトン伝導度は同等かそれ以上である、さらに広範囲の湿度条件で含水量が1割前後上がるのに対し、拡散係数は2倍以上向上させることが出来たことが確認できた。特に、実施例1の電解質膜は、図10の発電試験から明らかなように、高電流密度側でフラッディングが起きにくく、性能が向上する。このことから、燃料電池自動車などの用途に適用すると、水素を加湿する加湿装置が不要になるか、簡易な加湿装置で足りることとなったり、単位面積当たりの発電電力が向上することによりセル枚数を削減することができ、小型化が見込まれる。 As is clear from the results of FIGS. 1 to 9, the composite electrolyte membranes (Examples 1 to 3) of the present invention have proton conductivity equal to or higher than that of the electrolyte membranes of Comparative Examples 1 and 2. Furthermore, it was confirmed that the diffusion coefficient could be improved more than twice while the water content increased by about 10% under a wider range of humidity conditions. In particular, as is apparent from the power generation test of FIG. 10, the electrolyte membrane of Example 1 is less susceptible to flooding on the high current density side, and the performance is improved. For this reason, when applied to applications such as fuel cell vehicles, a humidifier that humidifies hydrogen is no longer necessary, or a simple humidifier is sufficient, or the number of cells per unit area is improved. The size can be reduced.
本発明の電解質膜は、プロトン伝導性及び耐久性に優れたものであるから、本発明の電解質膜は、MEAに、さらには当該MEAを有する燃料電池に有用であり、本発明の電解質膜を有する燃料電池は、耐久性に優れ、システムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途において特に好適に利用できる。 Since the electrolyte membrane of the present invention is excellent in proton conductivity and durability, the electrolyte membrane of the present invention is useful for MEA and further for a fuel cell having the MEA. The fuel cell has excellent durability, and can be used particularly suitably in automotive applications in which system start / stop and output fluctuations frequently occur.
Claims (5)
さらに、前記フラレノール−電解質混合溶液を膜に成形する工程を含む、電解質膜の製造方法。 Fullerenol , sulfonated polyethersulfone (S-PES), PBI (polybenzimidazole), PBO (polybenzoxazole), S-PPBP (sulfonated polyphenoxybenzoylphenylene), S-PEEK (sulfonated polyetheretherketone) ), Sulfonamide type polyether sulfone, sulfonated polyether ether ketone, sulfonamide type polyether ether ketone, sulfonated crosslinked polystyrene, sulfonamide type crosslinked polystyrene, sulfonated polytrifluorostyrene, sulfonamide type polytrifluorostyrene, Sulfonated polyaryl ether ketone, sulfonamide type polyaryl ether ketone, sulfonated poly (aryl ether sulfone), sulfonamide type poly (aryl ether) Sulfone), polyimide, sulfonated polyimide, sulfonamide type polyimide, sulfonated 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene, sulfonamide type 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene, sulfonated polybenzimidazole, sulfonamide type Polybenzimidazole, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonamide type polyphenylene sulfide, sulfonated polybiphenylene sulfide, sulfonamide type polybiphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonamide type polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenoxybenzoylphenylene, sulfonated polystyrene Ethylene-propylene, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyphenyleneimide, polyethylene Benzimidazole - alkylsulfonic acids, and an electrolyte which is selected from the group consisting of Suruhoariru polybenzimidazole, a mixture of aprotic polar solvents, fullerenols - prepare an electrolyte mixture;
Furthermore, the manufacturing method of an electrolyte membrane including the process of shape | molding the said fullerenol -electrolyte mixed solution to a film | membrane.
前記塩基性フラレノール溶液(2)を、非プロトン性極性溶媒を溶媒とする電解質溶液と混合し、フラレノール−電解質混合液(1)を調製し;さらに
前記フラレノール−電解質混合液(1)を膜に成形する工程を含む、電解質膜の製造方法。 Dissolving fullerenol in a basic solution to prepare a basic fullerenol solution (2);
The basic fullerenol solution (2) is mixed with an electrolyte solution using an aprotic polar solvent as a solvent to prepare a fullerenol-electrolyte mixed solution (1); and further, the fullerenol-electrolyte mixed solution (1) is used as a membrane. comprising the step of forming, electrolyte membranes manufacturing method.
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