[go: up one dir, main page]

JP2006185629A - Gas-liquid separation membrane for fuel cell, and fuel cell using it - Google Patents

Gas-liquid separation membrane for fuel cell, and fuel cell using it Download PDF

Info

Publication number
JP2006185629A
JP2006185629A JP2004374905A JP2004374905A JP2006185629A JP 2006185629 A JP2006185629 A JP 2006185629A JP 2004374905 A JP2004374905 A JP 2004374905A JP 2004374905 A JP2004374905 A JP 2004374905A JP 2006185629 A JP2006185629 A JP 2006185629A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel cell
liquid separation
separation membrane
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004374905A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akinao Hashimoto
暁直 橋本
Hajime Inagaki
始 稲垣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Chemicals Inc
Original Assignee
Mitsui Chemicals Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Chemicals Inc filed Critical Mitsui Chemicals Inc
Priority to JP2004374905A priority Critical patent/JP2006185629A/en
Publication of JP2006185629A publication Critical patent/JP2006185629A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to maintain power generation efficiency of a fuel cell and to carry out safe and stable operation for a long period by efficiently discharging carbon dioxide outside the system, which is generated at a fuel electrode of a direct methanol fuel cell (DMFC). <P>SOLUTION: By using a gas-liquid separation membrane 12 in which a permeation amount of carbon dioxide at 50°C is 10,000 cm<SP>3</SP>/m<SP>2</SP>24 hr atm or more and permeation amount of methanol is 25,000 g/m<SP>2</SP>24 hr or less, or by using the gas/liquid separation membrane composed of ultrahigh-molecular weight polyolefin and/or 4-methyl-1-pentene (co)polymer, carbon dioxide generated at the fuel electrode is discharged outside the system. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池の分野に好適に使用される気液分離膜に関する。特に燃料電池システムが小型化でき低温で運転が可能な高分子電解質型燃料電池の中でも、メタノール等の有機液体の水溶液を燃料として直接供給する燃料電池に好適に用いられる気液分離膜に関する。さらに本発明は、そのような気液分離膜を用いた液体燃料直接供給型の燃料電池に関する。
The present invention relates to a gas-liquid separation membrane suitably used in the field of fuel cells. In particular, the present invention relates to a gas-liquid separation membrane suitably used for a fuel cell in which an aqueous solution of an organic liquid such as methanol is directly supplied as fuel, among polymer electrolyte fuel cells that can be downsized and operated at low temperatures. Furthermore, the present invention relates to a liquid fuel direct supply type fuel cell using such a gas-liquid separation membrane.

燃料電池は、発電効率やエネルギー密度が高く、環境負荷が小さい等の特徴から、近年活発に開発が行われている。自動車用あるいは家庭用コージェネレーション用途として高分子電解質型燃料電池(PEFC)が注目されているが、ノートパソコンやデジタルカメラ等の携帯電子機器向けとしては燃料の水素の貯蔵・供給に問題がある。そこで携帯電子機器用途としては、高分子電解質型燃料電池の中でも、液体燃料を供給し燃料極の触媒で液体燃料から直接水素を生成する液体燃料直接供給型の燃料電池が有力視されている。
この型の燃料電池の燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の水溶液が検討されているが、理論エネルギー密度の高さからメタノールが本命視されており、直接メタノール型燃料電池(DMFC)と呼ばれている。
以下ではメタノール水溶液を燃料とするDMFCを代表例として説明するが、本発明で開発した燃料電池用気液分離膜は、エタノールやジメチルエーテル等の他の液体燃料にも好適に用いることが出来ることは言うまでもない。
Fuel cells have been actively developed in recent years because of their features such as high power generation efficiency, high energy density, and low environmental load. Polyelectrolyte fuel cells (PEFC) are attracting attention for automotive or household cogeneration applications, but there are problems in the storage and supply of fuel hydrogen for portable electronic devices such as notebook computers and digital cameras. Therefore, among the polymer electrolyte fuel cells, a liquid fuel direct supply type fuel cell that supplies liquid fuel and directly generates hydrogen from the liquid fuel with a catalyst at the fuel electrode is considered promising as a portable electronic device application.
As the fuel for this type of fuel cell, aqueous solutions of methanol, ethanol, dimethyl ether, etc. have been studied. However, methanol is regarded as the primary fuel because of its high theoretical energy density, and is called a direct methanol fuel cell (DMFC). It is.
In the following, a DMFC using a methanol aqueous solution as a fuel will be described as a representative example, but the gas-liquid separation membrane for a fuel cell developed in the present invention can be suitably used for other liquid fuels such as ethanol and dimethyl ether. Needless to say.

DMFCは、メタノール水溶液(CHOH + HO)と酸素(O)の化学反応により発電する。燃料となるメタノール水溶液はアノード(燃料極)の触媒で水素イオン(H)と電子(e)と二酸化炭素(CO)に分解される。
このとき発生したeが外部電極から取り出されることで発電し、Hは高分子電解質膜を通りカソード(空気極)へ到達し、空気極の触媒によりOが解離したOと反応してHOとなり、空気極から排出される。
最小構成単位である単セルは、デュポン社製の商品名“ナフィオン”に代表される高分子電解質膜を燃料極と空気極の両電極で挟んだ構造になっている。両電極はそれぞれメタノール水溶液および酸素が拡散するように多孔質構造となっており、触媒層を介して高分子電解質膜と接している。
The DMFC generates power by a chemical reaction between a methanol aqueous solution (CH 3 OH + H 2 O) and oxygen (O 2 ). A methanol aqueous solution serving as a fuel is decomposed into hydrogen ions (H + ), electrons (e ), and carbon dioxide (CO 2 ) by an anode (fuel electrode) catalyst.
And power generation by is extracted from the external electrode, H + will reach the polymer electrolyte membrane and into the cathode (air electrode), O 2 is the O dissociated by a catalyst of the air electrode - - this time occurs e react with H 2 O is discharged from the air electrode.
A single cell, which is the smallest structural unit, has a structure in which a polymer electrolyte membrane represented by a product name “Nafion” manufactured by DuPont is sandwiched between both electrodes of a fuel electrode and an air electrode. Both electrodes have a porous structure so that the aqueous methanol solution and oxygen diffuse, and are in contact with the polymer electrolyte membrane through the catalyst layer.

DMFCでは燃料極のPt/Ru触媒により、CHOH + HO → 6H + CO + 6e の電極反応が進行する。Pt表面に吸着したCHOHが順次Hとeを放出しながらアルデヒドを経由してCOとなり、RuにHOが解離吸着して生じたOH基がPt上に吸着したCOをCOに酸化する。
COが脱離した触媒表面に新たにCHOHが供給されることで反応が継続するが、燃料極近傍のCO濃度が高くなると脱離速度が低下し、Hの生成反応も遅くなるので、DMFCの発電効率を維持するにはCOの除去が重要である。
In DMFC, the electrode reaction of CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e proceeds by the Pt / Ru catalyst at the fuel electrode. CH 3 OH adsorbed on Pt surface sequentially H + and e - CO next via aldehyde while releasing, OH H 2 O occurs dissociate adsorbed on Ru - the CO which group is adsorbed onto the Pt oxidized to CO 2.
The reaction is continued by newly supplying CH 3 OH to the catalyst surface from which CO 2 has been desorbed. However, as the CO 2 concentration in the vicinity of the fuel electrode increases, the desorption rate decreases and the reaction for producing H + is slow. Therefore, removal of CO 2 is important to maintain the power generation efficiency of DMFC.

COの蓄積が進行していない段階では、生成したCOは燃料のメタノール水溶液中に溶解しているが、飽和溶解度に達すると燃料液体中に気泡として発生する。なお飽和溶解度はメタノールの濃度、温度、圧力に依存する。
燃料液体中に気泡が発生すると、例えば燃料液体の濃度センサや液面センサ等に付着してこれらの計測値を狂わせ、燃料電池の運転条件が最適値から外れ発電効率が低下するという問題がある。
携帯機器向けの小型のDMFCでは、燃料液体の流路は狭いため発生した気泡により燃料の供給が阻害され発電が停止することも生じる。
また燃料電池が密閉系であると、最悪の場合内圧が上昇して燃料電池自体が破壊される恐れがある。破壊に至らないまでも接合部が剥離して燃料が漏洩する恐れがあり、漏洩した燃料が燃料電池を搭載している携帯電子機器に悪影響を与える恐れもある。
In the stage where CO 2 accumulation is not progressing, the generated CO 2 is dissolved in the methanol aqueous solution of the fuel, but when the saturation solubility is reached, it is generated as bubbles in the fuel liquid. The saturation solubility depends on the methanol concentration, temperature, and pressure.
If air bubbles are generated in the fuel liquid, for example, it adheres to the fuel liquid concentration sensor, liquid level sensor, etc., and these measured values are deviated, and there is a problem that the operating conditions of the fuel cell deviate from the optimum values and the power generation efficiency decreases. .
In a small DMFC for a portable device, since the flow path of the fuel liquid is narrow, the supply of fuel is hindered by the generated bubbles, and the power generation may be stopped.
If the fuel cell is a closed system, the internal pressure may increase in the worst case, and the fuel cell itself may be destroyed. Even if it does not lead to destruction, the joint may peel off and the fuel may leak, and the leaked fuel may adversely affect the portable electronic device on which the fuel cell is mounted.





上記のようにDMFCを安定・安全に運転するためには、燃料極から発生する二酸化炭素を適切に除去してやる必要がある。この様な要求に対応するため、アノードが外気に触れる箇所を、液体は遮断し気体は透過させる気液分離膜でシールすることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−317773号公報




As described above, in order to operate the DMFC stably and safely, it is necessary to appropriately remove carbon dioxide generated from the fuel electrode. In order to meet such demands, it has been proposed to seal a portion where the anode is in contact with outside air with a gas-liquid separation membrane that blocks liquid and allows gas to permeate (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-317773 A

従来提案されていた気液分離膜は、ポリエチレンテレフタレートやポリテトラフルオロエチレン等の耐薬品性および撥水性に優れた合成樹脂材料を用いた多孔質膜に、更に表面に撥水処理を加えたもの等であった。しかし、これらの素材は、いずれも、燃料電池用気液分離膜として必ずしも適当なものではなく、ガスを十分に排出できない場合や、長時間の使用の際に、液体漏れやガスの蓄積等の現象を生ずる場合があった。そこで、十分な液体の遮断性と、十分な気体の透過性とを兼ね備えた、燃料電池用気液分離膜の実現が強く望まれていた。 The conventionally proposed gas-liquid separation membrane is a porous membrane made of a synthetic resin material with excellent chemical resistance and water repellency, such as polyethylene terephthalate and polytetrafluoroethylene, and the surface is further subjected to water repellency treatment. Etc. However, these materials are not necessarily suitable as gas-liquid separation membranes for fuel cells. When gas cannot be exhausted sufficiently or when used for a long time, liquid leakage, gas accumulation, etc. There was a case where the phenomenon occurred. Therefore, it has been strongly desired to realize a gas-liquid separation membrane for a fuel cell that has both sufficient liquid barrier properties and sufficient gas permeability.

本発明者らは、鋭意検討の結果、特定の物性を具備したフィルムが、上記の課題を解決し燃料電池用気液分離膜として好適であることを見出し、本発明の第1の形態に至った。また、本発明者らは、特定の材料系からなるフィルムが、上記の課題を解決し燃料電池用気液分離膜として好適であることを見出し、本発明の第2の形態に至った。本発明者らは、さらに、本発明の気液分離膜の好適な態様、および、本発明の気液分離膜を用いた燃料電池の好適な態様を見出し、これらを本発明の好ましい実施態様として提案するものである。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that a film having specific physical properties solves the above problems and is suitable as a gas-liquid separation membrane for a fuel cell, and has led to the first embodiment of the present invention. It was. Further, the present inventors have found that a film made of a specific material system solves the above problems and is suitable as a gas-liquid separation membrane for a fuel cell, and has led to the second embodiment of the present invention. The present inventors have further found out a preferred embodiment of the gas-liquid separation membrane of the present invention and a preferred embodiment of a fuel cell using the gas-liquid separation membrane of the present invention, and these are referred to as preferred embodiments of the present invention. It is what we propose.

即ち、本発明の第1の形態は、
[1] 差圧法ガス透過試験により測定した50℃における二酸化炭素の透過量が10,000cm/m・24hr・atm以上であり、カップ法により測定した50℃におけるメタノールの透過度が25,000g/m・24hr以下である、燃料電池用気液分離膜に関する。
That is, the first aspect of the present invention is
[1] The permeation amount of carbon dioxide at 50 ° C. measured by a differential pressure method gas permeation test is 10,000 cm 3 / m 2 · 24 hr · atm or more, and the methanol permeability at 50 ° C. measured by the cup method is 25, The present invention relates to a gas-liquid separation membrane for fuel cells, which is 000 g / m 2 · 24 hr or less.

また、下記[2]は、本発明の好ましい実施態様の1つである。
[2] 超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体からなる、上記[1]に記載の燃料電池用気液分離膜。ここで、「からなる」とは、当該気液分離膜の全部が超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体で構成されている場合、および当該気液分離膜の一部が超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体で構成されている場合、の双方を含む趣旨である。
[2] below is one of the preferred embodiments of the present invention.
[2] The gas-liquid separation membrane for fuel cells according to [1], comprising an ultrahigh molecular weight polyolefin and / or a 4-methyl-1-pentene (co) polymer. Here, “consisting of” means that the gas-liquid separation membrane is entirely composed of ultrahigh molecular weight polyolefin and / or 4-methyl-1-pentene (co) polymer, and the gas-liquid separation. When a part of the film is composed of ultrahigh molecular weight polyolefin and / or 4-methyl-1-pentene (co) polymer, it is intended to include both.

また、本発明の第2の形態は、
[3] 超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体からなる、燃料電池用気液分離膜に関する。ここで、「からなる」とは、当該気液分離膜の全部が超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体で構成されている場合、および当該気液分離膜の一部が超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体で構成されている場合、の双方を含む趣旨である。
The second aspect of the present invention is
[3] The present invention relates to a fuel cell gas-liquid separation membrane comprising an ultrahigh molecular weight polyolefin and / or a 4-methyl-1-pentene (co) polymer. Here, “consisting of” means that the gas-liquid separation membrane is entirely composed of ultrahigh molecular weight polyolefin and / or 4-methyl-1-pentene (co) polymer, and the gas-liquid separation. When a part of the film is composed of ultrahigh molecular weight polyolefin and / or 4-methyl-1-pentene (co) polymer, it is intended to include both.

また、下記[4]から[8]は、それぞれ本発明の好ましい実施態様の1つである。
[4] 厚みが、1μm〜100μmである、上記[1]または[3]のいずれか1項に記載の燃料電池用気液分離膜。
[5] 上記[1]から[4]のいずれか1項に記載の気液分離膜を備えた、燃料電池。
[6] 上記燃料電池において、上記燃料電池用気液分離膜よりも外側に有孔支持体を燃料電池外側に積層した、上記[5]に記載の燃料電池。
[7] メタノールを燃料に用いる、上記[5]または[6]に記載の燃料電池。

[8] 上記[5]から[7]のいずれか1項に記載の燃料電池を内蔵または使用する、携帯用電子機器。
The following [4] to [8] are each one of preferred embodiments of the present invention.
[4] The gas-liquid separation membrane for a fuel cell according to any one of [1] or [3], wherein the thickness is 1 μm to 100 μm.
[5] A fuel cell comprising the gas-liquid separation membrane according to any one of [1] to [4].
[6] The fuel cell according to the above [5], wherein in the fuel cell, a perforated support is laminated on the outside of the fuel cell outside the gas-liquid separation membrane for the fuel cell.
[7] The fuel cell according to [5] or [6] above, wherein methanol is used as a fuel.

[8] A portable electronic device incorporating or using the fuel cell according to any one of [5] to [7].

本発明によれば、燃料電池用気液分離膜の分野において、十分な液体の遮断性と、十分な気体の透過性とを兼ね備えた、燃料電池用気液分離膜が提供される。
本発明を応用することで、優れた性能を有する燃料電池および携帯用電子機器を提供することが可能となる。
According to the present invention, in the field of fuel cell gas-liquid separation membrane, a fuel cell gas-liquid separation membrane having both sufficient liquid blocking properties and sufficient gas permeability is provided.
By applying the present invention, it is possible to provide a fuel cell and a portable electronic device having excellent performance.

以下、本発明を詳細に説明するが、まず、本発明の第1の形態である燃料電池用気液分離膜について説明する。
本発明の第1の形態である燃料電池用気液分離膜は、JIS K7126のA法として規定されている差圧法ガス透過試験に準じて測定した50℃における二酸化炭素の透過量が10,000cm/m・24hr・atm以上であり、かつ、カップ法により測定した50℃におけるメタノールの透過度が25,000g/m・24hr以下である。
二酸化炭素の透過量は、50℃における、単位圧力、単位時間、単位面積あたりの二酸化炭素の透過量として定義される。具体的には、二酸化炭素の透過量は、差圧法ガス透過試験機(東洋精機製MTC−3型)を使用し、試験温度50℃、試験湿度0%RH、測定面積38.46cmの条件で、透過度が高いため、マニュアル測定により測定される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. First, a gas-liquid separation membrane for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention will be described.
The gas-liquid separation membrane for a fuel cell according to the first aspect of the present invention has a carbon dioxide permeation amount of 10,000 cm at 50 ° C. measured in accordance with a differential pressure method gas permeation test defined as method A of JIS K7126. 3 / m 2 · 24 hr · atm or more, and the methanol permeability at 50 ° C. measured by the cup method is 25,000 g / m 2 · 24 hr or less.
The permeation amount of carbon dioxide is defined as the permeation amount of carbon dioxide per unit pressure, unit time, and unit area at 50 ° C. Specifically, the carbon dioxide permeation amount is determined by using a differential pressure method gas permeation tester (MTC-3 type, manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.), a test temperature of 50 ° C., a test humidity of 0% RH, and a measurement area of 38.46 cm 2 Since the transmittance is high, it is measured by manual measurement.

二酸化炭素の透過量が10,000cm/m・24hr・atm以上であると、例えば燃料電池の燃料極側のシール材に本発明の気液分離膜を使用した際に、燃料極で発生する二酸化炭素等の気体を燃料容器外に有効に排出して電池内圧の上昇を防止をすることが可能になり、燃料電池を長期間運転した際に電池性能を維持でき、また燃料等の液体の漏出を防止することができるので好ましい。 When the carbon dioxide permeation amount is 10,000 cm 3 / m 2 · 24 hr · atm or more, for example, when the gas-liquid separation membrane of the present invention is used as the sealing material on the fuel electrode side of the fuel cell, the carbon dioxide is generated at the fuel electrode. It is possible to effectively discharge gas such as carbon dioxide to the outside of the fuel container to prevent an increase in the internal pressure of the battery, maintain the cell performance when the fuel cell is operated for a long time, and liquid such as fuel This is preferable because it is possible to prevent leakage.

本発明の気液分離膜の二酸化炭素透過量は、好ましくは10,000cm/m・24hr・atm以上、さらに好ましくは15,000cm/m・24hr・atm以上である。本発明の主たる目的を達成する観点からは、本発明の気液分離膜の二酸化炭素の透過量は高いほど好ましく、特に上限は存在しないが、燃料、酸化剤、各極等の汚染等を避ける観点からは、1,000,000,000cm/m・24hr・atm以下、望ましくは100,000,000cm/m・24hr・atm以下であることが好ましい。 The carbon dioxide permeation amount of the gas-liquid separation membrane of the present invention is preferably 10,000 cm 3 / m 2 · 24 hr · atm or more, more preferably 15,000 cm 3 / m 2 · 24 hr · atm or more. From the viewpoint of achieving the main object of the present invention, the permeation amount of carbon dioxide of the gas-liquid separation membrane of the present invention is preferably as high as possible, and there is no particular upper limit, but contamination of fuel, oxidant, each electrode, etc. is avoided. From the viewpoint, it is preferably 1,000,000,000 cm 3 / m 2 · 24 hr · atm or less, preferably 100,000,000 cm 3 / m 2 · 24 hr · atm or less.

メタノールの透過度は、50℃における、単位時間、単位面積あたりのメタノールの透過量として定義される。具体的には、メタノールの透過度は、カップ法により測定される。より具体的には、ステンレス製の直径30mm(透過面積=0.000707m)のカップに20mlのメタノールを入れポリテトラフルオロエチレン製パッキンを介して直径40mm以上の気液分離膜試料を置き、ステンレス製のリング状のフランジで挟さみネジで固定する。このカップを倒置して気液分離膜試料に接液した状態で50℃の高温槽に入れ、一定時間毎に取り出して重量を測定しメタノールの透過量を算出する。フランジからネジの頭部が突出しているので倒置した際、気液分離膜試料と高温槽との間にネジの頭部の高さだけ空隙が生じ、当該空隙から透過したメタノールは散逸する。 Methanol permeability is defined as the amount of methanol per unit time per unit area at 50 ° C. Specifically, the methanol permeability is measured by the cup method. More specifically, 20 ml of methanol is placed in a stainless steel cup having a diameter of 30 mm (permeation area = 0.00707 m 2 ), and a gas-liquid separation membrane sample having a diameter of 40 mm or more is placed through a polytetrafluoroethylene packing, and the stainless steel is placed. Use a ring-shaped flange made of steel, and fix it with screws. The cup is turned upside down and in contact with the gas-liquid separation membrane sample, put in a high-temperature bath at 50 ° C., taken out at regular intervals, and weighed to calculate the amount of methanol permeated. Since the screw head protrudes from the flange, when it is turned upside down, a gap is formed between the gas-liquid separation membrane sample and the high-temperature bath by the height of the screw head, and methanol permeated through the gap is dissipated.

メタノールの透過度が25,000g/m・24hr以下であると、例えば、燃料電池からの燃料等の漏出を有効に防止することが可能になり、安定した運転が可能になり、また、周囲の機器等への悪影響も防止できるので、好ましい。
本発明の気液分離膜のメタノール透過度は、好ましくは10,000g/m・24hr以下、さらに好ましくは5,000g/m・24hr以下である。本発明の主たる目的を達成する観点からは、本発明の気液分離膜のメタノール透過度は低いほど好ましい。
If the methanol permeability is 25,000 g / m 2 · 24 hr or less, for example, leakage of fuel from the fuel cell can be effectively prevented, stable operation becomes possible, This is preferable because it can prevent adverse effects on the equipment and the like.
Methanol permeability of the gas-liquid separation membrane of the present invention is preferably 10,000g / m 2 · 24hr or less, more preferably not more than 5,000g / m 2 · 24hr. From the viewpoint of achieving the main object of the present invention, the lower the methanol permeability of the gas-liquid separation membrane of the present invention, the better.

本発明の第1の形態である燃料電池用気液分離膜は、二酸化炭素の透過量およびメタノールの透過度が上記範囲内にあれば良く、特に材質に制限はないが、超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体からなることが好ましい。   The gas-liquid separation membrane for a fuel cell according to the first aspect of the present invention is not particularly limited as long as the carbon dioxide permeation amount and the methanol permeation rate are within the above ranges. And / or consisting of 4-methyl-1-pentene (co) polymer.

次に、本発明の第2の形態である燃料電池用気液分離膜について説明する。
本発明の第2の形態である燃料電池用気液分離膜は、超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体からなる。ここで、「からなる」とは、当該気液分離膜の全部が超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体で構成されている場合、および当該気液分離膜の一部が超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体で構成されている場合、の双方を含む趣旨である。

本発明の第1の形態である燃料電池用気液分離膜において好ましく使用され、また、本発明の第2の形態である燃料電池用気液分離膜において2つの選択肢のうちの1つとして使用される超高分子量ポリオレフィン (A)は、炭素数2〜12のα-オレフィンの単独重合体または共重合体であって、デカリン溶媒中135℃で測定した極限粘度[η]が4.0d1/g以上であるものをいう。超高分子量ポリオレフィンの極限粘度[η]は、好ましくは5.0d1/g以上、更に好ましくは6.0d1/g以上である。
Next, the gas-liquid separation membrane for fuel cells which is the 2nd form of this invention is demonstrated.
The gas-liquid separation membrane for a fuel cell according to the second embodiment of the present invention is made of ultrahigh molecular weight polyolefin and / or 4-methyl-1-pentene (co) polymer. Here, “consisting of” means that the gas-liquid separation membrane is entirely composed of ultrahigh molecular weight polyolefin and / or 4-methyl-1-pentene (co) polymer, and the gas-liquid separation. When a part of the film is composed of ultrahigh molecular weight polyolefin and / or 4-methyl-1-pentene (co) polymer, it is intended to include both.

It is preferably used in the gas-liquid separation membrane for fuel cells according to the first aspect of the present invention, and is used as one of two options in the gas-liquid separation membrane for fuel cells according to the second aspect of the present invention. The ultrahigh molecular weight polyolefin (A) is a homopolymer or copolymer of an α-olefin having 2 to 12 carbon atoms, and has an intrinsic viscosity [η] measured at 135 ° C. in a decalin solvent of 4.0 d1 / That which is more than g. The intrinsic viscosity [η] of the ultrahigh molecular weight polyolefin is preferably 5.0 d1 / g or more, more preferably 6.0 d1 / g or more.

デカリン溶媒中135℃での極限粘度[η]が4.0d1/g以上であると、十分な引張強度、衝撃強度、耐磨耗性等の機械的強度を有し好ましい。極限粘度[η]の上限は特に限定はされないが、15.0d1/g以下であれば、インフレーション成形等で薄膜成形が可能な範囲にあり、気液分離膜に成型し易く好ましい。
デカリン溶媒中135℃での極限粘度[η]は、具体的には、ASTM D4020に従い測定される。
An intrinsic viscosity [η] at 135 ° C. in a decalin solvent of 4.0 d1 / g or more is preferable because it has sufficient mechanical strength such as tensile strength, impact strength, and wear resistance. The upper limit of the intrinsic viscosity [η] is not particularly limited, but if it is 15.0 d1 / g or less, it is in a range where thin film molding can be performed by inflation molding or the like, and it is easy to mold into a gas-liquid separation membrane.
The intrinsic viscosity [η] at 135 ° C. in a decalin solvent is specifically measured according to ASTM D4020.

本発明の燃料電池用気液分離膜に超高分子量ポリオレフィンを用いると、気液分離膜が、十分なガス透過性と強度とを両立させることができ、好ましい。
本発明で用いることのできる超高分子量ポリオレフィンは、炭素数2〜12のα-オレフィンの単独重合体または共重合体である。このようなα-オレフィンとしては、具体的に、エチレン、プロピレン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテン、1−デセン、1−ドデセン、4−メチル−1−ペンテン、3−メチル−1−ペンテンなどが挙げられる。これらのうち、エチレンの単独重合体またはエチレンを主成分としてなるエチレンと他のα-オレフィンとの共重合体が特に好ましい。なお、本発明で用いることのできる超高分子量ポリオレフィンは、本発明の目的を損なわない範囲で、上記の各種αオレフィン以外のモノマーをも共重合したものであっても良い。本発明で用いることのできる超高分子量ポリオレフィンは、従来公知の方法で適宜製造することが可能であり、製法に特に制限はないが、例えば、特開平06−234811号公報に記載の方法で製造することができる。
When the ultrahigh molecular weight polyolefin is used for the gas-liquid separation membrane for a fuel cell of the present invention, the gas-liquid separation membrane can achieve both sufficient gas permeability and strength, which is preferable.
The ultrahigh molecular weight polyolefin that can be used in the present invention is a homopolymer or copolymer of an α-olefin having 2 to 12 carbon atoms. Specific examples of such α-olefins include ethylene, propylene, 1-pentene, 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 4-methyl-1-pentene, and 3-methyl-1. -Pentene and the like. Among these, an ethylene homopolymer or a copolymer of ethylene and other α-olefins having ethylene as a main component is particularly preferable. The ultra-high molecular weight polyolefin that can be used in the present invention may be one obtained by copolymerizing monomers other than the various α-olefins as long as the object of the present invention is not impaired. The ultra-high molecular weight polyolefin that can be used in the present invention can be appropriately produced by a conventionally known method, and the production method is not particularly limited. For example, the ultra high molecular weight polyolefin can be produced by the method described in JP-A-06-234811. can do.

本発明の燃料電池用気液分離膜においては、超高分子量ポリオレフィンは、1種類を単独で使用しても良いし、2種類以上を組み合わせて使用しても良い。また、より低分子量の同種または異種のモノマーから得られたポリオレフィンと組み合わせて、ブレンドなどの形で使用することも可能である。さらに、本発明の燃料電池用気液分離膜に超高分子量ポリオレフィンを用いるにあたっては、本発明の目的を損なわない範囲で、可塑剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、安定剤、充填剤、顔料、染料、帯電防止剤、抗菌剤、防黴剤、難燃剤、及び分散剤等から選ばれる1種類または2種類以上の添加剤を添加することができる。   In the gas-liquid separation membrane for a fuel cell of the present invention, one type of ultrahigh molecular weight polyolefin may be used alone, or two or more types may be used in combination. It can also be used in the form of a blend in combination with a polyolefin obtained from the same or different monomer having a lower molecular weight. Furthermore, in using the ultrahigh molecular weight polyolefin for the gas-liquid separation membrane for fuel cells of the present invention, a plasticizer, an antioxidant, an ultraviolet absorber, a stabilizer, a filler, and a pigment within the range not impairing the object of the present invention. One type or two or more types of additives selected from dyes, antistatic agents, antibacterial agents, antifungal agents, flame retardants, dispersants and the like can be added.

超高分子量ポリオレフィンを用いて、本発明の燃料電池用気液分離膜を製造する方法には特に制限はなく、本発明の目的を損なわない範囲で従来公知のフィルム製造方法を適宜採用することができる。例えば、特公平4−16330号公報、特公平6−55433号公報または、特開平9−183156号公報に記載の方法を適宜採用することができる。   The method for producing the gas-liquid separation membrane for a fuel cell of the present invention using an ultrahigh molecular weight polyolefin is not particularly limited, and a conventionally known film production method can be appropriately employed within a range not impairing the object of the present invention. it can. For example, methods described in Japanese Patent Publication No. 4-16330, Japanese Patent Publication No. 6-55433, or Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-183156 can be appropriately employed.

本発明の第1の形態である燃料電池用気液分離膜において好ましく使用され、また、本発明の第2の形態である燃料電池用気液分離膜において2つの選択肢のうちの1つとして使用される4−メチル−1−ペンテン(共)重合体としては、4−メチル−1 −ペンテンの単独重合体、もしくは4−メチル−1 −ペンテンと他のα−オレフィンとの共重合体が用いられる。共重合体を用いる場合、共重合成分である他のα−オレフィンとしては、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ヘキセン、1−オクテン、1−デセン、1−ドデセン、1−テトラデセン、1−ヘキサデセン、1−オクタデセン、1−エイコセン等の炭素数が2乃至20のα−オレフィンを例示できる。好ましい共重合成分は、1−ドデセン、1−テトラデセン、1−ヘキサデセン、1−オクタデセン或いは1−エイコセンである。該共重合体として、上記αーオレフィンを2種以上組み合わせて共重合させた3元系以上の共重合体を用いても良い。特に、4−メチル−1 −ペンテンを80重量%以上の量で含有する4−メチル−1 −ペンテンを主体とした共重合体の使用が好ましい。共重合成分(他のα−オレフィン)の含有量が20重量%を越えると4−メチル−1 −ペンテン(共)重合体の融点が低下し、耐熱性が低下する傾向を有するので、本発明の目的との関係で共重合成分の含有量を適宜調整することが望ましい。   It is preferably used in the gas-liquid separation membrane for fuel cells according to the first aspect of the present invention, and is used as one of two options in the gas-liquid separation membrane for fuel cells according to the second aspect of the present invention. As the 4-methyl-1-pentene (co) polymer used, a homopolymer of 4-methyl-1-pentene or a copolymer of 4-methyl-1-pentene and other α-olefin is used. It is done. When a copolymer is used, other α-olefins that are copolymer components include ethylene, propylene, 1-butene, 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-tetradecene, 1- Examples thereof include α-olefins having 2 to 20 carbon atoms such as hexadecene, 1-octadecene, 1-eicosene and the like. Preferred copolymerization components are 1-dodecene, 1-tetradecene, 1-hexadecene, 1-octadecene or 1-eicocene. As the copolymer, a ternary or higher copolymer obtained by copolymerizing two or more α-olefins may be used. In particular, it is preferable to use a copolymer mainly composed of 4-methyl-1-pentene containing 4-methyl-1-pentene in an amount of 80% by weight or more. When the content of the copolymer component (other α-olefin) exceeds 20% by weight, the melting point of the 4-methyl-1-pentene (co) polymer is lowered and the heat resistance tends to be lowered. It is desirable to appropriately adjust the content of the copolymer component in relation to the purpose.

4−メチル−1−ペンテン(共)重合体は、気体の透過性が比較的高いため、膜を多孔質にしなくとも、あるいは膜厚を極端に薄くしなくとも、本発明において求められる二酸化炭素透過性を確保することができる。このため、多孔質に起因する液体の漏出や、極端に薄い膜厚に起因する機械的強度の低下を避けながら、十分な二酸化炭素透過性を具備することが出来るので、本発明の気液分離膜の素材として好適である。   Since 4-methyl-1-pentene (co) polymer has a relatively high gas permeability, carbon dioxide required in the present invention is not required to be porous or extremely thin. Permeability can be ensured. For this reason, it is possible to provide sufficient carbon dioxide permeability while avoiding liquid leakage due to porosity and reduction in mechanical strength due to extremely thin film thickness. It is suitable as a material for the film.

本発明の気液分離膜に用いることができる4−メチル−1 −ペンテン(共)重合体は、ASTM D1238に準じて荷重5.0kg,温度260℃の条件で測定したメルトフローレート(MFR)が5〜50g/10分範囲にあることが好ましい。特に、7〜30g/10分の範囲にあることが好ましい。MFRが上記範囲にあることにより、フィルム成形が実施しやすいため、好ましい。   The 4-methyl-1-pentene (co) polymer that can be used for the gas-liquid separation membrane of the present invention is a melt flow rate (MFR) measured under the conditions of a load of 5.0 kg and a temperature of 260 ° C. according to ASTM D1238. Is preferably in the range of 5 to 50 g / 10 min. In particular, it is preferably in the range of 7 to 30 g / 10 minutes. When MFR is in the above range, film forming is easy to carry out, which is preferable.


本発明の燃料電池用気液分離膜においては、4−メチル−1−ペンテン(共)重合体は、1種類を単独で使用しても良いし、2種類以上を組み合わせて使用しても良い。また、4−メチル−1−ペンテン(共)重合体以外のポリオレフィンと組み合わせて、ブレンドなどの形で使用することも可能である。さらに、本発明の燃料電池用気液分離膜に4−メチル−1−ペンテン(共)重合体を用いるにあたっては、本発明の目的を損なわない範囲で、他の樹脂、および/または、可塑剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、安定剤、充填剤、顔料、染料、帯電防止剤、抗菌剤、防黴剤、難燃剤、及び分散剤等から選ばれる1種類または2種類以上の添加剤を添加することができる。

In the gas-liquid separation membrane for a fuel cell of the present invention, 4-methyl-1-pentene (co) polymer may be used alone or in combination of two or more. . It can also be used in the form of a blend or the like in combination with a polyolefin other than 4-methyl-1-pentene (co) polymer. Furthermore, when 4-methyl-1-pentene (co) polymer is used for the gas-liquid separation membrane for fuel cells of the present invention, other resins and / or plasticizers are used within the range not impairing the object of the present invention. , One or more additives selected from antioxidants, ultraviolet absorbers, stabilizers, fillers, pigments, dyes, antistatic agents, antibacterial agents, antifungal agents, flame retardants, dispersants, etc. Can be added.

4−メチル−1−ペンテン(共)重合体を用いて、本発明の燃料電池用気液分離膜を製造する方法には特に制限はなく、本発明の目的を損なわない範囲で従来公知のフィルム製造方法を適宜採用することができる。例えば、特開平10−81710号公報、または、特開2001−62896号公報に記載の方法を適宜採用することができる。
The method for producing the gas-liquid separation membrane for a fuel cell of the present invention using 4-methyl-1-pentene (co) polymer is not particularly limited, and is a conventionally known film as long as the object of the present invention is not impaired. Manufacturing methods can be employed as appropriate. For example, the method described in JP-A-10-81710 or JP-A-2001-62896 can be appropriately employed.

本発明の燃料電池用気液分離膜は、厚みが、1μm〜100μmであることが好ましい。さらに好ましい厚みは3μm〜80μm、特に好ましくは5μm〜 50μmである。膜厚が上記範囲にあると、燃料電池の薄型化や、気体分離性能と耐破膜のバランス等の観点で好ましい。 The gas-liquid separation membrane for a fuel cell of the present invention preferably has a thickness of 1 μm to 100 μm. Further preferable thickness is 3 μm to 80 μm, particularly preferably 5 μm to 50 μm. When the film thickness is in the above range, it is preferable from the viewpoint of reducing the thickness of the fuel cell and balancing the gas separation performance and the breakage resistance.

次に、本発明の好ましい実施形態である燃料電池について、説明する。
本発明の好ましい実施形態である燃料電池(以後、「好ましい燃料電池」という。)は、差圧法ガス透過試験により測定した50℃における二酸化炭素の透過量が10,000cm/m・24hr・atm以上であり、カップ法により測定した50℃におけるメタノールの透過度が25,000g/m・24hr以下である、燃料電池用気液分離膜を備えている。
Next, a fuel cell which is a preferred embodiment of the present invention will be described.
A fuel cell which is a preferred embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “preferred fuel cell”) has a carbon dioxide permeation amount at 50 ° C. measured by a differential pressure method gas permeation test of 10,000 cm 3 / m 2 · 24 hr ·. The fuel cell gas-liquid separation membrane is atm or more and has a methanol permeability of 25,000 g / m 2 · 24 hr or less at 50 ° C. measured by the cup method.

好ましい燃料電池に使用する燃料には特に制限は無く、通常の燃料電池に使用可能な液体燃料であるメタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の水溶液を使用することができるが、コスト、入手の容易さ、反応の単純さ、エネルギー密度等の観点から、メタノールを燃料として用いることが望ましい。特に、改質器等の周辺補助機器が不要で、小型化に向いていることなどから、直接メタノール型(DMFC)であることが望ましい。   There are no particular restrictions on the fuel used in the preferred fuel cell, and an aqueous solution of methanol, ethanol, dimethyl ether, etc., which are liquid fuels that can be used in ordinary fuel cells, can be used. However, cost, availability, reaction From the viewpoint of simplicity, energy density, etc., it is desirable to use methanol as the fuel. In particular, it is desirable to use a direct methanol type (DMFC) because peripheral auxiliary equipment such as a reformer is unnecessary and suitable for miniaturization.

以下、DMFCを例にとり、好ましい燃料電池について説明する。
図1に、好ましい燃料電池の一例であるDMFCの断面図を例示する。燃料電池1は筐体2で単セルを構成し、必要に応じて単セルを組み合わせた燃料電池スタックを構成しても良い。筐体2の一部は構成部材としてセパレータやバイポーラプレートと呼ばれることもある。単セルは高分子電解質膜3をアノード(燃料極6)とカソード(空気極7)とで挟んだ構造をしている。燃料であるメタノール水溶液を直接にアノード(燃料極6)に供給し、かつ空気をカソード(空気極7)に供給することによって電力を得るタイプである。そして、燃料極6と高分子電解質膜3との間には(Pt/Ru)触媒を含んだ触媒層4が挟持されており、空気極7と高分子電解質膜3との間には触媒(Pt)を含んだ触媒層5が挟持されている。燃料極6および空気極7の両電極は、それぞれメタノール及び水、酸素あるいは空気が触媒層へ到達する必要があるため多孔質構造となっている。触媒層を含んだ電極を電極と呼んでいる場合も多く、高分子電解質膜、(両触媒層)および燃料極6と空気極7との積層体を膜電極複合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)と呼んでいる。
Hereinafter, a preferred fuel cell will be described by taking DMFC as an example.
FIG. 1 illustrates a cross-sectional view of a DMFC which is an example of a preferred fuel cell. The fuel cell 1 may constitute a single cell with the housing 2 and may constitute a fuel cell stack in which the single cells are combined as necessary. A part of the housing 2 may be called a separator or a bipolar plate as a constituent member. The single cell has a structure in which the polymer electrolyte membrane 3 is sandwiched between an anode (fuel electrode 6) and a cathode (air electrode 7). This is a type that obtains electric power by supplying a methanol aqueous solution as a fuel directly to the anode (fuel electrode 6) and supplying air to the cathode (air electrode 7). A catalyst layer 4 containing a (Pt / Ru) catalyst is sandwiched between the fuel electrode 6 and the polymer electrolyte membrane 3, and a catalyst ( A catalyst layer 5 containing Pt) is sandwiched. Both the fuel electrode 6 and the air electrode 7 have a porous structure because methanol and water, oxygen or air must reach the catalyst layer. In many cases, an electrode including a catalyst layer is called an electrode, and a polymer electrolyte membrane, (both catalyst layers), and a laminate of a fuel electrode 6 and an air electrode 7 are used as a membrane electrode assembly (MEB). It is called.

燃料電池1の燃料極6および空気極7はアノード側外部接続端子8およびカソード側外部接続端子9にそれぞれ電気的に接続される。
燃料電池1の燃料極6側には燃料を収容する燃料室10が設けられていると共に、燃料電池1の空気極7側には空気を収容する空気室11が設けられている。燃料室は密閉系でも開放系でも良いが、開放系では携帯機器に搭載する場合は燃料流出を防ぐ機構を設ける必要がある。また燃料の供給は回分で充填しても良いし、ポンプ等を用いて循環・流通させても良い。また高濃度のメタノールと水とのタンクを別に設けておき、適当な濃度になるように予め混合してから燃料室に供給しても良い。空気室も同様に密閉系でも開放系でも良いが、通常は開放系として外部からの空気を自然循環させるか、ファン等を用いて強制循環させる。
The fuel electrode 6 and the air electrode 7 of the fuel cell 1 are electrically connected to the anode side external connection terminal 8 and the cathode side external connection terminal 9, respectively.
A fuel chamber 10 for storing fuel is provided on the fuel electrode 1 side of the fuel cell 1, and an air chamber 11 for storing air is provided on the air electrode 7 side of the fuel cell 1. The fuel chamber may be either a closed system or an open system, but in the open system, it is necessary to provide a mechanism for preventing fuel outflow when mounted on a portable device. The fuel may be supplied in batches or may be circulated and distributed using a pump or the like. Alternatively, a high-concentration methanol and water tank may be provided separately and mixed in advance so as to obtain an appropriate concentration before being supplied to the fuel chamber. Similarly, the air chamber may be a closed system or an open system, but normally air from outside is naturally circulated as an open system or forcedly circulated using a fan or the like.

燃料室10の一部に二酸化炭素(CO)を外部に排出させる気液分離膜12が配置されている。なお、燃料室10に設ける気液分離膜の場所は、この例における12の場所に何ら限定されるものではなく、燃料室10と外部とをつなぐことができる場所であれば、適宜設けることができる。ここで、燃料電池の内圧上昇による燃料電池用気液分離膜の変形を防止するためには、気液分離膜よりも外側に有孔支持体を積層することが好ましい。

そして、燃料電池1では、その燃料室10に充填・給油あるいは循環・流通する燃料としてメタノール水溶液が用いられる。また、空気室11内には、空気が図示しないフィルタを介して供給される。
そして、燃料は、触媒層6での触媒反応により、水素イオン、電子、二酸化炭素に分解される。上記水素イオンは高分子電解質膜3を通過して空気極5に移動するが、上記電子は高分子電解質膜3を通過せず外部端子8および9間に流れることにより電流が発生する。また、高分子電解質膜3を透過した上記水素イオンなどが空気極7側の触媒層5中の酸素で触媒燃焼されると、水(2HO)が生成される。
即ち、上述した電池反応は「CHOH+3/2・O→CO+2HO」であり、燃料室10側に二酸化炭素が排出されると共に空気室11側に水(水蒸気)が排出される。
本発明の気液分離膜は、二酸化炭素の透過性に優れるため、二酸化炭素発生による燃料電池の内圧上昇を低減できるとともに、燃料の漏液を低減・防止することが可能となる。
A gas-liquid separation membrane 12 that discharges carbon dioxide (CO 2 ) to the outside is disposed in a part of the fuel chamber 10. The location of the gas-liquid separation membrane provided in the fuel chamber 10 is not limited to the location of 12 in this example, and may be appropriately provided as long as the location can connect the fuel chamber 10 and the outside. it can. Here, in order to prevent deformation of the gas-liquid separation membrane for a fuel cell due to an increase in the internal pressure of the fuel cell, it is preferable to laminate a porous support outside the gas-liquid separation membrane.

In the fuel cell 1, an aqueous methanol solution is used as the fuel that fills / fuels or circulates / circulates in the fuel chamber 10. Air is supplied into the air chamber 11 via a filter (not shown).
The fuel is decomposed into hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide by a catalytic reaction in the catalyst layer 6. The hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane 3 and move to the air electrode 5, but the electrons flow between the external terminals 8 and 9 without passing through the polymer electrolyte membrane 3, thereby generating a current. Further, when the hydrogen ions and the like that have passed through the polymer electrolyte membrane 3 are catalytically burned with oxygen in the catalyst layer 5 on the air electrode 7 side, water (2H 2 O) is generated.
That is, the cell reaction described above is “CH 3 OH + 3/2 · O 2 → CO 2 + 2H 2 O”, and carbon dioxide is discharged to the fuel chamber 10 side and water (water vapor) is discharged to the air chamber 11 side. The
Since the gas-liquid separation membrane of the present invention is excellent in carbon dioxide permeability, it is possible to reduce an increase in the internal pressure of the fuel cell due to the generation of carbon dioxide and to reduce or prevent fuel leakage.

以上、図1に示すDMFCを例にとり、好ましい燃料電池について説明したが、本発明の気液分離膜は、それ以外の方式、設計の燃料電池にも好適に使用することができる。
本発明の好ましい実施態様である燃料電池は、小型かつ比較的単純な構造でありながら、長時間使用した際の電池性能の低下や燃料の漏出等が有効に防止される。このため、ノートパソコン、携帯電話、携帯情報端末、デジタルカメラ、携帯音楽端末等の携帯用電子機器や、パソコン、AV機器、家電製品等、車載用電子機器等の各種電子機器、に好適に使用することができる。
The DMFC shown in FIG. 1 has been described above as an example of a preferred fuel cell, but the gas-liquid separation membrane of the present invention can be suitably used for fuel cells of other systems and designs.
Although the fuel cell which is a preferred embodiment of the present invention has a small and relatively simple structure, it is possible to effectively prevent a decrease in cell performance, fuel leakage, etc. when used for a long time. For this reason, it is suitably used for portable electronic devices such as notebook computers, mobile phones, portable information terminals, digital cameras, and portable music terminals, and various electronic devices such as personal computers, AV devices, home appliances, and in-vehicle electronic devices. can do.


以下、本発明を実施例により具体的に説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(燃料電池用気液分離膜の評価)
本実施例および比較例において、下記フィルムを使用して燃料電池用気液分離膜の評価を実施した。
[実施例1]
OPULENT TPXフィルム(三井化学製)の銘柄名X−22(融点222℃,MFR20)、X−44(融点228℃,MFR26)、X−88(融点236℃,MFR10)のフィルムの評価を実施した。表1に結果を示す。

Figure 2006185629

Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. The present invention is not limited to the following examples.
(Evaluation of gas-liquid separation membrane for fuel cells)
In the examples and comparative examples, the gas-liquid separation membrane for fuel cells was evaluated using the following films.
[Example 1]
Evaluation of films of brand names X-22 (melting point 222 ° C, MFR20), X-44 (melting point 228 ° C, MFR26), X-88 (melting point 236 ° C, MFR10) of OPULENT TPX film (Mitsui Chemicals) was carried out. . Table 1 shows the results.

Figure 2006185629

[実施例2]
特開平10−306168に示すインフレーションフィルムの製造装置において、以下の仕様による装置を用いて超高分子量ポリエチレン製インフレーションフィルムを製造した。
装置の仕様
押出機の第1スクリュー外径50mmφ、スクリュー有効長さ1100mm、フライトピッチ30mm一定、スクリュー圧縮比1.8、押出機に対して立設してなるスクリューダイ有効長さ1490mm(L/D=28)、ダイ出口アウターダイ内径53mmφ、ダイ出口マンドレル外径45mmφ、S1 /S2 =1.17、S2 /S3 =3.14、スクリューダイの第2スクリュー外径70mmφ、第2スクリュー有効長さ238mm、フライトピッチ25mm一定、第2スクリュー圧縮比1.0、安定棒の外径37mmφ、安定棒長さ600mm、第2スクリュー内部、マンドレル内部及び安定棒シャフト内部に延在してなる8mmφの気体流路、安定板、ピンチロール及び製品巻取機を具備してなる。
[Example 2]
In the inflation film production apparatus disclosed in JP-A-10-306168, an ultrahigh molecular weight polyethylene inflation film was produced using an apparatus having the following specifications.
Specification of the apparatus The first screw outer diameter of the extruder 50 mmφ, the effective screw length 1100 mm, the flight pitch 30 mm constant, the screw compression ratio 1.8, the screw die effective length 1490 mm (L / L D = 28), die outlet outer die inner diameter 53 mmφ, die outlet mandrel outer diameter 45 mmφ, S 1 / S 2 = 1.17, S 2 / S 3 = 3.14, screw die second screw outer diameter 70 mmφ, second screw effective length 238 mm, flight pitch 25 mm constant, second screw compression ratio 1.0, stabilizer rod outer diameter 37 mmφ, stabilizer rod length 600 mm, 8 mmφ extending into the second screw, mandrel and stabilizer rod shaft It comprises a gas flow path, a stabilizer, a pinch roll, and a product winder.

<超高分子量ポリエチレンフィルムの作製>
超高分子量ポリエチレン[η]:5.7dl/g、嵩密度:0.45g/cm3 の粉末樹脂を用い、押出機、ジョイント部(J)、ダイ基部(D1)及びダイ先端部(D2)の設定温度を各々197℃、191℃、190℃、175℃にし、第1スクリュー回転数を21rpm、第2スクリュー回転数を1.8rpmに設定し、ピンチロールで8.7m/minの速度で引取りながら、第2スクリュー内部、マンドレル及び安定棒シャフトの内部に延在してなる8mmφの気体流路から圧搾空気を吹込んで、パリソンをアウターダイ内径53mmφの8.9倍に膨らませて、折り幅710mm、厚み10μmからなる高分子量ポリエチレン製インフレーションフィルムを作成した。本フィルムを実験番号5とした。
さらに、本フィルムを岩本製作所製バッチ式二軸延伸機にて、延伸温度146℃、TD方向に延伸倍率1.75倍、延伸速度1m/minで延伸し、延伸後148℃でヒートセットを3分間実施した。延伸後のフィルムを実験番号6とした。表2に結果を示す。

Figure 2006185629

<Preparation of ultra high molecular weight polyethylene film>
Ultra high molecular weight polyethylene [η]: 5.7 dl / g, bulk density: 0.45 g / cm 3 powder resin, extruder, joint part (J), die base part (D1) and die tip part (D2) Were set to 197 ° C., 191 ° C., 190 ° C. and 175 ° C., the first screw rotation speed was set to 21 rpm, the second screw rotation speed was set to 1.8 rpm, and a pinch roll at a speed of 8.7 m / min. While pulling, compressed air is blown from the 8 mmφ gas flow path extending inside the second screw, the mandrel and the stabilizer rod shaft, and the parison is expanded to 8.9 times the inner die inner diameter of 53 mmφ and folded. A high molecular weight polyethylene inflation film having a width of 710 mm and a thickness of 10 μm was prepared. This film was designated as experiment number 5.
Further, this film was stretched by a batch type biaxial stretching machine manufactured by Iwamoto Seisakusho at a stretching temperature of 146 ° C., a stretching ratio of 1.75 times in the TD direction, and a stretching speed of 1 m / min. Conducted for a minute. The film after stretching was designated as experiment number 6. Table 2 shows the results.

Figure 2006185629

[比較例1]
<超高分子量ポリエチレン多孔フィルムの作製>
実施例2の製造装置を使用し、ピンチロールで6.3m/minの速度で引取る以外は、実施例2と同様な方法で、折り幅710mm、厚み15μmからなる高分子量ポリエチレン製インフレーションフィルムを作成した。本フィルムを用いて、以下のようにして多孔化処理を行った。一対のステンレス製金枠にインフレーションフィルムを挟み、ネジで上下の金枠に固定することにより、フィルムの四方を固定した。この状態で、120.5℃に加熱したパラフィンオイル(Witco社製Lytol)に2分間浸漬した。つづいて、パラフィンオイル中から取り出した金枠に固定したフィルムをその状態で貧溶媒であるHFE7200(3M社製)中に投入し、60℃で5分間浸漬した。これを取り出して室温(23℃)で風乾した後、フィルムを金枠からはずし、延伸用試料とした。さらに、本フィルムを岩本製作所製バッチ式二軸延伸機にて、延伸温度120℃、TD方向に延伸倍率1.85倍、延伸速度1m/minで延伸し、延伸後125℃でヒートセットを3分間実施した。得られたフィルムは、膜厚25μ、空孔率75%、透気度30sec/100ml(JIS P8117)、平均孔径0.11μm(ASTM F316)であった。延伸後の超高分子量ポリエチレン多孔フィルムを実験番号7とした。結果を表3に示す。


Figure 2006185629



[Comparative Example 1]
<Preparation of ultrahigh molecular weight polyethylene porous film>
A high-molecular-weight polyethylene blown film having a folding width of 710 mm and a thickness of 15 μm was produced in the same manner as in Example 2 except that the production apparatus of Example 2 was used and the sheet was drawn with a pinch roll at a speed of 6.3 m / min. Created. Using this film, a porous treatment was performed as follows. The inflation film was sandwiched between a pair of stainless steel metal frames, and fixed to the upper and lower metal frames with screws, thereby fixing the four sides of the film. In this state, it was immersed for 2 minutes in paraffin oil (Lyto manufactured by Witco) heated to 120.5 ° C. Subsequently, the film fixed to the metal frame taken out from the paraffin oil was put into a poor solvent HFE7200 (manufactured by 3M) in that state, and immersed at 60 ° C. for 5 minutes. This was taken out and air-dried at room temperature (23 ° C.), and then the film was removed from the metal frame to obtain a sample for stretching. Further, this film was stretched by a batch type biaxial stretching machine manufactured by Iwamoto Seisakusho at a stretching temperature of 120 ° C., a stretching ratio of 1.85 times in the TD direction, and a stretching speed of 1 m / min. Conducted for a minute. The obtained film had a film thickness of 25 μ, a porosity of 75%, an air permeability of 30 sec / 100 ml (JIS P8117), and an average pore diameter of 0.11 μm (ASTM F316). The ultra-high molecular weight polyethylene porous film after stretching was designated as experiment number 7. The results are shown in Table 3.


Figure 2006185629



実施例で得られたフィルムの二酸化炭素透過量は、いずれも十分に大きいため、たとえば面積約0.01cm〜0.2mの(面積は出力・セルサイズにより適宜選択される)気液分離膜を備えた燃料電池であれば、使用機器等により設定される各出力の燃料電池を運転時発生する二酸化炭素を外部に放出するのに十分である。従って、燃料電池を長時間にわたり連続運転した際にも、二酸化炭素の蓄積による内圧の異常上昇や、それに伴う電池の性能低下、燃料の漏出等を有効に抑制することができる。また、実施例で得られたフィルムのメタノールの透過度は、いずれも十分に低く、燃料電池の内圧がある程度上昇した場合においても、燃料等の漏出を有効に抑制することができる。 Since the carbon dioxide permeation amounts of the films obtained in the examples are sufficiently large, for example, an area of about 0.01 cm 2 to 0.2 m 2 (the area is appropriately selected depending on the output and cell size). A fuel cell provided with a membrane is sufficient to release carbon dioxide generated during operation of the fuel cell of each output set by the device used. Therefore, even when the fuel cell is continuously operated for a long time, it is possible to effectively suppress an abnormal increase in internal pressure due to the accumulation of carbon dioxide, a decrease in battery performance associated therewith, fuel leakage, and the like. Further, the methanol permeability of the films obtained in the examples is sufficiently low, and even when the internal pressure of the fuel cell rises to some extent, leakage of fuel and the like can be effectively suppressed.

一方、比較例で得られた多孔質フィルムのメタノールの透過度は、本発明の目的との関係からは高すぎる。このため、比較例で得られた多孔質フィルムを燃料電池に使用した場合、燃料等が漏出する。この様な燃料電池は、長時間の連続運転が困難であり、また、周辺の精密機器、精密部品にダメージを与えるおそれがある。
On the other hand, the methanol permeability of the porous film obtained in the comparative example is too high for the purpose of the present invention. For this reason, when the porous film obtained by the comparative example is used for a fuel cell, fuel etc. leak. Such a fuel cell is difficult to operate continuously for a long time, and may damage peripheral precision equipment and precision parts.

本発明の気液分離膜を有する燃料電池の構造を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the structure of the fuel cell which has a gas-liquid separation membrane of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池単セル
2 筐体
3 高分子電解質膜
4 アノード(燃料極)側Pt/Ru触媒層
5 カソード(空気極)側Pt触媒層
6 アノード(燃料極)
7 カソード(空気極)
8 アノード(燃料極)側外部端子
9 カソード(空気極)側外部端子
10 燃料室
11 空気室
12 気液分離膜
13 筐体開口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell single cell 2 Case 3 Polymer electrolyte membrane 4 Anode (fuel electrode) side Pt / Ru catalyst layer 5 Cathode (air electrode) side Pt catalyst layer 6 Anode (fuel electrode)
7 Cathode (Air electrode)
8 Anode (fuel electrode) side external terminal 9 Cathode (air electrode) side external terminal 10 Fuel chamber 11 Air chamber 12 Gas-liquid separation membrane 13 Housing opening

Claims (8)

差圧法ガス透過試験により測定した50℃における二酸化炭素の透過量が10,000cm/m・24hr・atm以上であり、カップ法により測定した50℃におけるメタノールの透過度が25,000g/m・24hr以下である、燃料電池用気液分離膜。 The permeation amount of carbon dioxide at 50 ° C. measured by a differential pressure method gas permeation test is 10,000 cm 3 / m 2 · 24 hr · atm or more, and the methanol permeability at 50 ° C. measured by the cup method is 25,000 g / m. A gas-liquid separation membrane for fuel cells, which is 2 · 24 hr or less. 超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体からなる、請求項1に記載の燃料電池用気液分離膜。 The gas-liquid separation membrane for fuel cells according to claim 1, comprising an ultrahigh molecular weight polyolefin and / or a 4-methyl-1-pentene (co) polymer. 超高分子量ポリオレフィン、および/または4−メチル−1−ペンテン(共)重合体からなる、燃料電池用気液分離膜。
A gas-liquid separation membrane for a fuel cell, comprising an ultrahigh molecular weight polyolefin and / or a 4-methyl-1-pentene (co) polymer.
厚みが、1μm〜100μmである、請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池用気液分離膜。 The gas-liquid separation membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness is 1 µm to 100 µm. 請求項1から4のいずれか1項に記載の気液分離膜を備えた、燃料電池。 A fuel cell comprising the gas-liquid separation membrane according to any one of claims 1 to 4. 上記燃料電池において、上記気液分離膜よりも外側に有孔支持体を積層した、請求項5記載の燃料電池。 6. The fuel cell according to claim 5, wherein a porous support is laminated outside the gas-liquid separation membrane. メタノールを燃料に用いる、請求項5または6に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 5 or 6, wherein methanol is used as a fuel. 請求項5から7のいずれか1項に記載の燃料電池を使用する、携帯用電子機器 A portable electronic device using the fuel cell according to any one of claims 5 to 7.
JP2004374905A 2004-12-24 2004-12-24 Gas-liquid separation membrane for fuel cell, and fuel cell using it Pending JP2006185629A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004374905A JP2006185629A (en) 2004-12-24 2004-12-24 Gas-liquid separation membrane for fuel cell, and fuel cell using it

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004374905A JP2006185629A (en) 2004-12-24 2004-12-24 Gas-liquid separation membrane for fuel cell, and fuel cell using it

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006185629A true JP2006185629A (en) 2006-07-13

Family

ID=36738599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004374905A Pending JP2006185629A (en) 2004-12-24 2004-12-24 Gas-liquid separation membrane for fuel cell, and fuel cell using it

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006185629A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008072363A1 (en) * 2006-12-11 2008-06-19 Nec Corporation Solid polymer fuel cell
JP2009193731A (en) * 2008-02-12 2009-08-27 Nitto Denko Corp Water recovery membrane for fuel cell and fuel cell
US7758990B2 (en) 2007-10-30 2010-07-20 Samsung Sdi Co., Ltd. Fluid recycling apparatus and fuel cell system using the same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008072363A1 (en) * 2006-12-11 2008-06-19 Nec Corporation Solid polymer fuel cell
US8148025B2 (en) 2006-12-11 2012-04-03 Nec Corporation Solid polymer fuel cell
US7758990B2 (en) 2007-10-30 2010-07-20 Samsung Sdi Co., Ltd. Fluid recycling apparatus and fuel cell system using the same
JP2009193731A (en) * 2008-02-12 2009-08-27 Nitto Denko Corp Water recovery membrane for fuel cell and fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10550486B2 (en) Electrochemical hydrogen pump
CN1243607A (en) Surface Replica Fuel Cells for Micro Fuel Cell Power Packs
US20070134545A1 (en) Membrane electrode assembly for fuel cells and fabrication method thereof
JP2012209268A (en) Method for producing gas diffusion electrode and polymer electrolyte fuel cell, and gas diffusion electrode and polymer electrolyte fuel cell
JP2007005294A (en) Gas-liquid separator
US20020155341A1 (en) Self-managing electrochemical fuel cell and fuel cell anode
CN100438158C (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including same
KR100751365B1 (en) Gas-liquid Separator for Direct Liquid Fuel Cell
JP2006185629A (en) Gas-liquid separation membrane for fuel cell, and fuel cell using it
JP4751383B2 (en) Fuel cell
AU2023226663B2 (en) Membrane electrode assembly, laminating method, electrochemical cell, stack, and electrolyzer
CN101361216A (en) solid polymer fuel cell
WO2008023634A1 (en) Fuel cell
CN1719650A (en) The fuel cell
JP2024066054A (en) Water Electrolysis System
CN101047256A (en) Fuel cell and equipment with the same
JP5071378B2 (en) Fuel cell
JP2010097867A (en) Fuel cell and electronic device
JP4828864B2 (en) Gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cell, membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell, production method thereof, and polymer electrolyte fuel cell
CN101237052B (en) CO2 Separators for Direct Methanol Fuel Cell Systems
JP4945914B2 (en) Fuel cell
JP2005285496A (en) MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL HAVING THE SAME
WO2010035868A1 (en) Fuel cell
BRPI0620260A2 (en) fuel cell fuel cartridge
KR20060096610A (en) Membrane / electrode assembly for fuel cell, and stack and fuel cell system for fuel cell comprising same