JP2014044875A - Polymer electrolyte, membrane electrode assembly using the same, fuel cell, and method for producing polymer electrolyte - Google Patents
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Abstract
【課題】固体高分子形燃料電池に用いることができ、低湿度において優れたプロトン伝導性を示す高分子電解質膜を提供する。
【解決手段】プロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を主成分として形成された架橋高分子電解質に対して、架橋部位をスルホン化することにより、高分子電解質膜を得た。
【選択図】 図1The present invention provides a polymer electrolyte membrane that can be used in a polymer electrolyte fuel cell and exhibits excellent proton conductivity at low humidity.
A cross-linked site is formed on a cross-linked polymer electrolyte formed mainly of a cross-linked polymer obtained by cross-linking a proton conducting polymer and a cross-linking agent via a portion other than a proton acid group. A polymer electrolyte membrane was obtained by sulfonation.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池用の高分子電解質、それを用いた膜電極接合体、燃料電池および高分子電解質の製造方法に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte, a fuel cell, and a method for producing the polymer electrolyte.
近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を、酸素などの酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類される。固体高分子形燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。
In recent years, fuel cells have attracted attention as effective solutions for environmental problems and energy problems. A fuel cell is a system that oxidizes a fuel such as hydrogen using an oxidant such as oxygen and converts chemical energy associated therewith into electrical energy.
Fuel cells are classified into alkaline, phosphoric acid, solid polymer, molten carbonate, solid oxide, etc., depending on the type of electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is operated at low temperature, has high output density, and can be reduced in size and weight. ing.
PEFCの電解質としては、実用的な安定性を有するナフィオン(Nafion,デュポン社の登録商標)に代表されるパーフルオロ系電解質が用いられている。しかし、これらの電解質は高いプロトン伝導性を示すが、コストが高いという問題がある。
上記問題を解決するために、安価な炭化水素系電解質の検討されている。例えば、特許文献1および2では、スルホン化エンジニアリングプラスチックが報告されている。しかし、これら炭化水素系の電解質は高湿度条件では高いプロトン伝導性を示すが、低湿度条件ではプロトン伝導性が低下する。
As an electrolyte of PEFC, a perfluoro electrolyte represented by Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont) having practical stability is used. However, these electrolytes exhibit high proton conductivity but have a problem of high cost.
In order to solve the above problems, inexpensive hydrocarbon electrolytes have been studied. For example,
低湿度条件でも高いプロトン伝導性を示す方法として、プロトン酸基の濃度を増加させることが試みられている。しかしながら、プロトン酸基の濃度を増加させると膜の耐水性が低下し、実用化に耐えられる機械的強度を得られなくなるという問題がある。
一方、炭化水素系電解質膜の耐久性、耐水性、機械強度の向上のために、電解質を架橋する方法が提案されている(例えば、特許文献3)。しかしながら、この架橋電解質は、架橋反応がプロトン伝導性高分子に結合しているプロトン酸基を介して進行するため、架橋密度を向上させると、架橋電解質の水素イオン交換容量が低下する。このために、プロトン伝導度がもとの電解質より低下してしまうという問題点がある。
As a method of exhibiting high proton conductivity even under low humidity conditions, attempts have been made to increase the concentration of proton acid groups. However, when the concentration of the proton acid group is increased, there is a problem that the water resistance of the membrane is lowered, and the mechanical strength that can withstand practical use cannot be obtained.
On the other hand, in order to improve the durability, water resistance and mechanical strength of the hydrocarbon electrolyte membrane, a method of crosslinking the electrolyte has been proposed (for example, Patent Document 3). However, in this crosslinked electrolyte, since the crosslinking reaction proceeds via a protonic acid group bonded to the proton conducting polymer, the hydrogen ion exchange capacity of the crosslinked electrolyte decreases when the crosslinking density is improved. For this reason, there exists a problem that proton conductivity will fall rather than the original electrolyte.
また、上記のような水素イオン交換容量の低下を抑制するため、プロトン酸基を介さずに架橋する方法も知られている(例えば、特許文献4)。しかしながら、この方法でも全体の水素イオン交換容量が低下するため、低湿度条件でのプロトン伝導性が低いという問題点がある。 Moreover, in order to suppress the reduction | decrease of the above hydrogen ion exchange capacities, the method of bridge | crosslinking not via a proton acid group is also known (for example, patent document 4). However, this method also has a problem that the proton conductivity under low humidity conditions is low because the entire hydrogen ion exchange capacity is lowered.
上述のように、高いプロトン伝導性を維持する方法として数々の方法が提案されているが、いずれの方法も十分ではなく、低湿度条件でプロトン電導性のよりよい電解質を容易に得ることの可能な方法が望まれていた。
本発明は、低湿度条件におけるプロトン伝導性の優れた高分子電解質、それを用いた膜電極接合体、燃料電池および高分子電解質の製造方法を提供することを目的としている。
As described above, a number of methods have been proposed as methods for maintaining high proton conductivity, but none of these methods is sufficient, and it is possible to easily obtain an electrolyte with better proton conductivity under low humidity conditions. A new method was desired.
An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte excellent in proton conductivity under low humidity conditions, a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte, a fuel cell, and a method for producing the polymer electrolyte.
上記課題を解決するために、本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、架橋高分子の架橋部位をスルホン化することで、低湿度におけるプロトン伝導性が優れた電解質を低コストで容易に提供できるという知見を得て、本発明を成すに至った。
本発明の一態様は、プロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を主成分として形成された架橋高分子電解質の架橋部位がスルホン化されてなることを特徴とする高分子電解質である。
上記態様の高分子電解質のプロトン交換容量は4.0ミリ当量/g以上8.0以下ミリ当量/gであってよい。
In order to solve the above problems, the present inventors have made extensive studies, and as a result, by sulfonated the cross-linked site of the cross-linked polymer, an electrolyte having excellent proton conductivity at low humidity can be easily produced at low cost. The knowledge that it can be provided has been obtained, and the present invention has been achieved.
In one embodiment of the present invention, there is provided a cross-linked site of a cross-linked polymer electrolyte formed mainly of a cross-linked polymer obtained by a cross-linking reaction between a proton conductive polymer and a cross-linking agent via a portion other than a proton acid group. A polymer electrolyte characterized by being sulfonated.
The proton exchange capacity of the polymer electrolyte of the above embodiment may be 4.0 meq / g or more and 8.0 meq / g or less.
本発明の他の態様は、電解質膜を備えた膜電極接合体であって、上記態様に記載の高分子電解質を前記電解質膜として用いることを特徴とする膜電極接合体である。
本発明の他の態様は、電解質膜を備えた燃料電池であって、上記態様に記載の高分子電解質を前記電解質膜として用いることを特徴とする燃料電池である。
本発明の他の態様は、プロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて架橋高分子を形成する工程と、前記架橋高分子の架橋部位をスルホン化する工程と、前記架橋高分子を主成分として高分子電解質を形成する工程と、をこの順に備えることを特徴とする高分子電解質の製造方法である。
Another aspect of the present invention is a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte according to the above aspect is used as the electrolyte membrane.
Another aspect of the present invention is a fuel cell including an electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte described in the above aspect is used as the electrolyte membrane.
Another aspect of the present invention includes a step of cross-linking a proton conductive polymer and a cross-linking agent through a portion other than a proton acid group to form a cross-linked polymer, and sulfonating a cross-linked site of the cross-linked polymer. And a step of forming a polymer electrolyte containing the cross-linked polymer as a main component in this order.
本発明によれば、プロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を主成分として形成された架橋高分子電解質の架橋部位を、スルホン化して高分子電解質を得るようにしたため、低湿度において優れたプロトン伝導性を有する高分子電解質を低コストで得ることができるという顕著な効果を奏する。 According to the present invention, a cross-linked site of a cross-linked polymer electrolyte formed mainly of a cross-linked polymer obtained by a cross-linking reaction between a proton conductive polymer and a cross-linking agent via a moiety other than a proton acid group, Since the polymer electrolyte is obtained by sulfonation, the polymer electrolyte having excellent proton conductivity at low humidity can be obtained at a low cost.
また、高分子電解質のプロトン交換容量は4.0ミリ当量/g以上8.0以下ミリ当量/gであるため、高いプロトン伝導性を示し、燃料電池を構成する電解質として適用した場合には、燃料電池の内部抵抗を低下させて高い出力密度を得ることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
また、このような高分子電解質を、燃料電池を構成する膜電極接合体に適用した場合には、燃料電池の内部抵抗を低下させて高い出力密度を得ることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
また、このような高分子電解質を、燃料電池の電解質膜として用いることによって、燃料電池の内部抵抗を低下させて高い出力密度を得ることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
Moreover, since the proton exchange capacity of the polymer electrolyte is 4.0 milliequivalent / g or more and 8.0 or less milliequivalent / g, it exhibits high proton conductivity, and when applied as an electrolyte constituting a fuel cell, There is a further remarkable effect that a high output density can be obtained by reducing the internal resistance of the fuel cell.
Further, when such a polymer electrolyte is applied to a membrane electrode assembly constituting a fuel cell, there is a further remarkable effect that a high output density can be obtained by reducing the internal resistance of the fuel cell. .
Further, by using such a polymer electrolyte as an electrolyte membrane of a fuel cell, there is a further remarkable effect that the internal resistance of the fuel cell can be reduced and a high output density can be obtained.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、固体高分子型燃料電池の高分子電解質に関するものであり、プロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して化学結合されて得られる架橋高分子を主成分として形成された架橋高分子電解質において、架橋部位をスルホン化して、高分子電解質を得るようにしたものである。
プロトン伝導性高分子としては、耐熱性などの観点から芳香族系ポリマーが好ましく、具体的にはポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、またはポリフェニレンなどが好ましい。
前記プロトン伝導性高分子におけるプロトン酸基の種類は特に制限はないが、スルホン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基などを用いることができ、中でも、解離定数、水への安定性などを考慮するとスルホン酸基が好ましい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present invention relates to a polymer electrolyte for a solid polymer fuel cell, and mainly comprises a crosslinked polymer obtained by chemically bonding a proton conductive polymer and a crosslinking agent via a moiety other than a protonic acid group. In the crosslinked polymer electrolyte formed as above, the crosslinked site is sulfonated to obtain a polymer electrolyte.
The proton conductive polymer is preferably an aromatic polymer from the viewpoint of heat resistance, and specifically, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether sulfone, or polyphenylene is preferable.
The type of protonic acid group in the proton conductive polymer is not particularly limited, but sulfonic acid group, phosphonic acid group, hydroxyl group, carboxyl group, etc. can be used, among others, dissociation constant, stability to water, etc. In view of this, a sulfonic acid group is preferable.
本発明で使用する架橋剤は、プロトン伝導性高分子のプロトン酸基を介さずにプロトン酸基以外の部分で反応を進行させることができ、反応前後においてプロトン伝導性材料のプロトン伝導性に変化を及ぼさない架橋剤であり、かつ分子内にスルホン基を後から導入可能な構造を有していればよい。中でも、芳香環に−CH2OHで示されるメチロール基が結合した構造を有する架橋剤は、加熱により容易にプロトン伝導性材料と反応が進行し化学結合するため、好ましい。 The cross-linking agent used in the present invention allows the reaction to proceed at a portion other than the proton acid group without going through the proton acid group of the proton conductive polymer, and changes to the proton conductivity of the proton conductive material before and after the reaction. As long as it has a structure in which a sulfone group can be introduced later in the molecule. Among these, a crosslinking agent having a structure in which a methylol group represented by —CH 2 OH is bonded to an aromatic ring is preferable because the reaction easily proceeds with the proton conductive material by heating and chemically bonds.
メチロール基を有する架橋剤としては、メチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物が好ましい。すなわち、メチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物は、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基を介さずに反応が進行するため、反応によってプロトン伝導性が損なわれず、かつ加熱により容易に反応が進行するので、本発明における架橋剤として好ましい。 As the crosslinking agent having a methylol group, a compound having at least two aromatic rings having a methylol group in the molecule is preferable. That is, a compound having at least two aromatic rings having a methylol group in the molecule undergoes a reaction without passing through a protonic acid group contained in the proton-conducting polymer, so that the proton conductivity is not impaired by the reaction, Moreover, since the reaction easily proceeds by heating, it is preferable as a crosslinking agent in the present invention.
芳香環としては、ベンゼン環を基本骨格としたものが好ましい。具体的には、ベンゼン環、ナフタレン環、アンスラセン環などが挙げられる。また、ビフェニルやターフェニルなど、ベンゼン環が複数結合したものであっても構わない。
架橋方法としては、光照射法、加熱法、pH調整法などを用いることができるが、本発明で用いるプロトン伝導性高分子の溶液は酸性であるため、酸性下で反応するpH調整法が好ましい。
As the aromatic ring, those having a benzene ring as a basic skeleton are preferable. Specific examples include a benzene ring, a naphthalene ring, and an anthracene ring. In addition, a benzene ring having a plurality of bonds such as biphenyl and terphenyl may be used.
As a crosslinking method, a light irradiation method, a heating method, a pH adjustment method, or the like can be used. However, since the solution of the proton conductive polymer used in the present invention is acidic, a pH adjustment method that reacts under acidic conditions is preferable. .
スルホン化に用いるスルホン化剤には、濃硫酸、発煙硫酸、クロロスルホン酸などを用いることができる。架橋電解質と、これらの試薬をそのまま、または溶媒などで希釈したものを反応させることでスルホン化を行う。
スルホン化における反応温度は、室温が好ましい、場合によっては加熱しても構わない。
As a sulfonating agent used for sulfonation, concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid and the like can be used. Sulfonation is carried out by reacting the crosslinked electrolyte with these reagents as they are or diluted with a solvent or the like.
The reaction temperature in the sulfonation is preferably room temperature, and in some cases, it may be heated.
スルホン化における反応時間は1時間以上48時間未満が好ましい。1時間未満だとスルホン化が不十分であるおそれがあり、また48時間以上だと電解質の分解が起こるおそれがある。
スルホン化した架橋高分子のプロトン交換容量は、4.0ミリ当量/g以上8.0ミリ当量/g以下であることが好ましい。プロトン交換容量が4.0ミリ当量/g未満だと、低湿度において十分なプロトン伝導性が出ないおそれがあり、また8.0ミリ当量/g以上だと、電解質膜の耐水性、耐久性が損なわれるおそれがある。
The reaction time in sulfonation is preferably 1 hour or more and less than 48 hours. If it is less than 1 hour, sulfonation may be insufficient, and if it is more than 48 hours, decomposition of the electrolyte may occur.
The proton exchange capacity of the sulfonated crosslinked polymer is preferably 4.0 meq / g or more and 8.0 meq / g or less. If the proton exchange capacity is less than 4.0 milliequivalent / g, sufficient proton conductivity may not be obtained at low humidity. If the proton exchange capacity is 8.0 milliequivalent / g or more, the water resistance and durability of the electrolyte membrane may be insufficient. May be damaged.
スルホン化した架橋高分子は、機械的強度・耐水性の向上のために、他の高分子と組み合わせて使用することができる。具体的には、芳香族ポリエーテル、芳香族ポリエーテルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエーテルスルホン、芳香族ポリスルホン、芳香族ポリエーテルニトリル、芳香族ポリエーテルピリジン、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリアゾール、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネートなどを挙げることができる。これらの高分子はスルホン化されていても良く、スルホン化されていなくても良い。 The sulfonated crosslinked polymer can be used in combination with other polymers in order to improve mechanical strength and water resistance. Specifically, aromatic polyether, aromatic polyether ketone, aromatic polyether ether ketone, aromatic polyether sulfone, aromatic polysulfone, aromatic polyether nitrile, aromatic polyether pyridine, aromatic polyimide, aromatic An aromatic polyamide, an aromatic polyamideimide, an aromatic polyazole, an aromatic polyester, an aromatic polycarbonate and the like can be mentioned. These polymers may be sulfonated or not sulfonated.
次に、本発明を適用した、膜電極接合体(Membrane and Electrode Assembly;MEA)について説明する。
図1は、本発明による高分子電解質を用いた膜電極接合体の一実施態様を示す断面図である。本発明の膜電極接合体は図1に示したような積層構造からなる。
すなわち、膜電極接合体12は、上述のようにして製造した本発明における高分子電解質1の両面に、常法により、空気極側電極触媒層2および燃料極側触媒層3が接合および積層されてなる。電極触媒層2、3は、それぞれ導電剤としてのカーボンブラック粒子に反応触媒、前記プロトン伝導性高分子または前記プロトン伝導性高分子と架橋剤とを反応させて前記プロトン伝導性高分子のプロトン酸基以外の部分を介して化学結合して得られる高分子電解質から構成されている。
Next, a membrane electrode assembly (MEA) to which the present invention is applied will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a membrane electrode assembly using a polymer electrolyte according to the present invention. The membrane electrode assembly of the present invention has a laminated structure as shown in FIG.
That is, the
本発明で用いる反応触媒としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、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、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。また、これらの触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、0.5nm以上20nm以下が好ましい。更に好ましくは、1nm以上5nm以下が好ましい。 The reaction catalyst used in the present invention includes platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and the like. A metal or an alloy thereof, or an oxide or a double oxide can be used. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of these catalysts is too large, and stability of a catalyst will fall when too small, 0.5 nm or more and 20 nm or less are preferable. More preferably, it is 1 nm or more and 5 nm or less.
これらの反応触媒を担持するために、本発明で使用する電子伝導性の導電剤は、一般的に、カーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、10nm以上1000nm以下程度が好ましい。さらに好ましくは、10nm以上100nm以下が好ましい。 In order to support these reaction catalysts, carbon particles are generally used as the electron conductive conductive agent used in the present invention. Any carbon particles can be used as long as they are in the form of fine particles, have conductivity and are not affected by the catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene are used. it can. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer decreases or the utilization factor of the catalyst decreases. The degree is preferred. More preferably, it is 10 nm or more and 100 nm or less.
図2は、この膜電極接合体12を装着した固体高分子型燃料電池の単セル11の一実施態様の構成を示す分解断面図である。
膜電極接合体12の空気極側電極触媒層2および燃料極側電極触媒層3と対向して、それぞれカーボンペーパーにカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の混合物を塗布した構造を持つ空気極側ガス拡散層4および燃料極側ガス拡散層5が配置されている。
FIG. 2 is an exploded cross-sectional view showing the configuration of an embodiment of the
An air electrode having a structure in which a mixture of carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) is applied to carbon paper facing the air electrode side
これにより、空気極側電極触媒層2と空気極側ガス拡散層4とにより空気極6が構成され、燃料極側電極触媒層3と燃料極側ガス拡散層5とにより燃料極7が構成される。そして、空気極側ガス拡散層4および燃料極側ガス拡散層5に面して、一組のセパレータ10によりこれら各層を挟持することにより単セル11が形成される。セパレータ10は、反応ガス流通用のガス流路8を有しかつ相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えており、導電性であり且つガス不透過性の材料より構成される。
そして、空気や酸素などの酸化剤を空気極6に供給し、水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料を燃料極7に供給することによって、発電するようになっている。
As a result, the
Electric power is generated by supplying an oxidant such as air or oxygen to the
本発明の膜電極接合体(MEA)の製造方法についてさらに説明する。
燃料ガスを電極触媒層2、3中に均一に供給するための前記導電性多孔質体などからなるガス拡散層4、5上に、反応触媒、前記導電剤およびプロトン酸基を有するプロトン伝導性高分子からなるインキを塗布し、その後、乾燥させることにより電極触媒層2、3を積層する。その後、この電極触媒層2、3により高分子電解質膜(プロトン伝導性架橋高分子電解質膜)1を挟持し、熱圧着により接合して膜電極接合体(MEA)12を製造する方法を用いることができる。ガス拡散層4、5上に電極触媒層2、3を形成するインキの塗布方法は、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スプレー法などを用いることができる。
また、膜電極接合体(MEA)12の製造方法としては、高分子電解質膜(プロトン伝導性架橋高分子電解質膜)1の両面に電極触媒層2、3を転写やスプレー噴霧により作製し、その後、ガス拡散層4、5で挟持する方法を用いても良い。
The manufacturing method of the membrane electrode assembly (MEA) of the present invention will be further described.
Proton conductivity having a reaction catalyst, the conductive agent and a proton acid group on the gas diffusion layers 4 and 5 made of the conductive porous body for uniformly supplying the fuel gas into the electrode catalyst layers 2 and 3 The electrode catalyst layers 2 and 3 are laminated | stacked by apply | coating the ink which consists of polymers, and making it dry after that. Thereafter, a method of manufacturing a membrane electrode assembly (MEA) 12 by sandwiching a polymer electrolyte membrane (proton conductive crosslinked polymer electrolyte membrane) 1 between the electrode catalyst layers 2 and 3 and joining them by thermocompression bonding is used. Can do. As a method for applying the ink for forming the electrode catalyst layers 2 and 3 on the gas diffusion layers 4 and 5, a doctor blade method, a screen printing method, a spray method, or the like can be used.
The membrane electrode assembly (MEA) 12 can be produced by producing electrode catalyst layers 2 and 3 on both surfaces of a polymer electrolyte membrane (proton conductive cross-linked polymer electrolyte membrane) 1 by transfer or spray spraying. Alternatively, a method of sandwiching between the gas diffusion layers 4 and 5 may be used.
以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明の範囲がこれらの例により限定されるものではない。
なお、この実施例において、プロトン交換容量、プロトン伝導度は以下のようにして求めた。
(プロトン交換容量の測定)
架橋電解質膜を2mol/Lの塩化ナトリウム水溶液中で1晩撹拌し、濾液を0.1mol/Lの水酸化ナトリウム溶液で滴定を行い、中和点からプロトン交換容量を算出した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, the scope of the present invention is not limited by these examples.
In this example, the proton exchange capacity and proton conductivity were determined as follows.
(Measurement of proton exchange capacity)
The crosslinked electrolyte membrane was stirred overnight in a 2 mol / L sodium chloride aqueous solution, the filtrate was titrated with a 0.1 mol / L sodium hydroxide solution, and the proton exchange capacity was calculated from the neutralization point.
(プロトン伝導度の測定)
交流抵抗は、短冊状の高分子電解質膜の表面に、白金線(φ=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち80℃において、所定の湿度環境下(相対湿度30%以上90%以下)で交流におけるインピーダンスを測定した。白金線は、5mm間隔に4本押し当てて、線間距離を5mm以上15mm以下の範囲で変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の値から膜抵抗を算出し、この値から、プロトン伝導度を算出した。
(Measurement of proton conductivity)
The AC resistance was obtained from the measurement of AC impedance between platinum wires by pressing a platinum wire (φ = 0.5 mm) against the surface of the strip-shaped polymer electrolyte membrane and holding the sample in a constant temperature and humidity device. That is, the impedance at alternating current was measured at 80 ° C. under a predetermined humidity environment (relative humidity of 30% to 90%). Four platinum wires were pressed against each other at intervals of 5 mm, and the distance between the wires was changed in the range of 5 mm to 15 mm, and the AC resistance was measured. Membrane resistance was calculated from the distance between lines and the resistance value, and proton conductivity was calculated from this value.
(実施例1)
まず、スルホン化されたポリエーテルエーテルケトン(商品名:450PF、ビクトレックス社製、以下、スルホン化PEEKと称す)1gと、架橋剤のp−キシリレングリコール0.15gとをγ−ブチロラクトン中で混合させた。
次に、作製した溶液をポリイミド基材上にキャスト法により成膜し、溶媒を乾燥させた後、得られた膜を加熱プレスすることにより、架橋反応を進行させて架橋電解質膜を得た。熱プレスの条件は、プレス温度120℃、プレス時間1時間、プレス圧力60kgf/cm2とした。得られた架橋電解質膜のプロトン交換容量は2.3ミリ当量/gであった。
続いて、架橋電解質膜を発煙硫酸中で30分間浸漬させ、スルホン化を行った。反応後、膜を超純水で洗浄したのち、乾燥した。そして、膜のプロトン交換容量とプロトン伝導度の測定を行った。
Example 1
First, 1 g of sulfonated polyetheretherketone (trade name: 450PF, manufactured by Victrex, hereinafter referred to as sulfonated PEEK) and 0.15 g of p-xylylene glycol as a crosslinking agent in γ-butyrolactone. Mixed.
Next, the prepared solution was formed into a film on a polyimide substrate by a casting method, and the solvent was dried. Then, the obtained film was heated and pressed to advance a crosslinking reaction, thereby obtaining a crosslinked electrolyte film. The hot pressing conditions were a press temperature of 120 ° C., a press time of 1 hour, and a press pressure of 60 kgf /
Subsequently, the crosslinked electrolyte membrane was immersed in fuming sulfuric acid for 30 minutes for sulfonation. After the reaction, the membrane was washed with ultrapure water and then dried. And the proton exchange capacity and proton conductivity of the membrane were measured.
(実施例2)
発煙硫酸との反応時間を30分間から24時間に変更した以外は、実施例1と同様の方法で膜を作製し、プロトン交換容量とプロトン伝導度の測定を行った。
(比較例1)
実施例1で作製した架橋電解質膜について、スルホン化前に、プロトン交換容量とプロトン伝導度の測定を行った。
実施例1、実施例2および比較例1それぞれのプロトン交換容量の測定結果は、それぞれ4.8ミリ当量/g、6.0ミリ当量/g、2.3ミリ当量/gであった。
(Example 2)
A membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the reaction time with fuming sulfuric acid was changed from 30 minutes to 24 hours, and the proton exchange capacity and proton conductivity were measured.
(Comparative Example 1)
The crosslinked electrolyte membrane prepared in Example 1 was measured for proton exchange capacity and proton conductivity before sulfonation.
The measurement results of the proton exchange capacities of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 were 4.8 meq / g, 6.0 meq / g, and 2.3 meq / g, respectively.
実施例1、実施例2および比較例1の、各架橋電解質膜について、各湿度におけるプロトン伝導度の推移を図3に示す。図3において、横軸は湿度〔%〕、縦軸はプロトン伝導度〔S/cm〕である。
図3から、架橋部位をスルホン化した実施例1および実施例2は、架橋部位をスルホン化していない比較例1と比べて前湿度領域において大きなプロトン伝導度の向上が見られることが確認できた。
FIG. 3 shows the transition of proton conductivity at each humidity for each of the crosslinked electrolyte membranes of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. In FIG. 3, the horizontal axis represents humidity [%], and the vertical axis represents proton conductivity [S / cm].
From FIG. 3, it was confirmed that Example 1 and Example 2 in which the crosslinking site was sulfonated showed a large improvement in proton conductivity in the pre-humidity region as compared with Comparative Example 1 in which the crosslinking site was not sulfonated. .
1 高分子電解質
2 空気極側電極触媒層
3 燃料極側電極触媒層
4 空気極側ガス拡散層
5 燃料極側ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレータ
11 単セル
12 膜電極接合体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記架橋高分子の架橋部位をスルホン化する工程と、
をこの順に備えることを特徴とする高分子電解質の製造方法。 A step of cross-linking the proton conductive polymer and the cross-linking agent through a portion other than the proton acid group to form a cross-linked polymer;
Sulfonating the cross-linked site of the cross-linked polymer;
In this order. A method for producing a polymer electrolyte.
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2012
- 2012-08-27 JP JP2012186834A patent/JP2014044875A/en active Pending
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