[go: up one dir, main page]

JP2016004658A - Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for producing electrolyte membrane - Google Patents

Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for producing electrolyte membrane Download PDF

Info

Publication number
JP2016004658A
JP2016004658A JP2014123560A JP2014123560A JP2016004658A JP 2016004658 A JP2016004658 A JP 2016004658A JP 2014123560 A JP2014123560 A JP 2014123560A JP 2014123560 A JP2014123560 A JP 2014123560A JP 2016004658 A JP2016004658 A JP 2016004658A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
membrane
electrolyte membrane
electrolyte
inorganic
electrode assembly
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
JP2014123560A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
鷲尾 方一
Masaichi Washio
方一 鷲尾
大島 明博
Akihiro Oshima
明博 大島
貴史 田倉
Takashi Takura
貴史 田倉
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.)
Waseda University
Xnet Corp
Original Assignee
Waseda University
Xnet Corp
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 Waseda University, Xnet Corp filed Critical Waseda University
Priority to JP2014123560A priority Critical patent/JP2016004658A/en
Publication of JP2016004658A publication Critical patent/JP2016004658A/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

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane which is excellent in gas barrier properties and durability while ensuring a high output, and to provide a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method of producing an electrolyte membrane.SOLUTION: An electrolyte membrane 5 has a membrane body 5a which contains an organic polymer material containing an ion-exchange group conducting protons electrically, and silica particles composed of silica, i.e., an inorganic compound, where an organic system and an inorganic system are hybridized, and the silica particles are dispersed entirely into the membrane body 5a. With such an arrangement, an electrolyte membrane excellent in gas barrier properties and durability while ensuring a high output, a membrane electrode assembly, and a fuel cell can be achieved.

Description

本発明は、電解質膜、膜電極接合体、燃料電池、および電解質膜の製造方法に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method for producing an electrolyte membrane.

燃料電池は、水素と酸素とを化学反応させて電気を発電する装置であり、エネルギー効率が高く、環境汚染物質をほとんど排出しないので、地球環境に配慮した新しい発電システムとして、さらなる普及が期待されている。燃料電池としては、燃料ガスが供給されるアノード電極と、酸化剤ガスが供給されるカソード電極と、これらアノード電極およびカソード電極間に設けられた高分子材料からなる電解質膜とを備えた燃料電池が開示されている(例えば、特許文献1)。この種の電解質膜には、プロトンを電導するイオン交換基が含まれており、当該プロトンをアノード電極からカソード電極へ電導し得るようになされている。   A fuel cell is a device that generates electricity by chemically reacting hydrogen and oxygen, has high energy efficiency, and emits almost no environmental pollutants. ing. A fuel cell includes an anode electrode to which a fuel gas is supplied, a cathode electrode to which an oxidant gas is supplied, and an electrolyte membrane made of a polymer material provided between the anode electrode and the cathode electrode. Is disclosed (for example, Patent Document 1). This type of electrolyte membrane includes an ion exchange group that conducts protons, and the protons can be conducted from the anode electrode to the cathode electrode.

特開2010−108886号公報JP 2010-108886 A

しかしながら、このような燃料電池では、高出力が望まれている他、導入される燃料ガスと酸化剤ガスとが混合しないように分離する働き(ガスバリア性)に優れ、電解質膜が劣化せずに連続運転を行えるように耐久性の向上をも望まれている。   However, in such a fuel cell, high output is desired, and the function of separating the introduced fuel gas and oxidant gas so as not to be mixed (gas barrier properties) is excellent, and the electrolyte membrane is not deteriorated. It is also desired to improve durability so that continuous operation can be performed.

そこで本発明は、高出力を得られ、ガスバリア性および耐久性にも優れた電解質膜、膜電極接合体、燃料電池、および電解質膜の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method for producing an electrolyte membrane that can obtain high output and are excellent in gas barrier properties and durability.

本発明の電解質膜は、燃料電池に用いられる電解質膜において、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料と、無機系化合物でなる粒子とを含み、有機系と無機系とをハイブリッド化させた膜本体を有し、前記膜本体の内部には前記粒子が分散されていることを特徴とする。   The electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane used in a fuel cell, which includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons and particles made of an inorganic compound, and is a hybrid of organic and inorganic materials. The film body is characterized in that the particles are dispersed inside the film body.

また、本発明の膜電極接合体は、燃料が供給されるアノード電極と、酸化剤が供給されるカソード電極とを備えており、前記アノード電極と前記カソード電極との間には、請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の電解質膜が設けられていることを特徴とする。   Moreover, the membrane electrode assembly of the present invention includes an anode electrode to which fuel is supplied and a cathode electrode to which an oxidant is supplied. Between the anode electrode and the cathode electrode, a membrane electrode assembly is provided. The electrolyte membrane of any one of -6 is provided, It is characterized by the above-mentioned.

また、本発明の燃料電池は、対をなすセパレータ間に、請求項7または8記載の膜電極接合体を備えたことを特徴とする。   A fuel cell according to the present invention is characterized in that the membrane electrode assembly according to claim 7 or 8 is provided between a pair of separators.

また、本発明の電解質膜の製造方法は、燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法において、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料が分散された有機系分散液と、無機系粒子形成剤とを混合させた混合溶液を作製する混合溶液作製工程と、ゾルゲル反応により前記混合溶液を膜状に硬化させることにより、無機系化合物でなる粒子が分散した膜本体を形成し、有機系と無機系とをハイブリッド化させた電解質膜を作製する膜作製工程とを備えることを特徴とする。   Further, the method for producing an electrolyte membrane of the present invention includes an organic dispersion in which an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons is dispersed in an electrolyte membrane used in a fuel cell, and an inorganic system. A mixed solution preparation step for preparing a mixed solution in which a particle forming agent is mixed, and a film body in which particles of an inorganic compound are dispersed are formed by curing the mixed solution into a film by a sol-gel reaction, and organic And a membrane production process for producing an electrolyte membrane in which a hybrid system and an inorganic system are hybridized.

また、本発明の電解質膜の製造方法は、燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法において、疎水性の有機系高分子材料で形成された膜本体の全部または一部に量子ビームを照射して親水性の領域を形成する量子ビーム照射工程と、前記膜本体にスチレンモノマーをグラフト重合するグラフト重合工程と、プロトンを電導するイオン交換基を導入する導入工程と、無機系粒子形成剤を含有した含浸液に前記膜本体を含浸させて、ゾルゲル反応により硬化させることにより、前記膜本体内に無機系化合物でなる粒子が分散し、有機系および無機系をハイブリッド化させた電解質膜を作製する膜作製工程とを備えることを特徴とする。   Further, the method for producing an electrolyte membrane of the present invention is a method for producing an electrolyte membrane used in a fuel cell, wherein a quantum beam is irradiated to all or a part of a membrane body formed of a hydrophobic organic polymer material. Contains a quantum beam irradiation step for forming a hydrophilic region, a graft polymerization step for graft polymerization of styrene monomer to the membrane body, an introduction step for introducing an ion exchange group for conducting protons, and an inorganic particle forming agent. A membrane for producing an electrolyte membrane in which particles made of an inorganic compound are dispersed in the membrane main body by impregnating the membrane main body in an impregnation liquid and cured by a sol-gel reaction, and the organic and inorganic systems are hybridized. And a manufacturing process.

本発明によれば、高出力を得つつ、ガスバリア性および耐久性に優れた電解質膜、膜電極接合体、燃料電池、および電解質膜の製造方法を実現し得る。   According to the present invention, it is possible to achieve an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method for producing an electrolyte membrane that are excellent in gas barrier properties and durability while obtaining high output.

第1の実施の形態による燃料電池の全体構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell according to a first embodiment. 電解質膜の断面構成を示す写真である。It is a photograph which shows the cross-sectional structure of an electrolyte membrane. 第1の実施の形態による電解質膜の製造方法の説明に供する概略図である。It is the schematic where it uses for description of the manufacturing method of the electrolyte membrane by 1st Embodiment. 第1の実施の形態による電解質膜を示す写真である。It is a photograph which shows the electrolyte membrane by 1st Embodiment. 従来の電解質膜を示す写真である。It is a photograph which shows the conventional electrolyte membrane. 従来の電解質膜と、シリカ粒子の含有量を変えた第1の実施の形態による電解質膜とについて、含水膜厚、WU、およびIECの検証結果を示す表である。It is a table | surface which shows the verification result of a water-containing film thickness, WU, and IEC about the conventional electrolyte membrane and the electrolyte membrane by 1st Embodiment which changed content of the silica particle. 従来の電解質膜と、シリカ粒子の含有量を変えた第1の実施の形態による電解質膜とについて、電流密度および出力電圧の関係と、電流密度および出力密度の関係とを調べた結果を示すグラフである。The graph which shows the result of having investigated the relationship between a current density and an output voltage, and the relationship between a current density and an output density about the conventional electrolyte membrane and the electrolyte membrane by 1st Embodiment which changed content of the silica particle It is. 従来の電解質膜と、シリカ粒子の含有量を変えた第1の実施の形態による電解質膜とについて、OCV、最大電流密度、および最大出力密度を調べた結果を示す表である。It is a table | surface which shows the result of having investigated the OCV, the maximum current density, and the maximum output density about the conventional electrolyte membrane and the electrolyte membrane by 1st Embodiment which changed content of the silica particle. 従来の電解質膜と、シリカ粒子の含有量を変えた第1の実施の形態による電解質膜とについて、Cole‐Coleプロットを調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated the Cole-Cole plot about the conventional electrolyte membrane and the electrolyte membrane by 1st Embodiment which changed content of the silica particle. Cole‐Coleプロットの波形から読み取れる膜抵抗および反応抵抗の説明に供する概略図である。It is the schematic where it uses for description of the membrane resistance and reaction resistance which can be read from the waveform of a Cole-Cole plot. 図9に示すCole‐Coleプロットの波形から読み取れた各電解質膜の膜抵抗および反応抵抗を調べた結果を示す表である。10 is a table showing the results of examining the membrane resistance and reaction resistance of each electrolyte membrane read from the waveform of the Cole-Cole plot shown in FIG. 9. 従来の電解質膜の加湿状態のときと、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の第1の実施の形態による電解質膜の加湿状態および無加湿状態のときの電流密度および出力電圧の関係と、電流密度および出力密度の関係とを調べた結果を示すグラフである。Relationship between current density and output voltage in the humidified state of the conventional electrolyte membrane and in the humidified and non-humidified states of the electrolyte membrane according to the first embodiment with the silica particle content of 7.5 [Wt%] It is a graph which shows the result of having investigated the relationship between current density and output density. 従来の電解質膜の加湿状態のときと、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の第1の実施の形態による電解質膜の加湿状態および無加湿状態のときのOCV、最大電流密度、および最大出力密度を調べた結果を示す表である。OCV, maximum current density, and maximum in the humidified state of the conventional electrolyte membrane and in the humidified and non-humidified states of the electrolyte membrane according to the first embodiment having a silica particle content of 7.5 [Wt%] It is a table | surface which shows the result of having investigated the output density. 第2の実施の形態による燃料電池の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the fuel cell by 2nd Embodiment. 第2の実施の形態による膜電極接合体の製造方法の説明(1)に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for description (1) of the manufacturing method of the membrane electrode assembly by 2nd Embodiment. 第2の実施の形態による膜電極接合体の製造方法の説明(2)に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for description (2) of the manufacturing method of the membrane electrode assembly by 2nd Embodiment. 従来の電解質膜の加湿状態のときと、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜の加湿状態および無加湿状態のときと、電極との接合にシリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]のバインダーを用いた電解質膜の加湿状態および無加湿状態のときとの電流密度および出力電圧の関係と、電流密度および出力密度の関係とを調べた結果を示すグラフである。When the conventional electrolyte membrane is in a humidified state, when the electrolyte membrane with a silica particle content of 7.5 [Wt%] is in a humidified state and when it is not humidified, and when the electrode is joined to the electrode, the silica particle content is 7.5 [Wt%]. %] Is a graph showing the results of examining the relationship between the current density and the output voltage of the electrolyte membrane in the humidified state and the non-humidified state, and the relationship between the current density and the output density. 従来の電解質膜の加湿状態のときと、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜の加湿状態および無加湿状態のときと、電極との接合にシリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]のバインダーを用いた電解質膜の加湿状態および無加湿状態のときとのOCV、最大電流密度、および最大出力密度を調べた結果を示す表である。When the conventional electrolyte membrane is in a humidified state, when the electrolyte membrane with a silica particle content of 7.5 [Wt%] is in a humidified state and when it is not humidified, and when the electrode is joined to the electrode, the silica particle content is 7.5 [Wt%]. %] Is a table showing the results of examining the OCV, the maximum current density, and the maximum output density of the electrolyte membrane in a humidified state and a non-humidified state. 従来の電解質膜の加湿状態のときと、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜の加湿状態および無加湿状態のときと、電極との接合にシリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]のバインダーを用いた電解質膜の加湿状態および無加湿状態のときとCole‐Coleプロットを調べた結果を示すグラフである。When the conventional electrolyte membrane is in a humidified state, when the electrolyte membrane with a silica particle content of 7.5 [Wt%] is in a humidified state and when it is not humidified, and when the electrode is joined to the electrode, the silica particle content is 7.5 [Wt%]. %] Is a graph showing the results of examining a Cole-Cole plot when the electrolyte membrane is in a humidified state and a non-humidified state. 各電解質膜の膜厚と、図19に示すCole‐Coleプロットの波形から読み取れた各電解質膜の膜抵抗および反応抵抗とを調べた結果を示す表である。20 is a table showing the results of examining the thickness of each electrolyte membrane and the membrane resistance and reaction resistance of each electrolyte membrane read from the waveform of the Cole-Cole plot shown in FIG. 第3の実施の形態による燃料電池の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the fuel cell by 3rd Embodiment. 電解質膜の基材として用いたフッ素系高分子膜の分子構造を示す化学式である。It is a chemical formula which shows the molecular structure of the fluorine-type polymer film used as a base material of electrolyte membrane. 第3の実施の形態による電解質膜の製造方法を段階的に示す概略図であり、図23Aは量子ビームを照射する前の状態を示し、図23Bは量子ビームを照射してラジカルを生成した状態を示し、図23Cはグラフト鎖を生成した状態を示し、図23Dはスルホン酸基を導入した状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing method of the electrolyte membrane by 3rd Embodiment in steps, FIG. 23A shows the state before irradiating a quantum beam, FIG. 23B shows the state which irradiated the quantum beam and produced | generated the radical FIG. 23C shows a state where a graft chain is generated, and FIG. 23D is a schematic view showing a state where a sulfonic acid group is introduced. 第3の実施の形態による電解質膜の製造方法を段階的に示す概略図であり、図24Aは膜本体を含浸液に含浸させた状態を示し、図24Bは含浸液内に浸した膜本体に超音波を当てている状態を示し、図24Cは作製された電解質膜を示す概略図である。FIGS. 24A and 24B are schematic views showing step by step a manufacturing method of an electrolyte membrane according to a third embodiment, FIG. 24A shows a state in which the membrane body is impregnated with an impregnating liquid, and FIG. FIG. 24C is a schematic view showing the manufactured electrolyte membrane, showing a state where ultrasonic waves are applied. 図25Aは比較例である電解質膜(NC)の蛍光X線分析の解析結果を示すグラフであり、図25Bは同じく比較例である電解質膜(S‐PFA)の蛍光X線分析の解析結果を示すグラフであり、図25Cは本発明による電解質膜(S‐PFA/Silica)の蛍光X線分析の解析結果を示すグラフである。FIG. 25A is a graph showing the analysis result of the fluorescent X-ray analysis of the electrolyte membrane (NC) as a comparative example, and FIG. 25B shows the analysis result of the fluorescent X-ray analysis of the electrolyte membrane (S-PFA) as a comparative example. FIG. 25C is a graph showing an analysis result of fluorescent X-ray analysis of the electrolyte membrane (S-PFA / Silica) according to the present invention. 従来の電解質膜と、グラフト重合を行った電解質膜と、グラフト重合を行い、かつ膜本体内にシリカ粒子を含む電解質膜とについて、含水膜厚、乾燥膜厚、WU、および膨潤率とを調べた結果を示す表である。For conventional electrolyte membranes, electrolyte membranes that have undergone graft polymerization, and electrolyte membranes that have undergone graft polymerization and contain silica particles in the membrane body, examine the water-containing film thickness, dry film thickness, WU, and swelling rate. It is a table | surface which shows the result. 従来の電解質膜と、グラフト重合を行った電解質膜と、グラフト重合を行い、かつ膜本体内にシリカ粒子を含む電解質膜とについて、電流密度および出力電圧の関係と、電流密度および出力密度の関係とを調べた結果を示すグラフである。The relationship between current density and output voltage, and relationship between current density and output density, with respect to conventional electrolyte membranes, electrolyte membranes that have undergone graft polymerization, and electrolyte membranes that have undergone graft polymerization and contain silica particles in the membrane body It is a graph which shows the result of having investigated. 従来の電解質膜と、グラフト重合を行った電解質膜と、グラフト重合を行い、かつ膜本体内にシリカ粒子を含む電解質膜とについて、膜厚、OCV、最大電流密度、および最大出力密度を調べた結果を示す表である。The film thickness, OCV, maximum current density, and maximum output density were examined for a conventional electrolyte membrane, an electrolyte membrane subjected to graft polymerization, and an electrolyte membrane subjected to graft polymerization and including silica particles in the membrane body. It is a table | surface which shows a result. 従来の電解質膜と、グラフト重合を行った電解質膜と、グラフト重合を行い、かつ膜本体内にシリカ粒子を含む電解質膜とについて、Cole‐Coleプロットを調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated the Cole-Cole plot about the conventional electrolyte membrane, the electrolyte membrane which performed graft polymerization, and the electrolyte membrane which performed graft polymerization and contains a silica particle in a film | membrane main body. 図29に示すCole‐Coleプロットの波形から読み取れた各電解質膜の膜抵抗および反応抵抗とを調べた結果を示す表である。30 is a table showing the results of examining the membrane resistance and reaction resistance of each electrolyte membrane read from the waveform of the Cole-Cole plot shown in FIG.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(1)第1の実施の形態
(1‐1)第1の実施の形態による燃料電池の構成
図1において1は本発明の燃料電池を示し、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)2と、当該膜電極接合体2を挟むように対向配置された一対のセパレータ6,7とを備えたセルSを有している。なお、この実施の形態の場合において、図1に示すように、1つのセルSを設けた燃料電池1について説明するが、本発明はこれに限らず、例えば数十個〜数百個等でなる複数のセルSを直列に接続した積層体(スタック)を有する燃料電池としてもよい。
(1) First embodiment (1-1) Configuration of fuel cell according to the first embodiment In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a fuel cell according to the present invention, and a membrane electrode assembly (MEA) 2 And a cell S provided with a pair of separators 6 and 7 disposed so as to face each other with the membrane electrode assembly 2 interposed therebetween. In the case of this embodiment, as shown in FIG. 1, a fuel cell 1 provided with one cell S will be described. However, the present invention is not limited to this, for example, several tens to several hundreds. It is good also as a fuel cell which has the laminated body (stack) which connected the some cell S which becomes in series.

ここで、膜電極接合体2は、アノード電極3と、カソード電極4と、これらアノード電極3およびカソード電極4間に設けられた電解質膜5とを有している。アノード電極3とカソード電極4は、図示しないが、電解質膜5側に配置された触媒層と、当該触媒層に積層されたガス拡散層とを有しており、バインダーによって当該電解質膜5と接合されている。なお、触媒層としては、例えばカーボン粒子に白金を担持させたものや、その合金材料等を用いることができる。ガス拡散層としては、カーボンクロスや、カーボンペーパーを用いることができる。   Here, the membrane electrode assembly 2 has an anode electrode 3, a cathode electrode 4, and an electrolyte membrane 5 provided between the anode electrode 3 and the cathode electrode 4. Although not shown, the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 have a catalyst layer disposed on the electrolyte membrane 5 side and a gas diffusion layer laminated on the catalyst layer, and are joined to the electrolyte membrane 5 with a binder. Has been. In addition, as a catalyst layer, what carried | supported platinum on the carbon particle, the alloy material, etc. can be used, for example. As the gas diffusion layer, carbon cloth or carbon paper can be used.

一のセパレータ6はアノード電極3に燃料を供給し、当該一のセパレータ6と対をなす他のセパレータ7はカソード電極4に酸化剤を供給し得るように配置されている。燃料としては、水素やメタノール、エタノール、グルコース等を用いることができる。酸化剤としては、酸素を用いることができる。アノード電極3およびカソード電極4は、配線9を通じて外部負荷8(例えば、電球などの照明器具)に電気的に接続されており、当該外部負荷8に電力を供給し得るようになされている。なお、燃料及び酸化剤は、両方が液体又は気体のいずれでもよいし、いずれか一方が液体、他方が気体であってもよい。   One separator 6 supplies fuel to the anode electrode 3, and the other separator 7 paired with the one separator 6 is arranged so as to supply an oxidant to the cathode electrode 4. As the fuel, hydrogen, methanol, ethanol, glucose or the like can be used. Oxygen can be used as the oxidizing agent. The anode electrode 3 and the cathode electrode 4 are electrically connected to an external load 8 (for example, a lighting device such as a light bulb) through a wiring 9 so that electric power can be supplied to the external load 8. Both the fuel and the oxidant may be liquid or gas, one of which may be liquid and the other may be gas.

燃料電池1は、アノード電極3に燃料が供給されると、燃料に含まれる水素原子が、プロトン(H)と電子(e)とに分離され、当該プロトンが電解質膜5を通ってカソード電極4へ移動し得るように構成されている。一方、電子は、セパレータ6から外部負荷8およびセパレータ7を通じてカソード電極4へ移動し得る。カソード電極4は、供給された酸化剤に含まれる酸素と、アノード電極3から移動したプロトンおよび電子とが結合して水が生成され得る。これらの反応を電気化学式で表すと、アノード電極3ではH→2H+2e、カソード電極4では2H+1/2O+2e→HO、全体としてH+1/2O→HOとなる。 In the fuel cell 1, when fuel is supplied to the anode electrode 3, hydrogen atoms contained in the fuel are separated into protons (H + ) and electrons (e ), and the protons pass through the electrolyte membrane 5 to the cathode. It is configured to be able to move to the electrode 4. On the other hand, electrons can move from the separator 6 to the cathode electrode 4 through the external load 8 and the separator 7. The cathode electrode 4 can generate water by combining oxygen contained in the supplied oxidant with protons and electrons transferred from the anode electrode 3. When these reactions are expressed in an electrochemical formula, the anode electrode 3 has H 2 → 2H + + 2e , the cathode electrode 4 has 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O, and H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 as a whole. O.

かかる構成に加えて、本発明の電解質膜5は、プロトンを電導するイオン交換基を含んだ有機系高分子材料と、無機系化合物でなる粒子とを含み、有機系と無機系とがハイブリッド化された膜本体5aを有しており、この膜本体5aの内部全体に無機系化合物でなる粒子が分散した構成を有している。このような電解質膜5は、少なくとも有機系分散液と無機系粒子形成剤とを混合させた混合溶液(後述する)を、熱処理を含むゾルゲル反応により膜状に硬化させて膜本体5aを形成することで、当該膜本体5aの厚み方向全体に無機系化合物でなる粒子が均一に分散された構成となり得る。   In addition to such a configuration, the electrolyte membrane 5 of the present invention includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons and particles made of an inorganic compound, and the organic and inorganic materials are hybridized. The film main body 5a is formed, and particles made of an inorganic compound are dispersed throughout the film main body 5a. Such an electrolyte membrane 5 forms a membrane body 5a by curing a mixed solution (described later) in which at least an organic dispersion and an inorganic particle forming agent are mixed into a membrane by a sol-gel reaction including heat treatment. As a result, it is possible to obtain a configuration in which particles made of an inorganic compound are uniformly dispersed throughout the thickness direction of the film body 5a.

なお、プロトンを電導するイオン交換基を含んだ有機系高分子材料としては、例えば、イオン交換基としてスルホン酸基を含んだパーフルオロスルホン酸イオノマーの「ナフィオン(Nafion)」(登録商標)等を適用できる。また、有機系高分子材料としては、例えば、PTFE(Polytetrafluoroethylene)、PVdF(Polyvinylidenefluoride)、FEP(Tetrafluoroethylene - Hexafluoropropylene Copolymer)、PFA(Tetrafluoroethylene - Perfluoroalkylvinylether Copolymer)、ETFE(Tetrafluoroethylene - Ethylene Copolymer)等のフッ素系高分子材料や、それらの架橋体を用いることができる。   Examples of the organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons include, for example, “Nafion” (registered trademark) of perfluorosulfonic acid ionomer containing a sulfonic acid group as an ion exchange group. Applicable. Examples of organic polymer materials include fluorine-based polymers such as PTFE (Polytetrafluoroethylene), PVdF (Polyvinylidenefluoride), FEP (Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene Copolymer), PFA (Tetrafluoroethylene-Perfluoroalkylvinylether Copolymer), and ETFE (Tetrafluoroethylene-Ethylene Copolymer). Molecular materials and cross-linked products thereof can be used.

また、他の有機系高分子材料としては、構造異性体を含む、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリサルホン、ポリエーテルイミド等の炭化水素系高分子材料や、それらの架橋体を用いることができる。さらに、他の有機系高分子材料としては、フッ素系高分子や炭化水素系高分子のブレンド体、分子複合体、それぞれの高分子のブレンド体、分子複合体を適用してもよい。また、イオン交換基としては、スルホン酸基の他、カルボン酸基を用いても良い。一方、無機系化合物である粒子としては、例えばシリカでなるシリカ粒子を適用できる。   In addition, as other organic polymer materials, it is possible to use hydrocarbon polymer materials such as polystyrene, polyetheretherketone, polyimide, polysulfone, polyetherimide, and their cross-linked materials, including structural isomers. it can. Further, as other organic polymer materials, a blend of a fluorine polymer or a hydrocarbon polymer, a molecular complex, a blend of each polymer, or a molecular complex may be applied. In addition to the sulfonic acid group, a carboxylic acid group may be used as the ion exchange group. On the other hand, as particles that are inorganic compounds, for example, silica particles made of silica can be applied.

図2は、膜状でなる電解質膜5について膜厚方向の所定位置での断面構成を示す写真である。図2に示すように、本発明の電解質膜5は、膜本体5a内にてスルホン酸基10とシリカ粒子11とが混合しており、当該膜本体5aの内部全体に亘ってシリカ粒子11が均一に分散した構成を有する。このように電解質膜5は、内部にシリカ粒子11が分散されていることにより、燃料電池1に用いた際に高出力を得られる他、当該シリカ粒子11によって燃料や酸化剤の分子の透過を抑制し得、かくしてガスバリア性を向上し得る。また、電解質膜5は、ガスバリア性の向上によって、発電時における水素や、酸素ガス、メタノール等の燃料のクロスオーバーを低減できることから、当該クロスオーバーで生じる過酸化物による膜劣化も低減でき、その分、耐久性を向上し得る。   FIG. 2 is a photograph showing a cross-sectional configuration of the electrolyte membrane 5 having a film shape at a predetermined position in the film thickness direction. As shown in FIG. 2, in the electrolyte membrane 5 of the present invention, the sulfonic acid group 10 and the silica particles 11 are mixed in the membrane body 5a, and the silica particles 11 are spread over the entire inside of the membrane body 5a. It has a uniformly dispersed configuration. As described above, the electrolyte membrane 5 has high dispersion when used in the fuel cell 1 because the silica particles 11 are dispersed therein, and the silica particles 11 allow the permeation of fuel and oxidant molecules. Thus, the gas barrier property can be improved. Further, since the electrolyte membrane 5 can reduce the crossover of fuel such as hydrogen, oxygen gas, and methanol during power generation by improving the gas barrier property, the membrane deterioration due to the peroxide generated in the crossover can also be reduced. The durability can be improved.

ここで、電解質膜5は、シリカ粒子の含有量を7.5±2.0[Wt%]とすることにより、一段と高出力を得ることができるとともに、ガスバリア性および耐久性を一段と向上し得させることができる。また、電解質膜5は、シリカ粒子の含有量を7.5±2.0[Wt%]とすることにより、シリカ粒子による形状保持性も向上し、膨潤による変形も防止し得、耐膨潤性も向上させることができる。このようなガスバリア性や耐久性、耐膨潤性に優れ、高出力を得られる本発明の電解質膜5は、次のようにして製造することができる。   Here, by setting the content of the silica particles to 7.5 ± 2.0 [Wt%], the electrolyte membrane 5 can obtain higher output and further improve gas barrier properties and durability. . In addition, the electrolyte membrane 5 has a silica particle content of 7.5 ± 2.0 [Wt%], thereby improving shape retention by silica particles, preventing deformation due to swelling, and improving swelling resistance. Can do. The electrolyte membrane 5 of the present invention, which is excellent in gas barrier properties, durability, and swelling resistance and can obtain a high output, can be produced as follows.

(1‐2)電解質膜の製造方法
上述した本発明の電解質膜5は下記のように、熱処理を含むゾルゲル反応により作製することができる。この場合、先ず始めに、例えば、無機系粒子形成剤としてのTEOS(テトラエトキシシラン)と、PrOHと、HOとを所定の割合で含有させるとともに、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料が分散した有機系分散液を混合させることにより混合溶液を作製する。このようにして作製された混合溶液は、熱処理を含むゾルゲル反応により硬化し得る。
(1-2) Method for Producing Electrolyte Membrane The above-described electrolyte membrane 5 of the present invention can be produced by a sol-gel reaction including heat treatment as described below. In this case, first of all, for example, TEOS (tetraethoxysilane) as an inorganic particle forming agent, PrOH, and H 2 O are contained in a predetermined ratio, and an organic material that includes an ion exchange group that conducts protons. A mixed solution is prepared by mixing an organic dispersion in which a polymer material is dispersed. The mixed solution thus prepared can be cured by a sol-gel reaction including heat treatment.

なお、この有機系分散液としては、例えば、ナフィオン(Nafion 登録商標 デュポン社製)をイオン交換水に加え、これを加熱しながら撹拌して当該ナフィオンを分散させたナフィオン分散液を適用することができる。この場合、混合溶液は、例えばTEOSと、PrOHと、HOとを所定割合で混合させるとともに、ナフィオン分散液を混合して攪拌してゆくことによりゾルとなり、反応を進ませることでゲル化し得る。 In addition, as this organic dispersion liquid, for example, Nafion dispersion liquid (manufactured by Nafion (registered trademark, DuPont)) is added to ion-exchanged water and stirred while heating to disperse the Nafion dispersion liquid. it can. In this case, the mixed solution becomes, for example, TEOS, PrOH, and H 2 O in a predetermined ratio, and becomes a sol by mixing and stirring the Nafion dispersion, and gelled by advancing the reaction. obtain.

次いで、図3に示すように、例えばフッ素系樹脂フィルムであるFEP(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)膜等でなる剥離フィルム12を用意し、当該剥離フィルム12の表面に混合溶液13を塗布する。これにより剥離フィルム12の表面には、混合溶液13を、所定の膜厚でなる膜状に形成し得る。その後、乾燥、熱処理を行うことにより膜状に形成された混合溶液13を硬化させることにより、無機系化合物でなるシリカ粒子11が膜本体5a内に分散した電解質膜5を製造できる。最後にこの電解質膜5を剥離フィルム12から剥離させることにより、膜電極接合体2に使用可能な電解質膜5を得ることできる。   Next, as shown in FIG. 3, a release film 12 made of, for example, an FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) film that is a fluororesin film is prepared, and a mixed solution 13 is formed on the surface of the release film 12. Apply. Thus, the mixed solution 13 can be formed on the surface of the release film 12 in a film shape having a predetermined film thickness. Thereafter, the electrolyte solution 5 in which the silica particles 11 made of an inorganic compound are dispersed in the membrane body 5a can be manufactured by curing the mixed solution 13 formed in a film shape by drying and heat treatment. Finally, the electrolyte membrane 5 usable for the membrane electrode assembly 2 can be obtained by peeling the electrolyte membrane 5 from the release film 12.

このように上記製造方法によって、プロトンを電導するイオン交換基を含んだ有機系高分子材料と、シリカ粒子11とを含み、有機系と無機系とがハイブリッド化され、かつ膜本体5aの内部全体にシリカ粒子11が均一に分散した、本発明の電解質膜5を作製できる。なお、電解質膜5に含有されるシリカ粒子の含有量は、混合溶液13を作製する際に、当該混合溶液13内のTEOSの含有割合を調整することにより、7.5±2.0[Wt%]に調整し得る。電解質膜5は、シリカ粒子の含有量を7.5±2.0[Wt%]とすることにより、ガスバリア性、耐久性および耐膨潤性が一段と優れ、さらに高出力を得ることができる電解質膜5を作製できる。   As described above, the production method includes an organic polymer material including an ion exchange group that conducts protons, and silica particles 11, and an organic system and an inorganic system are hybridized. Thus, the electrolyte membrane 5 of the present invention in which the silica particles 11 are uniformly dispersed can be produced. The content of the silica particles contained in the electrolyte membrane 5 is adjusted to 7.5 ± 2.0 [Wt%] by adjusting the content ratio of TEOS in the mixed solution 13 when the mixed solution 13 is prepared. Can do. The electrolyte membrane 5 can be produced by making the content of silica particles 7.5 ± 2.0 [Wt%], which is further excellent in gas barrier properties, durability, and swelling resistance, and can obtain higher output. .

(1‐3)第1の実施の形態による電解質膜についての検証試験
次に、本発明による電解質膜5と、従来の電解質膜とについて各種検証試験を行った。本発明の電解質膜5は下記の手順により作製した。先ず始めに、TEOS(無機系粒子形成剤)と、PrOHと、HOとを1:4:4の割合で混合するとともに、さらにナフィオン分散液(DuPont Nafion Dispersion D521)を混合し、これを約1時間攪拌して混合溶液13を作製した。次いで、この混合溶液13を、60[℃]とした剥離フィルム12の表面に膜状に塗布してゆき、24時間乾燥させた後、110[℃]で2時間熱処理を行うことで、膜本体5a内にシリカ粒子が分散した電解質膜5を剥離フィルム12の表面に作製した。次いで、剥離フィルム12の表面に作製した電解質膜5を、図4に示すように、ピンセットTwにより摘んで剥離フィルム12から剥離させ、薄膜状でなる本発明の電解質膜5を得た。なお、このようにして形成された電解質膜5は、シリカ粒子の含有率が7.5[Wt%]、含水率35[%]、含水膜厚が23[μm]、理論IECが0.83であった。
(1-3) Verification Test for Electrolyte Membrane According to First Embodiment Next, various verification tests were performed on the electrolyte membrane 5 according to the present invention and the conventional electrolyte membrane. The electrolyte membrane 5 of the present invention was produced by the following procedure. First, TEOS (inorganic particle forming agent), PrOH, and H 2 O are mixed at a ratio of 1: 4: 4, and a Nafion dispersion (DuPont Nafion Dispersion D521) is further mixed. The mixed solution 13 was prepared by stirring for about 1 hour. Next, the mixed solution 13 was applied in the form of a film on the surface of the release film 12 having a temperature of 60 [° C.], dried for 24 hours, and then heat-treated at 110 [° C.] for 2 hours, whereby the membrane body An electrolyte membrane 5 in which silica particles were dispersed in 5a was produced on the surface of the release film 12. Next, as shown in FIG. 4, the electrolyte membrane 5 produced on the surface of the release film 12 was picked by the tweezers Tw and peeled off from the release film 12 to obtain the electrolyte membrane 5 of the present invention having a thin film shape. The electrolyte membrane 5 thus formed had a silica particle content of 7.5 [Wt%], a water content of 35 [%], a water content of 23 [μm], and a theoretical IEC of 0.83.

また、これとは別に、混合溶液におけるTEOSと、PrOHと、HOとの割合を変えて、同様の製造条件に従って、シリカ粒子の含有量が2.5[Wt%]の電解質膜と、5.0[Wt%]の電解質膜と、10[Wt%]の電解質膜とを、実施例として作製した。さらに、これとは別に、比較例として、市販のナフィオン分散液(DuPont Nafion Dispersion D521)を用いてキャスト法により薄膜状の電解質膜15(図5)を作製した。なお、市販のナフィオンから作製した、図5に示す電解質膜15には、シリカ粒子が含有されていない。 Separately, by changing the ratio of TEOS, PrOH, and H 2 O in the mixed solution, and following the same production conditions, an electrolyte membrane having a silica particle content of 2.5 [Wt%], 5.0 [ A Wt%] electrolyte membrane and a 10 [Wt%] electrolyte membrane were produced as examples. In addition to this, as a comparative example, a thin electrolyte membrane 15 (FIG. 5) was prepared by a cast method using a commercially available Nafion dispersion (DuPont Nafion Dispersion D521). The electrolyte membrane 15 shown in FIG. 5 made from commercially available Nafion does not contain silica particles.

次いで、シリカ粒子を含有していない従来の電解質膜15と、シリカ粒子の含有量が2.5[Wt%]、5.0[Wt%]、7.5[Wt%]、および10[Wt%]の各電解質膜とについて、含水膜厚[μm]と、含水率(以下、WUと呼ぶ)[%]と、単位体積当たりのスルホン酸基量を示すIEC(Ion Exchange Capacity:イオン交換容量)[meq/g]とを調べたところ、図6に示すような結果が得られた。なお、IECは、IEC=[n(酸性基)obs]/Wで表される。ここで[n(酸性基)obs]は電解質膜の酸性基量(mM)、Wは電解質膜の乾燥状態の重量である。[n(酸性基)obs]は、中和滴定法により算出した。 Next, a conventional electrolyte membrane 15 containing no silica particles, and each electrolyte membrane having a silica particle content of 2.5 [Wt%], 5.0 [Wt%], 7.5 [Wt%], and 10 [Wt%] And IEC (Ion Exchange Capacity) [meq / g] indicating the hydrated film thickness [μm], moisture content (hereinafter referred to as WU) [%], and the amount of sulfonic acid groups per unit volume As a result, the results as shown in FIG. 6 were obtained. Incidentally, IEC is represented by IEC = [n (acid group) obs] / W d. Here, [n (acidic group) obs ] is the amount of acidic group (mM) of the electrolyte membrane, and Wd is the weight of the electrolyte membrane in the dry state. [N (acidic group) obs ] was calculated by a neutralization titration method.

図6では、シリカ粒子を含有していない従来の電解質膜15を「Nafion cast(NC)」と表記し、シリカ粒子の含有量が2.5[Wt%]の電解質膜を「NS-2.5」と表記し、5.0[Wt%]の電解質膜を「NS-5.0」と表記し、7.5[Wt%]の電解質膜を「NS-7.5」と表記し、10[Wt%]の電解質膜を「NS-10」と表記した。なお、WU(%)は図6に示すような式により求めたが、乾燥質量を求める際は、作製した各電解質膜を、乾燥オーブン(ETAC THERMOVAC社製 VACUUM OVEN VT220)で減圧乾燥することにより乾燥させた。なお、IECの「*」はスルホン酸基のグラフト率からの期待値であることを示す。なお、図6から、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜のWU(%)が最も高くなっており、より多く含水し得ることが確認できた。 In FIG. 6, the conventional electrolyte membrane 15 that does not contain silica particles is denoted as “Nafion cast (NC)”, and the electrolyte membrane with a silica particle content of 2.5 [Wt%] is denoted as “NS - 2.5”. and, 5.0 to electrolyte membrane [Wt%] - denoted as "NS 5.0", 7.5 an electrolyte membrane of [Wt%] - denoted as "NS 7.5", 10 [Wt%] "NS an electrolyte membrane - 10 ”. In addition, WU (%) was calculated | required by the formula as shown in FIG. 6, However, when calculating | requiring dry mass, each produced electrolyte membrane was dried under reduced pressure with drying oven (VACUUM OVEN VT220 by ETAC THERMOVAC). Dried. In addition, “*” in IEC indicates an expected value from the graft ratio of the sulfonic acid group. From FIG. 6, it was confirmed that the WU (%) of the electrolyte membrane having the silica particle content of 7.5 [Wt%] is the highest and can contain more water.

(1‐3‐1)水素を16[%]加湿、酸素を無加湿としたときの発電試験
次に、これら各電解質膜を使用してそれぞれ膜電極接合体を製造して、電流密度および出力電圧の関係と、電流密度および出力密度の関係と、OCV(Open Circuit Voltage:開回路電圧)とについて調べたところ、図7および図8に示すような結果が得られた。なお、発電条件は、温度60[℃]とし、燃料として水素を用い、酸化剤として酸素を用いた。水素は16[%]加湿、酸素は無加湿とし、50[sccm](8.45×10-2[Pa・m/s)、0.2[MPa]にて供給した。
(1-3-1) Power generation test when hydrogen is 16% humidified and oxygen is not humidified Next, each of these electrolyte membranes is used to manufacture a membrane electrode assembly, and the current density and output When the relationship between the voltage, the relationship between the current density and the output density, and the OCV (Open Circuit Voltage) were examined, the results shown in FIGS. 7 and 8 were obtained. The power generation conditions were a temperature of 60 [° C.], hydrogen as a fuel, and oxygen as an oxidant. Hydrogen was 16 [%] humidified, oxygen was not humidified, and was supplied at 50 [sccm] (8.45 × 10 −2 [Pa · m 3 / s), 0.2 [MPa].

アノード電極3の触媒層は、Ptが1[mg/cm]、Pt/cが20[Wt%]となるようにカーボンペーパーにPtを塗布して形成した。一方、カソード電極4の触媒層は、Ptが1[mg/cm2]、Pt/Cが20[Wt%]となるようにカーボンペーパーにPtを塗布して形成した。また、カソード電極4および電解質膜と、アノード電極3および電解質膜との間を接合させるバインダーとしては、ナフィオン分散液を用いた。 The catalyst layer of the anode electrode 3 was formed by applying Pt to carbon paper so that Pt was 1 [mg / cm 2 ] and Pt / c was 20 [Wt%]. On the other hand, the catalyst layer of the cathode electrode 4 was formed by applying Pt to carbon paper so that Pt was 1 [mg / cm 2 ] and Pt / C was 20 [Wt%]. A Nafion dispersion was used as a binder for joining the cathode electrode 4 and the electrolyte membrane to the anode electrode 3 and the electrolyte membrane.

図8より、シリカ粒子を含有させた各電解質膜(NS-2.5、NS-5.0、NS-7.5、およびNS-10)は、従来の電解質膜(NC)よりも、OCVの数値が上昇しており、ガスバリア性および耐久性が向上していることが確認できた。また、図7および図8から、シリカ粒子を含有させた各電解質膜(NS-2.5、NS-5.0、NS-7.5、およびNS-10)のいずれにおいても高出力を得ているが、特に、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜(NS-7.5)や、10[Wt%]の電解質膜を(NS-10)を用いたときには、最大出力密度が向上することが確認できた。 From FIG. 8, each electrolyte membrane (NS-2.5, NS-5.0, NS-7.5, and NS - 10) containing silica particles has a higher OCV value than the conventional electrolyte membrane (NC). It was confirmed that the gas barrier properties and durability were improved. Further, from FIGS. 7 and 8, high output was obtained in any of the electrolyte membranes (NS-2.5, NS-5.0, NS-7.5, and NS - 10) containing silica particles. When using an electrolyte membrane with a silica particle content of 7.5 [Wt%] (NS - 7.5) or an electrolyte membrane with 10 [Wt%] (NS - 10), the maximum output density can be confirmed to improve. It was.

次に、各電解質膜を用いた膜電極接合体毎に、縦軸に虚数のインピータンス(‐ImZ[mohm*cm])を示し、横軸に実数のインピータンス(ReZ[mohm*cm])を示すCole‐Coleプロットを調べたところ、図9に示すような結果が得られた。さらに、得られたCole―Coleプロットの各波形から、各電解質膜について、膜抵抗RSと、反応抵抗RPとを読み取ったところ、図11のような結果が得られた。 Next, for each membrane electrode assembly using each electrolyte membrane, the ordinate represents imaginary impedance (−ImZ [mohm * cm 2 ]), and the abscissa represents real impedance (ReZ [mohm * cm 2). ]), The results as shown in FIG. 9 were obtained. Further, when the membrane resistance R S and the reaction resistance R P were read for each electrolyte membrane from each waveform of the obtained Cole-Cole plot, the result shown in FIG. 11 was obtained.

なお、図11では、図10に示すように、Cole‐Coleプロットの軌跡のうち実数のインピータンス(ReZ[mohm*cm])の最小値を、膜抵抗RSとして読み取り、Cole‐Coleプロットの半円状波形の直径を、反応抵抗RPとして読み取った。図11から、シリカ粒子を含有させた電解質膜(NS-2.5、NS-5.0、NS-7.5、およびNS-10)では、シリカ粒子を含有していない従来の電解質膜(NC)よりも、膜抵抗RSが下がることが確認できた。また、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]以上とした電解質膜(NS-7.5)では、膜抵抗RSおよび反応抵抗RPのいずれも、従来の電解質膜(NC)よりも下がることが確認できた。さらに、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]以上とした電解質膜(NS-7.5)では、膜抵抗RSおよび反応抵抗RPが最も下がることが確認できた。 In FIG. 11, as shown in FIG. 10, the minimum value of the real impedance (ReZ [mohm * cm 2 ]) is read as the membrane resistance R S in the locus of the Cole-Cole plot, and the Cole-Cole plot is obtained. The diameter of the semicircular waveform was read as the reaction resistance R P. From FIG. 11, the electrolyte membranes (NS - 2.5, NS - 5.0, NS - 7.5, and NS - 10) containing silica particles are more preferable than the conventional electrolyte membrane (NC) not containing silica particles. It was confirmed that the resistance R S was lowered. In addition, in the electrolyte membrane (NS - 7.5) with a silica particle content of 7.5 [Wt%] or more, both the membrane resistance R S and the reaction resistance R P may be lower than the conventional electrolyte membrane (NC). It could be confirmed. Furthermore, it was confirmed that the membrane resistance R S and the reaction resistance R P were the lowest in the electrolyte membrane (NS - 7.5) having a silica particle content of 7.5 [Wt%] or more.

(1‐3‐2)水素および酸素のいずれも無加湿としたときの発電試験
次に、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜(NS-7.5)を用いつつ、水素および酸素のいずれも無加湿としたときの電流密度および出力電圧の関係と、電流密度および出力密度の関係とについても調べたところ、図12および図13に示すような結果が得られた。図12および図13では、発電条件として、水素を16[%]加湿、酸素を無加湿としたとき(加湿状態)と比較するため、図7および図8で得られた「NS-7.5」の結果を、「NS7.5(HRH16%)」として再度明記している。
(1-3-2) Power generation test when both hydrogen and oxygen are not humidified Next, while using an electrolyte membrane (NS - 7.5) with a silica particle content of 7.5 [Wt%], hydrogen and oxygen When the relationship between the current density and the output voltage and the relationship between the current density and the output density when both were not humidified were examined, the results shown in FIGS. 12 and 13 were obtained. In FIGS. 12 and 13, as a power generation condition, “NS - 7.5” obtained in FIGS. 7 and 8 is compared with a case where hydrogen is 16% humidified and oxygen is not humidified (humidified state). The results are specified again as “NS7.5 (H 2 RH 16%)”.

なお、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜(NS-7.5)を用いつつ、水素および酸素のいずれも無加湿としたときの結果について、図12では「NS7.5(H RH0%)」と表記し、図13では「NS7.5(無加湿)」と表記している。図12および図13から、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]と同じ電解質膜であっても、無加湿状態のときの方が、加湿状態のときよりも、電流密度および出力密度の最大値がいずれも増加することが確認できた。なお、OCVについては、加湿状態のときよりも数値が891[mV]と僅かに低下するものの、従来の電解質膜(NC)よりも大きい値となり、この点、従来の電解質膜(NC)よりもガスバリア性および耐久性が向上していることが確認できた。 Note that the results obtained when using an electrolyte membrane (NS - 7.5) having a silica particle content of 7.5 [Wt%] and no humidification of both hydrogen and oxygen are shown in FIG. 12 as “NS7.5 (H 2 RH0%) ”, and“ NS7.5 (no humidification) ”in FIG. From FIG. 12 and FIG. 13, even when the electrolyte membrane has the same silica particle content of 7.5 [Wt%], the maximum current density and the output density are higher in the non-humidified state than in the humidified state. It was confirmed that both values increased. The OCV value is slightly lower than that of the humidified state, 891 [mV], but it is larger than that of the conventional electrolyte membrane (NC). It was confirmed that gas barrier properties and durability were improved.

(1‐4)作用および効果
以上の構成において、本発明による電解質膜5では、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料と、無機系化合物たるシリカでなるシリカ粒子11とを含み、有機系と無機系とをハイブリッド化させた膜本体5aを有し、この膜本体5aの内部全体にシリカ粒子11を分散させるようにした。これにより、電解質膜5では、燃料電池1に用いた際、膜本体5a内に分散されたシリカ粒子11によって、燃料や酸化剤の分子の透過を抑制し得、かくしてガスバリア性を向上し得る。
(1-4) Actions and Effects In the above configuration, the electrolyte membrane 5 according to the present invention includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons, and silica particles 11 made of silica, which is an inorganic compound. The membrane main body 5a in which the organic and inorganic materials are hybridized is provided, and the silica particles 11 are dispersed throughout the inside of the membrane main body 5a. Thus, in the electrolyte membrane 5, when used in the fuel cell 1, the silica particles 11 dispersed in the membrane body 5a can suppress the permeation of fuel and oxidant molecules, and thus improve the gas barrier property.

また、この電解質膜5では、ガスバリア性の向上によって燃料のクロスオーバーが低減できることから、その分、燃料のクロスオーバーにより生じる過酸化物による膜劣化を抑制し得、耐久性を向上させることができる。さらに、この電解質膜5では、膜本体5a内にシリカ粒子11を分散させて、有機系と無機系をハイブリッド化させたことにより、高出力を得ることができる。   Further, in this electrolyte membrane 5, since the crossover of the fuel can be reduced by improving the gas barrier property, the membrane deterioration due to the peroxide caused by the crossover of the fuel can be suppressed correspondingly, and the durability can be improved. . Further, in the electrolyte membrane 5, high output can be obtained by dispersing the silica particles 11 in the membrane body 5a to hybridize the organic and inorganic systems.

これに加えて、この電解質膜5では、膜本体5a内に分散させたシリカ粒子11の含有量を調整することにより、形状保持性を向上させ、発電時における膨潤による変形を抑制し得、耐膨潤性をも向上させることができる。   In addition to this, in this electrolyte membrane 5, by adjusting the content of the silica particles 11 dispersed in the membrane body 5a, shape retention can be improved, deformation due to swelling during power generation can be suppressed, and Swellability can also be improved.

なお、このような有機系と無機系とをハイブリッド化させた電解質膜5は、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料が分散された有機系分散液と、無機系粒子形成剤とを混合させた混合溶液を作製した後、熱処理を含むゾルゲル反応により混合溶液を膜状に硬化させることにより、無機系化合物でなる粒子が内部全体に均一に分散した膜本体を形成できる。   In addition, the electrolyte membrane 5 in which such an organic type and an inorganic type are hybridized includes an organic dispersion in which an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons is dispersed, and an inorganic particle forming agent. After the mixed solution is prepared, the mixed solution is cured into a film by a sol-gel reaction including heat treatment, thereby forming a film body in which particles made of an inorganic compound are uniformly dispersed throughout.

(2)第2の実施の形態
(2‐1)第2の実施の形態による燃料電池の構成
図1との対応部分に同一符号を付して示す図14において、16は第2の実施の形態による燃料電池を示し、上述した第1の実施の形態とはバインダーが異なっている。ここでは、上述した第1の実施の形態とは異なるバインダーについて以下着目して説明する。アノード電極3および電解質膜5を接合するバインダーと、カソード電極4および電解質膜5を接合するバインダーは、上述した第1の実施の形態にて説明した混合溶液を、熱処理を含むゾルゲル反応により硬化させたものであり、アノード電極3の電解質膜5との接合面や、カソード電極4の電解質膜5との接合面、電解質膜5の電極接合面に形成され得る。
(2) Second Embodiment (2-1) Configuration of Fuel Cell According to Second Embodiment In FIG. 14, in which parts corresponding to those in FIG. The fuel cell by a form is shown and the binder differs from 1st Embodiment mentioned above. Here, the binder different from the above-described first embodiment will be described by paying attention to the following. The binder for joining the anode electrode 3 and the electrolyte membrane 5 and the binder for joining the cathode electrode 4 and the electrolyte membrane 5 are obtained by curing the mixed solution described in the first embodiment described above by a sol-gel reaction including heat treatment. It can be formed on the bonding surface of the anode electrode 3 to the electrolyte membrane 5, the bonding surface of the cathode electrode 4 to the electrolyte membrane 5, or the electrode bonding surface of the electrolyte membrane 5.

実際上、バインダーは、プロトンを電導するイオン交換基を含んだ有機系高分子材料と、無機系化合物でなる粒子とを含み、有機系と無機系とがハイブリッド化されており、全体に無機系化合物でなる粒子が分散した構成を有している。ここで、プロトンを電導するイオン交換基を含んだ有機系高分子材料としては、例えば、イオン交換基としてスルホン酸基を含んだパーフルオロスルホン酸イオノマーの「ナフィオン(Nafion)」(登録商標)等を適用できる。また、有機系高分子材料としては、例えば、PTFE(Polytetrafluoroethylene)、PVdF(Polyvinylidenefluoride)、FEP(Tetrafluoroethylene - Hexafluoropropylene Copolymer)、PFA(Tetrafluoroethylene - Perfluoroalkylvinylether Copolymer)、ETFE(Tetrafluoroethylene - Ethylene Copolymer)等のフッ素系高分子材料や、それらの架橋体を用いることができる。   In practice, the binder contains an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons and particles made of an inorganic compound, and the organic and inorganic materials are hybridized, and the whole is inorganic. It has a configuration in which particles of a compound are dispersed. Here, as an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons, for example, “Nafion” (registered trademark) of perfluorosulfonic acid ionomer containing a sulfonic acid group as an ion exchange group, etc. Can be applied. Examples of organic polymer materials include fluorine-based polymers such as PTFE (Polytetrafluoroethylene), PVdF (Polyvinylidenefluoride), FEP (Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene Copolymer), PFA (Tetrafluoroethylene-Perfluoroalkylvinylether Copolymer), and ETFE (Tetrafluoroethylene-Ethylene Copolymer). Molecular materials and cross-linked products thereof can be used.

さらに、他の有機系高分子材料としては、構造異性体を含む、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリサルホン、ポリエーテルイミド等の炭化水素系高分子材料や、それらの架橋体を用いることができる。さらに、他の有機系高分子材料としては、フッ素系高分子や炭化水素系高分子のブレンド体、分子複合体、それぞれの高分子のブレンド体、分子複合体を適用してもよい。また、イオン交換基としては、スルホン酸基の他、カルボン酸基を用いても良い。一方、無機系化合物である粒子としては、例えばシリカでなるシリカ粒子を適用できる。   Furthermore, as other organic polymer materials, it is possible to use hydrocarbon polymer materials such as polystyrene, polyetheretherketone, polyimide, polysulfone, polyetherimide, and their cross-linked materials, including structural isomers. it can. Further, as other organic polymer materials, a blend of a fluorine polymer or a hydrocarbon polymer, a molecular complex, a blend of each polymer, or a molecular complex may be applied. In addition to the sulfonic acid group, a carboxylic acid group may be used as the ion exchange group. On the other hand, as particles that are inorganic compounds, for example, silica particles made of silica can be applied.

第2の実施の形態による膜電極接合体17は、上述した有機系と無機系とをハイブリッド化させたバインダーを、アノード電極3および電解質膜5の接合と、カソード電極4および電解質膜5の接合とに用いることにより、電解質膜5におけるガスバリア性や、耐久性を一段と向上し得るとともに、さらに高出力を得ることができる。ここで、バインダーは、シリカ粒子の含有量が7.5±5.0[Wt%]、好ましくは、シリカ粒子の含有量が7.5±2.0[Wt%]となっており、ガスバリア性、耐久性、および耐膨潤性が一段と向上し得るとともに、さらに一段と高出力を得ることができる。   In the membrane electrode assembly 17 according to the second embodiment, a binder obtained by hybridizing the above-described organic and inorganic materials is bonded to the anode electrode 3 and the electrolyte membrane 5 and to the cathode electrode 4 and the electrolyte membrane 5. As a result, the gas barrier property and durability of the electrolyte membrane 5 can be further improved, and higher output can be obtained. Here, the binder has a silica particle content of 7.5 ± 5.0 [Wt%], preferably a silica particle content of 7.5 ± 2.0 [Wt%], and has gas barrier properties, durability, and swelling resistance. The performance can be further improved, and further higher output can be obtained.

因みに、この実施の形態の場合においては、バインダーによりアノード電極3およびカソード電極4に接合させる電解質膜5として、上述した第1の実施の形態による、有機系および無機系をハイブリット化させたものを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、市販のナフィオン分散液(DuPont Nafion Dispersion D521)を用いてキャスト法により形成した電解質膜(NC)を、アノード電極3およびカソード電極4に接合させる際に、上述した有機系と無機系とをハイブリッド化させたバインダーを用いてもよい。このようなシリカ粒子を含有していない電解質膜(NC)を用いた膜電極接合体であっても、有機系と無機系とをハイブリッド化させたバインダーを用いることで、電解質膜におけるガスバリア性や、耐久性を向上し得るとともに、高出力を得ることができる。   Incidentally, in the case of this embodiment, the electrolyte membrane 5 to be joined to the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 with a binder is obtained by hybridizing the organic system and the inorganic system according to the first embodiment described above. Although the case where the present invention is applied has been described, the present invention is not limited thereto. For example, an electrolyte membrane (NC) formed by a cast method using a commercially available Nafion dispersion (DuPont Nafion Dispersion D521) is used for the anode electrode 3 and the cathode electrode. When bonding to 4, a binder obtained by hybridizing the above-described organic and inorganic materials may be used. Even in a membrane electrode assembly using an electrolyte membrane (NC) that does not contain such silica particles, by using a binder in which an organic system and an inorganic system are hybridized, The durability can be improved and a high output can be obtained.

(2‐2)膜電極接合体の製造方法
次に、有機系および無機系をハイブリッド化したバインダーを用いて製造する膜電極接合体17の製造方法について以下説明する。この場合、例えば、無機系粒子形成剤としてのTEOS(テトラエトキシシラン)と、PrOH(すなわち、1-プロパノール)と、H2Oとを所定の割合で含有させるとともに、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料が分散した有機系分散液を混合させることにより混合溶液を作製する。このようにして作製された混合溶液は、熱処理を含むゾルゲル反応によって硬化し得る。
(2-2) Manufacturing Method of Membrane / Electrode Assembly Next, a manufacturing method of the membrane / electrode assembly 17 manufactured using a binder in which an organic type and an inorganic type are hybridized will be described below. In this case, for example, an ion exchange group that contains TEOS (tetraethoxysilane), PrOH (ie, 1-propanol), and H 2 O as inorganic particle forming agents in a predetermined ratio and conducts protons. A mixed solution is prepared by mixing an organic dispersion liquid in which an organic polymer material containing is dispersed. The mixed solution thus prepared can be cured by a sol-gel reaction including heat treatment.

なお、この有機系分散液としては、例えば、ナフィオン分散液(DuPont Nafion Dispersion D521)を適用することができる。この場合、混合溶液は、例えばTEOSと、PrOHと、HOとを所定割合で混合させるとともに、ナフィオン分散液を混合して攪拌することによりゾルとなり、反応を進ませることでゲル化し得る。 As this organic dispersion liquid, for example, a Nafion dispersion liquid (DuPont Nafion Dispersion D521) can be applied. In this case, for example, TEOS, PrOH, and H 2 O are mixed at a predetermined ratio, and the mixed solution becomes a sol by mixing and stirring the Nafion dispersion, and can be gelled by advancing the reaction.

次いで、アノード電極3およびカソード電極4を用意し、図15に示すように、アノード電極3およびカソード電極4の電解質膜5と接合する接合面18に、上述した混合溶液19を膜状に塗布した後、熱処理を行うことにより混合溶液19を硬化させて、当該接合面18にバインダーを形成する。なお、このようなバインダーは、製造過程において、混合溶液内のTEOS(無機系粒子形成剤)の含有割合が調整されることにより、シリカ粒子の含有量が例えば7.5±5.0[Wt%]や、7.5±2.0[Wt%]に調整され得る。   Next, the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 were prepared. As shown in FIG. 15, the above-described mixed solution 19 was applied in a film form to the joining surface 18 that joined the electrolyte membrane 5 of the anode electrode 3 and the cathode electrode 4. Thereafter, the mixed solution 19 is cured by heat treatment to form a binder on the bonding surface 18. In addition, such a binder has a silica particle content of, for example, 7.5 ± 5.0 [Wt%], by adjusting the content ratio of TEOS (inorganic particle forming agent) in the mixed solution in the production process, It can be adjusted to 7.5 ± 2.0 [Wt%].

次いで、図16に示すように、アノード電極3の接合面18と、カソード電極4の接合面18とで電解質膜5を挟んだ後、アノード電極3およびカソード電極4とを加圧しながら加熱するホットプレスを行うことにより、アノード電極3、電解質膜5およびカソード電極4を熱圧着させて一体化させ、膜電極接合体17を製造することができる。   Next, as shown in FIG. 16, after the electrolyte membrane 5 is sandwiched between the joining surface 18 of the anode electrode 3 and the joining surface 18 of the cathode electrode 4, the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 are heated while being pressurized. By performing the pressing, the anode electrode 3, the electrolyte membrane 5 and the cathode electrode 4 can be thermocompression-bonded and integrated to manufacture the membrane electrode assembly 17.

(2‐3)第2の実施の形態による膜電極接合体についての検証試験
次に、有機系および無機系をハイブリッド化させたバインダーを用いたときの発電特性について検証試験を行った。ここでは、実施例として、有機系および無機系をハイブリッド化させた第1の実施の形態による電解質膜5と、同じく有機系および無機系をハイブリッド化させたバインダーとを用いて膜電極接合体17を作製した。この場合、有機系および無機系をハイブリッド化させた電解質膜5としては、上述した「(1‐3)第1の実施の形態による電解質膜についての検証試験」と同様にして作製し、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜(NS7.5)を用意した。
(2-3) Verification Test for Membrane / Electrode Assembly According to Second Embodiment Next, a verification test was performed on power generation characteristics when a binder in which an organic system and an inorganic system were hybridized was used. Here, as an example, the membrane electrode assembly 17 using the electrolyte membrane 5 according to the first embodiment in which the organic and inorganic materials are hybridized and the binder in which the organic and inorganic materials are similarly hybridized is used. Was made. In this case, the electrolyte membrane 5 in which the organic and inorganic materials are hybridized is prepared in the same manner as the above-mentioned “(1-3) Verification test for the electrolyte membrane according to the first embodiment”, and the silica particles An electrolyte membrane (NS - 7.5) having a W content of 7.5 [Wt%] was prepared.

また、有機系および無機系をハイブリッド化させたバインダーとしては、先ず始めに、TEOSと、PrOHと、HOとを1:4:4の割合で混合するとともに、さらにナフィオン分散液を混合して、これを約1時間攪拌して混合溶液を作製し、これをアノード電極3およびカソード電極4となる炭素電極の触媒層に塗布し、80[℃]で2時間の乾燥を含むゾルゲル反応によって、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]のバインダーを形成した。なお、アノード電極3およびカソード電極4の各触媒層は、Ptが1[mg/cm]であり、当該触媒層に、バインダーとなる混合溶液19を56.25[μl]塗布した。 In addition, as a binder in which organic and inorganic materials are hybridized, first, TEOS, PrOH, and H 2 O are mixed at a ratio of 1: 4: 4, and a Nafion dispersion is further mixed. This is stirred for about 1 hour to prepare a mixed solution, which is applied to the catalyst layer of the carbon electrode to be the anode electrode 3 and the cathode electrode 4, and is subjected to a sol-gel reaction including drying at 80 [° C.] for 2 hours. A binder having a silica particle content of 7.5 [Wt%] was formed. The catalyst layers of the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 had Pt of 1 [mg / cm 2 ], and 56.25 [μl] of the mixed solution 19 serving as a binder was applied to the catalyst layer.

次いで、バインダーを形成したアノード電極3およびカソード電極4で、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜(NS-7.5)を挟み、110[℃]、8[MPa]、3[min]ホットプレスにて接合し、アノード電極3、電解質膜5およびカソード電極4が一体化した膜電極接合体17を作製した。 Next, between the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 on which the binder is formed, an electrolyte membrane (NS - 7.5) having a silica particle content of 7.5 [Wt%] is sandwiched between 110 [° C.], 8 [MPa], 3 [min The membrane electrode assembly 17 in which the anode electrode 3, the electrolyte membrane 5 and the cathode electrode 4 were integrated was manufactured by hot pressing.

また、これとは別に比較例として、シリカ粒子の含有量が7.5[Wt%]の電解質膜(NS-7.5)を、ナフィオンアイオノマーからなる従来のバインダーを使用してアノード電極3およびカソード電極4に接合して一体化した膜電極接合体を作製した。さらに、これとは別に比較例として、市販のナフィオン分散液(DuPont Nafion Dispersion D521)を用いてキャスト法により形成された薄膜状でなる従来の電解質膜を作製し、これをナフィオンアイオノマーからなる従来のバインダーを使用してアノード電極3およびカソード電極4に接合して一体化した膜電極接合体を作製した。 In addition, as a comparative example, an electrolyte membrane (NS - 7.5) having a silica particle content of 7.5 [Wt%] is used as an anode electrode 3 and a cathode electrode 4 using a conventional binder made of Nafion ionomer. A membrane electrode assembly bonded and integrated was produced. In addition, as a comparative example, a conventional electrolyte membrane in the form of a thin film formed by a cast method using a commercially available Nafion dispersion (DuPont Nafion Dispersion D521) was prepared, and this was converted into a conventional electrolyte membrane made of Nafion ionomer. A membrane electrode assembly was manufactured by bonding to the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 using a binder.

そして、発電条件として、温度を60[℃]とし、さらに燃料として水素を用いるとともに、酸化剤として酸素を用いた。水素は16[%]加湿、酸素は無加湿とし、50[sccm](8.45×10-2[Pa・m3/s])、0.2[MPa]にて供給した場合と、水素および酸素ともに無加湿とした場合とについて、各膜電極接合体での電流密度および出力電圧の関係と、電流密度および出力密度の関係とについて調べたところ、図17および図18に示すような結果が得られた。 As power generation conditions, the temperature was 60 [° C.], hydrogen was used as the fuel, and oxygen was used as the oxidant. Hydrogen is 16 [%] humidified, oxygen is not humidified, and it is supplied at 50 [sccm] (8.45 × 10 -2 [Pa · m 3 / s]), 0.2 [MPa]. When the humidification was performed, the relationship between the current density and the output voltage in each membrane electrode assembly and the relationship between the current density and the output density were examined. The results shown in FIGS. 17 and 18 were obtained. .

なお、図17および図18では、シリカ粒子を含有していない従来の電解質膜と、従来のバインダーとを用いた膜電極接合体で水素を16[%]加湿としたときを「Nafion cast(NC)」と表記した。また、図17および図18では、シリカ粒子の含有率が7.5[Wt%]の電解質膜を用いるが、従来のバインダーを用いた膜電極接合体で水素を16[%]加湿としたときを「NS7.5」と表記し、当該膜電極接合体で水素を無加湿としたときを「NS7.5RH 0%」と表記した。さらに、図17および図18では、シリカ粒子の含有率が7.5[Wt%]の電解質膜と、シリカ粒子の含有率が7.5[Wt%]のバインダーとを用いた膜電極接合体で水素を16[%]加湿としたときを「NS7.5Bin7.5」と表記し、当該膜電極接合体で水素を無加湿としたときを「NS7.5Bin7.5RH 0%」と表記した。   In FIGS. 17 and 18, the case where hydrogen is 16% humidified in a membrane electrode assembly using a conventional electrolyte membrane containing no silica particles and a conventional binder is “Nafion cast (NC ) ”. In FIGS. 17 and 18, an electrolyte membrane having a silica particle content of 7.5 [Wt%] is used, but when hydrogen is 16 [%] humidified in a membrane electrode assembly using a conventional binder, “ NS7.5 ”, and when the membrane electrode assembly was not humidified with hydrogen, it was expressed as“ NS7.5RH 0% ”. Further, in FIGS. 17 and 18, hydrogen is added to a membrane electrode assembly using an electrolyte membrane having a silica particle content of 7.5 [Wt%] and a binder having a silica particle content of 7.5 [Wt%]. When [%] humidified, it was expressed as “NS7.5Bin7.5”, and when hydrogen was not humidified in the membrane electrode assembly, it was expressed as “NS7.5Bin7.5RH 0%”.

図17および図18から、水素を16[%]加湿としたときの「NS7.5」および「NS7.5Bin7.5」と、水素を無加湿としたときの「NS7.5RH 0%」および「NS7.5Bin7.5RH 0%」ともに、「Nafion cast(NC)」よりも、電流密度、出力電圧、および出力密度が高くなっており、発電能力が向上していることが確認できた。また、OCVについても大きくなっており、ガスバリア性および耐久性が向上していることが確認できた。   From FIG. 17 and FIG. 18, “NS7.5” and “NS7.5Bin7.5” when hydrogen is 16% humidified, and “NS7.5RH 0%” and “when hydrogen is not humidified” In both NS7.5Bin7.5RH 0%, the current density, output voltage, and output density were higher than in “Nafion cast (NC)”, confirming that the power generation capacity was improved. Moreover, the OCV was also increased, and it was confirmed that the gas barrier property and durability were improved.

さらに、図17および図18から、水素を16[%]加湿としたときの「NS7.5」と「NS7.5Bin7.5」とを比較すると、有機系および無機系をハイブリッド化したバインダーを用いた「NS7.5Bin7.5」の方が、「NS7.5」よりも、電流密度、出力電圧、および出力密度が高く、発電能力が向上していることが確認できた。   Furthermore, from FIG. 17 and FIG. 18, when comparing “NS7.5” and “NS7.5Bin7.5” when hydrogen is 16 [%] humidified, a binder in which organic and inorganic materials are hybridized is used. It was confirmed that NS7.5Bin7.5 had higher current density, output voltage, and output density and improved power generation capacity than NS7.5.

同様に、水素を無加湿としたときの「NS7.5RH 0%」と「NS7.5Bin7.5RH 0%」とを比較しても、有機系および無機系をハイブリッド化したバインダーを用いた「NS7.5Bin7.5RH 0%」の方が、「NS7.5RH 0%」よりも、電流密度、出力電圧、および出力密度が高く、発電能力が向上していることが確認できた。   Similarly, even when comparing NS7.5RH 0% and NS7.5Bin7.5RH 0% when hydrogen is not humidified, NS7 was made using an organic and inorganic hybrid binder. .5Bin7.5RH 0% "had higher current density, output voltage, and output density than" NS7.5RH 0% ", and it was confirmed that the power generation capacity was improved.

次に、「Nafion cast(NC)」と、水素を16[%]加湿としたときの「NS7.5」および「NS7.5Bin7.5」と、水素を無加湿としたときの「NS7.5RH 0%」および「NS7.5Bin7.5RH 0%」とについて、縦軸に虚数のインピータンス(‐ImZ[mohmcm])を示し、横軸に実数のインピータンス(ReZ[mohmcm])を示すCole‐Coleプロットを調べたところ、図19に示すような結果が得られた。 Next, “Nafion cast (NC)”, “NS7.5” and “NS7.5Bin7.5” when hydrogen is 16% humidified, and “NS7.5RH when hydrogen is not humidified” For "0%" and "NS7.5Bin7.5RH 0%", the vertical axis represents the imaginary impedance (-ImZ [mohm * cm 2 ]), and the horizontal axis represents the real impedance (ReZ [mohm * cm 2 ]), The results as shown in FIG. 19 were obtained.

さらに、得られたCole‐Coleプロットの各波形から、「Nafion cast(NC)」と、水素を16[%]加湿としたときの「NS7.5」および「NS7.5Bin7.5」と、水素を無加湿としたときの「NS7.5RH 0%」および「NS7.5Bin7.5RH 0%」とについて、膜抵抗RSおよび反応抵抗RPを読み取ったところ、図20のような結果が得られた。 Furthermore, from each waveform of the obtained Cole-Cole plot, “Nafion cast (NC)”, “NS7.5” and “NS7.5Bin7.5” when hydrogen is 16% humidified, hydrogen When the membrane resistance R S and the reaction resistance R P were read for “NS7.5RH 0%” and “NS7.5Bin7.5RH 0%” when the sample was not humidified, the results shown in FIG. 20 were obtained. It was.

図20から、水素を16[%]加湿としたときの「NS7.5」および「NS7.5 Bin7.5」と、水素を無加湿としたときの「NS7.5RH 0%」および「NS7.5Bin7.5RH 0%」との方が、比較例である「Nafion cast(NC)」よりも、膜抵抗RSおよび反応抵抗RPが下がることが確認できた。また、図20から、水素を16[%]加湿としたときの「NS7.5」と「NS7.5 Bin7.5」との膜抵抗RSおよび反応抵抗RPを比較すると、有機系および無機系をハイブリッド化したバインダーを用いた「NS7.5 Bin7.5」の方が、「NS7.5」よりも、膜抵抗RSおよび反応抵抗RPのいずれも低くなることが確認できた。 From FIG. 20, “NS7.5” and “NS7.5 Bin7.5” when hydrogen was 16% humidified, and “NS7.5RH 0%” and “NS7. It was confirmed that “5Bin7.5RH 0%” had lower membrane resistance R S and reaction resistance R P than “Nafion cast (NC)” as a comparative example. Also, from FIG. 20, when comparing the film resistance R S and the reaction resistance R P between “NS7.5” and “NS7.5 Bin7.5” when hydrogen is 16%, the organic and inorganic It was confirmed that the film resistance R S and the reaction resistance R P were lower in “NS7.5 Bin7.5” using a hybrid binder of the system than in “NS7.5”.

さらに、図20から、水素を無加湿としたときの「NS7.5RH 0%」と「NS7.5 Bin7.5RH 0%」との膜抵抗RSおよび反応抵抗RPを比較すると、有機系および無機系をハイブリッド化したバインダーを用いた「NS7.5 Bin7.5RH 0%」の方が、「NS7.5RH 0%」よりも、膜抵抗RSが低くなることが確認できた。 Further, from FIG. 20, when comparing the film resistance R S and the reaction resistance R P between “NS7.5RH 0%” and “NS7.5 Bin7.5RH 0%” when hydrogen is not humidified, It was confirmed that the film resistance R S was lower in “NS7.5 Bin7.5RH 0%” using an inorganic hybrid binder than in “NS7.5RH 0%”.

(2‐4)作用および効果
以上の構成において、膜電極接合体17では、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料と、無機系化合物たるシリカでなるシリカ粒子11とを含み、有機系と無機系とをハイブリッド化させた膜本体5aを有し、この膜本体5aの内部全体にシリカ粒子11を均一に分散させた電解質膜5を設けるようにした。
(2-4) Action and Effect In the above configuration, the membrane electrode assembly 17 includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons, and silica particles 11 made of silica, which is an inorganic compound, The membrane body 5a in which the organic and inorganic materials are hybridized is provided, and the electrolyte membrane 5 in which the silica particles 11 are uniformly dispersed is provided in the entire inside of the membrane body 5a.

これに加えて、この膜電極接合体17では、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料と、無機系化合物たるシリカでなるシリカ粒子とを含み、有機系と無機系とをハイブリッド化させ、全体にシリカ粒子を分散させたバインダーを用いて、アノード電極3、電解質膜5、およびカソード電極4を接合して一体化するようにした。   In addition, this membrane electrode assembly 17 includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons and silica particles made of silica, which is an inorganic compound, and is a hybrid of organic and inorganic materials. The anode electrode 3, the electrolyte membrane 5, and the cathode electrode 4 were joined and integrated using a binder in which silica particles were dispersed throughout.

これにより、膜電極接合体17では、上述した第1の実施の形態による効果に加え、バインダー内に分散されたシリカ粒子によっても、燃料や酸化剤の分子の透過を抑制し得、かくしてガスバリア性を向上し得る。また、この膜電極接合体17では、バインダイー内のシリカ粒子によるガスバリア性の向上によっても、燃料のクロスオーバーが低減されていることから、燃料のクロスオーバーにより生じる過酸化物による膜劣化を一段と抑制し得、その分、耐久性を向上し得る。さらに、この膜電極接合体17では、バインダー内にシリカ粒子を分散させて、有機系と無機系をハイブリッド化させたことにより、高出力を得ることができる。さらに加えて、この膜電極接合体17では、バインダー内にもシリカ粒子を分散させた構成としたことで、その分、形状保持性も向上し、発電時における膨潤による変形を抑制し得、耐膨潤性をも向上させることができる。   Thereby, in the membrane electrode assembly 17, in addition to the effect of the first embodiment described above, the silica particles dispersed in the binder can also suppress the permeation of the molecules of the fuel and the oxidant, and thus the gas barrier property. Can improve. Further, in this membrane electrode assembly 17, since the crossover of the fuel is reduced also by the improvement of the gas barrier property due to the silica particles in the bindery, the membrane deterioration due to the peroxide caused by the fuel crossover is further enhanced. It can be suppressed and the durability can be improved accordingly. Further, in this membrane electrode assembly 17, high output can be obtained by dispersing silica particles in a binder and hybridizing an organic system and an inorganic system. In addition, the membrane electrode assembly 17 has a structure in which silica particles are dispersed in the binder, so that the shape retention is improved, and deformation due to swelling during power generation can be suppressed. Swellability can also be improved.

(3)第3の実施の形態
(3‐1)第3の実施の形態による燃料電池の構成
図1との対応部分に同一符号を付して示す図21において、20は第3の実施の形態による燃料電池を示し、膜電極接合体21を構成する電解質膜28の構成が、上述した第1の実施の形態による燃料電池1や、第2の実施の形態による燃料電池16とは異なっている。ここでは、上述した第1の実施の形態、および第2の実施の形態の構成と異なる電解質膜28について以下着目して説明する。この実施の形態の場合、電解質膜28は、プロトンを電導するイオン交換基を含んだ有機系高分子材料と、無機系化合物でなる粒子とを含み、有機系と無機系とがハイブリッド化された膜本体28aを有しており、この膜本体28aの内部全体に無機系化合物でなる粒子(図示せず)が均一に分散した構成を有している。
(3) Third Embodiment (3-1) Configuration of Fuel Cell According to Third Embodiment In FIG. 21, in which parts corresponding to those in FIG. The configuration of the electrolyte membrane 28 constituting the membrane electrode assembly 21 is different from that of the fuel cell 1 according to the first embodiment and the fuel cell 16 according to the second embodiment. Yes. Here, the electrolyte membrane 28 different from the configurations of the first embodiment and the second embodiment described above will be described by paying attention to the following. In the case of this embodiment, the electrolyte membrane 28 includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons and particles made of an inorganic compound, and the organic and inorganic materials are hybridized. A film body 28a is provided, and particles (not shown) made of an inorganic compound are uniformly dispersed throughout the inside of the film body 28a.

なお、有機系高分子材料としては、例えば、PTFE(Polytetrafluoroethylene)、PVdF(Polyvinylidenefluoride)、FEP(Tetrafluoroethylene - Hexafluoropropylene Copolymer)、PFA(Tetrafluoroethylene - Perfluoroalkylvinylether Copolymer)、ETFE(Tetrafluoroethylene - Ethylene Copolymer)等のフッ素系高分子材料や、それらの架橋体を用いることができる。   Examples of organic polymer materials include PTFE (Polytetrafluoroethylene), PVdF (Polyvinylidenefluoride), FEP (Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene Copolymer), PFA (Tetrafluoroethylene-Perfluoroalkylvinylether Copolymer), ETFE (Tetrafluoroethylene-Ethylene Copolymer), etc. Molecular materials and cross-linked products thereof can be used.

また、他の有機系高分子材料としては、構造異性体を含む、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリサルホン、ポリエーテルイミド等の炭化水素系高分子材料や、それらの架橋体を用いることができる。さらに、他の有機系高分子材料としては、フッ素系高分子や炭化水素系高分子のブレンド体、分子複合体、それぞれの高分子のブレンド体、分子複合体を適用してもよい。また、イオン交換基としては、スルホン酸基の他、カルボン酸基を用いても良い。一方、無機系化合物である粒子としては、例えばシリカでなるシリカ粒子を適用できる。   In addition, as other organic polymer materials, it is possible to use hydrocarbon polymer materials such as polystyrene, polyetheretherketone, polyimide, polysulfone, polyetherimide, and their cross-linked materials, including structural isomers. it can. Further, as other organic polymer materials, a blend of a fluorine polymer or a hydrocarbon polymer, a molecular complex, a blend of each polymer, or a molecular complex may be applied. In addition to the sulfonic acid group, a carboxylic acid group may be used as the ion exchange group. On the other hand, as particles that are inorganic compounds, for example, silica particles made of silica can be applied.

膜本体28aは、製造過程において、このような有機系高分子材料にグラフト鎖が形成されて親水性を有した構成となっており、親水性を有した領域内にイオン交換基としてのスルホン酸基が導入された構成を有する。これに加えて、電解質膜28は、製造過程において、無機系粒子形成剤を含んだ含浸液(後述する)に含浸された後、熱処理を含むゾルゲル反応によって硬化されることにより製造されており、膜本体28aの親水性を有した領域内に、粒子が均一に分散され、有機系と無機系とがハイブリッド化された構成を有している。   The membrane body 28a has a hydrophilic structure in which a graft chain is formed on such an organic polymer material in the manufacturing process, and a sulfonic acid as an ion exchange group is formed in the hydrophilic region. It has a configuration in which a group is introduced. In addition to this, the electrolyte membrane 28 is manufactured by being impregnated in an impregnating liquid containing an inorganic particle forming agent (described later) and then cured by a sol-gel reaction including heat treatment in the manufacturing process, Within the hydrophilic region of the membrane body 28a, the particles are uniformly dispersed, and the organic and inorganic systems are hybridized.

このように第3の実施の形態による電解質膜28でも、例えばシリカ粒子が膜本体28a内に分散されていることにより、燃料電池20に用いた際に高出力を得られる他、当該シリカ粒子によって燃料や酸化剤の分子の透過を抑制し得、かくして、ガスバリア性を向上し得るようになされている。また、電解質膜28は、ガスバリア性の向上によって、発電時における水素や、酸素ガス、メタノール等の燃料のクロスオーバーを低減できることから、当該クロスオーバーで生じる過酸化物による膜劣化も低減でき、その分、耐久性を向上し得る。ここで、電解質膜28は、シリカ粒子の含有量が7.5±2.0[Wt%]と調整されることにより、ガスバリア性、耐久性および耐膨潤性が一段と向上し得るとともに、さらに一段と高出力を得ることができる。   Thus, in the electrolyte membrane 28 according to the third embodiment, for example, silica particles are dispersed in the membrane body 28a, so that a high output can be obtained when used in the fuel cell 20, and the silica particles Permeation of fuel and oxidant molecules can be suppressed, and thus gas barrier properties can be improved. In addition, since the electrolyte membrane 28 can reduce the crossover of fuel such as hydrogen, oxygen gas, methanol, etc. during power generation by improving the gas barrier property, the membrane deterioration due to peroxide generated in the crossover can also be reduced. The durability can be improved. Here, in the electrolyte membrane 28, the content of silica particles is adjusted to 7.5 ± 2.0 [Wt%], so that the gas barrier property, durability and swelling resistance can be further improved, and further higher output can be obtained. be able to.

(3‐2)第3の実施の形態による電解質膜の製造方法
次に、図21における電解質膜28の製造方法について以下説明する。この場合、例えば、図22に示すような分子構造で表されるフッ素系高分子膜(PFA)を基材とした膜本体を用意する。次いで、高分子鎖32を有する膜本体31(図23A)の一部または全体に量子ビームを照射し、高分子鎖32の一部を切断しラジカル33を生成する(図23B)。次いで、スチレンモノマーを含有する反応液に膜本体31を浸漬させることにより、ラジカル33が反応の活性種となり、スチレンモノマーと、ラジカル33とが結合し、グラフト鎖34が生成される(図23C)。このようにして、膜本体にスチレンモノマーをグラフト重合する。なお、反応液は、スチレンモノマーに加え、ジビニルベンゼンを含有させ、共重合とすることもできる。その後、イオン交換基としてのスルホン酸基35を導入することにより、イオン交換基を含み親水性を有した膜本体31を得ることができる(図23D)。
(3-2) Manufacturing Method of Electrolyte Membrane According to Third Embodiment Next, a manufacturing method of the electrolyte membrane 28 in FIG. 21 will be described below. In this case, for example, a film body using a fluorine-based polymer film (PFA) represented by a molecular structure as shown in FIG. 22 as a base material is prepared. Next, a part or the whole of the film body 31 (FIG. 23A) having the polymer chain 32 is irradiated with a quantum beam, and a part of the polymer chain 32 is cut to generate radicals 33 (FIG. 23B). Next, by immersing the membrane body 31 in a reaction solution containing a styrene monomer, the radical 33 becomes an active species of the reaction, the styrene monomer and the radical 33 are bonded, and a graft chain 34 is generated (FIG. 23C). . In this way, the styrene monomer is graft-polymerized on the film body. The reaction solution can be copolymerized by containing divinylbenzene in addition to the styrene monomer. Thereafter, by introducing a sulfonic acid group 35 as an ion exchange group, a membrane body 31 including an ion exchange group and having hydrophilicity can be obtained (FIG. 23D).

この際、膜本体31におけるグラフト率(grafting yield:GY)は、8.0[%]以上であることが望ましい。なお、グラフト率[%]は、100(W−W)/Wで表される。ここでWはグラフト鎖形成前の乾燥状態の電解質膜の重量であり、Wはグラフト鎖形成後の乾燥状態の電解質膜の重量である。 At this time, the grafting yield (GY) in the membrane body 31 is desirably 8.0 [%] or more. The graft rate [%] is expressed as 100 (W 2 −W 1 ) / W 1 . Here, W 1 is the weight of the electrolyte membrane in a dry state before graft chain formation, and W 2 is the weight of the electrolyte membrane in a dry state after graft chain formation.

量子ビームとしては、例えば、電子ビーム、イオンビーム、中性子ビーム、γ線を用いることができる。電子ビームの照射条件は、特に限定されるものではないが、例えば、加速電圧150[kV]〜200[kV]、電流値1.0[mA]、1pass当たりの吸収線量50[kGy]、N雰囲気とすることができる。イオンビームの照射条件は、特に限定されるものではないが、例えば、エネルギー6[MeV/u]、照射線量1.0×1010[ions/cm]、フラックス2.45×10[ions/sec・cm]、真空中(5×10−4[Pa]以下)とすることができる。 As the quantum beam, for example, an electron beam, an ion beam, a neutron beam, or a γ ray can be used. The irradiation conditions of the electron beam are not particularly limited. For example, the acceleration voltage is 150 [kV] to 200 [kV], the current value is 1.0 [mA], the absorbed dose per pass is 50 [kGy], and the N 2 atmosphere. It can be. The ion beam irradiation conditions are not particularly limited. For example, energy 6 [MeV / u], irradiation dose 1.0 × 10 10 [ions / cm 2 ], flux 2.45 × 10 8 [ions / sec · cm] 2 ] and in vacuum (5 × 10 −4 [Pa] or less).

次いで、無機系粒子形成剤としてのTEOS(テトラエトキシシラン)と、HOと、MeOHとを所定の割合で混合させ、シリカ粒子を含有した含浸液を作製し、図24Aに示すように、容器40内に貯留させた含浸液42内に膜本体31を浸す。なお、TEOSと、HOと、MeOHとの割合としては、例えばTEOS:HO:MeOH(メタノール)=1:50:50(mol比)が好ましい。 Next, TEOS (tetraethoxysilane) as an inorganic particle forming agent, H 2 O, and MeOH are mixed at a predetermined ratio to prepare an impregnating liquid containing silica particles, as shown in FIG. The membrane main body 31 is immersed in the impregnating liquid 42 stored in the container 40. In addition, as a ratio of TEOS, H 2 O, and MeOH, for example, TEOS: H 2 O: MeOH (methanol) = 1: 50: 50 (mol ratio) is preferable.

次いで、図24Bに示すように、含浸液42内に膜本体31を浸した状態で超音波を当てて超音波洗浄を行うことにより、含浸液42を膜本体31の内部にまで含浸させる。次いで、含浸液42から膜本体41を取り出した後、精製水で洗浄してプロトン処理を行うことにより、図24Cに示すように本発明の電解質膜28を製造できる。このようにして製造された電解質膜28は、プロトンを電導するイオン交換基を含んだ有機系高分子材料と、無機系化合物たるシリカでなるシリカ粒子とを含み、有機系と無機系とがハイブリッド化された膜本体28aを備え、この膜本体28aの内部全体にシリカ粒子が均一に分散した構成となり得る。   Next, as shown in FIG. 24B, the impregnating liquid 42 is impregnated into the membrane main body 31 by performing ultrasonic cleaning by applying ultrasonic waves while the membrane main body 31 is immersed in the impregnating liquid 42. Next, after the membrane body 41 is taken out from the impregnating liquid 42, it is washed with purified water and subjected to proton treatment, whereby the electrolyte membrane 28 of the present invention can be manufactured as shown in FIG. 24C. The electrolyte membrane 28 manufactured in this manner includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons and silica particles made of silica, which is an inorganic compound, and a hybrid of organic and inorganic materials. The film body 28a can be provided, and the silica particles can be uniformly dispersed throughout the inside of the film body 28a.

(3‐3)第3の実施の形態による膜電極接合体についての検証試験
次に、上述した第3の実施の形態による電解質膜を作製して各種検証試験を行った。この場合、比較例として、市販のナフィオン(Nafion 登録商標 デュポン社製 製品名NRE-212)を電解質膜として用意した(NC)。次に、これとは別に比較例として下記の手順により電解質膜を作製した。先ず始めに、膜厚25[μm]のPFA膜を加工前の膜本体として用意し、当該膜本体の全面に量子ビームを照射してラジカルを生成した。この際、量子ビームとして電子ビーム(NHVコーポレーション社製キュアトロン)を用い、加速電圧200[kV]、電流値1.0[mA]、1pass当たりの吸収線量50[kGy]、N雰囲気で膜本体に照射した。次いで、スチレンモノマーを含有する反応液に膜本体を浸漬させて、スルホン酸基を導入した。これにより、グラフト率34[%]、含水膜厚44[μm]の膜本体を有した電解質膜を作製した。この検証試験では、このようにスルホン酸基を含み、かつグラフト率が34[%]の膜本体からなる電解質膜も、比較例として用意した(この電解質膜をS-PFAとも呼ぶ)。
(3-3) Verification Test for Membrane / Electrode Assembly According to Third Embodiment Next, the electrolyte membrane according to the third embodiment described above was manufactured and various verification tests were performed. In this case, as a comparative example, commercially available Nafion (product name NRE-212 manufactured by Nafion registered trademark DuPont) was prepared as an electrolyte membrane (NC). Next, as another comparative example, an electrolyte membrane was prepared according to the following procedure. First, a PFA film having a film thickness of 25 [μm] was prepared as a film body before processing, and a radical was generated by irradiating the entire surface of the film body with a quantum beam. At this time, an electron beam (Curetron manufactured by NHV Corporation) is used as a quantum beam, and an acceleration voltage of 200 [kV], a current value of 1.0 [mA], an absorbed dose per pass of 50 [kGy], and an N 2 atmosphere are applied to the film body. Irradiated. Subsequently, the membrane body was immersed in a reaction solution containing a styrene monomer to introduce sulfonic acid groups. As a result, an electrolyte membrane having a membrane main body with a graft ratio of 34 [%] and a water-containing film thickness of 44 [μm] was produced. In this verification test, an electrolyte membrane comprising a membrane body containing a sulfonic acid group and having a graft ratio of 34% was also prepared as a comparative example (this electrolyte membrane is also referred to as S-PFA).

次いで、これとは別に、実施例となる電解質膜28を下記の手順により作製した。この場合、TEOSと、HOと、MeOHとを1:50:50(mol比)の割合で混合して含浸液を作製した。次いで、上述したスルホン酸基を含み、かつグラフト率が34[%]の電解質膜(S‐PFA)を、含浸液内に浸した後、30[min]超音波を照射して含浸液を当該電解質膜(S‐PFA)内に十分含浸させた後、ゾルゲル反応によって硬化し、実施例となる電解質膜28を作製した(以下、これをS‐PFA/Silicaと呼ぶ)。 Next, separately from this, an electrolyte membrane 28 as an example was produced by the following procedure. In this case, TEOS, H 2 O, and MeOH were mixed at a ratio of 1:50:50 (mol ratio) to prepare an impregnation solution. Next, after immersing the electrolyte membrane (S-PFA) containing the sulfonic acid group described above and having a graft ratio of 34% in the impregnating liquid, the impregnating liquid is irradiated with 30 [min] ultrasonic waves. The electrolyte membrane (S-PFA) was sufficiently impregnated and then cured by a sol-gel reaction to produce an electrolyte membrane 28 as an example (hereinafter referred to as S-PFA / Silica).

そして、これら比較例(NC、S‐PFA)および実施例(S‐PFA/Silica)の各電解質膜について、それぞれ蛍光X線元素分析を行ったところ、図25A、図25B、および図25Cに示すような結果が得られた。図25Aは比較例である電解質膜(NC)の蛍光X線分析の解析結果であり、図25Bは同じく比較例である電解質膜(S‐PFA)の蛍光X線分析の解析結果であり、図25Cは本発明による電解質膜(S‐PFA/Silica)の蛍光X線分析の解析結果を示す。これら図25A、図25B、および図25Cの結果から、比較例の電解質膜(NC、S‐PFA)には、いずれにもシリカの存在を示すピーク(109[deg])が表れておらず、これに対して実施例である電解質膜(S‐PFA/Silica)には、無機系化合物であるシリカの存在を示すピークが表れていた。このことから、実施例である電解質膜(S‐PFA/Silica)は、シリカが存在しており、有機系と無機系とをハイブリット化できていることが確認できた。   Then, X-ray fluorescence elemental analysis was performed on each of the electrolyte membranes of these comparative examples (NC, S-PFA) and Example (S-PFA / Silica), and the results are shown in FIGS. 25A, 25B, and 25C. The result was obtained. FIG. 25A shows the analysis result of the fluorescent X-ray analysis of the electrolyte membrane (NC) as a comparative example, and FIG. 25B shows the analysis result of the fluorescent X-ray analysis of the electrolyte membrane (S-PFA) as a comparative example. 25C shows the analysis result of the fluorescent X-ray analysis of the electrolyte membrane (S-PFA / Silica) according to the present invention. From the results of FIG. 25A, FIG. 25B, and FIG. 25C, the electrolyte membrane (NC, S-PFA) of the comparative example does not show any peak (109 [deg]) indicating the presence of silica, On the other hand, the electrolyte membrane (S-PFA / Silica) as an example showed a peak indicating the presence of silica as an inorganic compound. From this, it was confirmed that the electrolyte membrane (S-PFA / Silica) as an example had silica and was able to hybridize an organic system and an inorganic system.

次に、これら比較例の電解質膜(NC、S‐PFA)、および実施例の電解質膜(S‐PFA/Silica)について、含水膜厚(μm)と、乾燥膜厚(μm)と、WU(%)と、膨潤率(%)とを調べたところ、図26示すような結果が得られた。なお、乾燥膜厚は、60[℃]で2時間、加熱して電解質膜を乾燥させた後、マイクロメータにて測定した膜厚である。   Next, regarding the electrolyte membranes of these comparative examples (NC, S-PFA) and the electrolyte membranes of the examples (S-PFA / Silica), the water-containing film thickness (μm), the dry film thickness (μm), and WU ( %) And the swelling rate (%) were examined, and the results shown in FIG. 26 were obtained. The dry film thickness is a film thickness measured with a micrometer after drying the electrolyte membrane by heating at 60 [° C.] for 2 hours.

図26の結果から、膜本体を含浸液に浸してゾルゲル反応により作製した実施例の電解質膜28は、比較例となるスルホン酸基を含み、かつグラフト率が34[%]の電解質膜(S‐PFA)に比べて膨潤率が低くなっており、膨潤による変形が抑制されていることが確認できた。   From the results of FIG. 26, the electrolyte membrane 28 of the example manufactured by immersing the membrane body in the impregnating solution by the sol-gel reaction contains an electrolyte membrane (S) containing a sulfonic acid group as a comparative example and having a graft ratio of 34%. As compared with -PFA), the swelling rate was low, and it was confirmed that deformation due to swelling was suppressed.

次に、これら比較例の電解質膜(NC、S‐PFA)、および実施例の電解質膜(S‐PFA/Silica)に対し、電流密度および出力電圧の関係と、電流密度および出力密度の関係とを調べたところ、図27および図28に示すような結果が得られた。なお、ここでの発電条件は、温度60[℃]、燃料として水素、酸化剤として酸素を用いた。また、水素は16[%]加湿とした。なお、アノード電極3の触媒層は、Ptが1[mg/cm]、Pt/cが20[wt%]となるようにカーボンペーパーにPtを塗布して形成した。カソード電極4の触媒層は、Ptが1[mg/cm]、Pt/cが20[wt%]となるようにカーボンペーパーにPtを塗布して形成した。 Next, for the electrolyte membranes of these comparative examples (NC, S-PFA) and the electrolyte membrane of the example (S-PFA / Silica), the relationship between the current density and the output voltage, and the relationship between the current density and the output density As a result, the results as shown in FIGS. 27 and 28 were obtained. The power generation conditions used here were a temperature of 60 [° C.], hydrogen as a fuel, and oxygen as an oxidant. Hydrogen was 16% humidified. The catalyst layer of the anode electrode 3 was formed by applying Pt to carbon paper so that Pt was 1 [mg / cm 2 ] and Pt / c was 20 [wt%]. The catalyst layer of the cathode electrode 4 was formed by applying Pt to carbon paper so that Pt was 1 [mg / cm 2 ] and Pt / c was 20 [wt%].

なお、図27および図28では、実施例の電解質膜(S‐PFA/Silica)について「含浸膜」とも表記している。これら図27および図28の結果から、膜本体内にシリカ粒子を分散させた実施例の電解質膜(S‐PFA/Silica:含浸膜)は、比較例の電解質膜(NC)や、他の比較例の電解質膜(S‐PFA)に比べて、電流密度や、出力電圧、出力密度が向上することが確認できた。また、膜本体内にシリカ粒子を分散させた実施例の電解質膜(S‐PFA/Silica:含浸膜)は、比較例の電解質膜(NC)や、他の比較例の電解質膜(S‐PFA)に比べて、OCVが増加しており、ガスバリア性および耐久性が向上していることが確認できた。   27 and 28, the electrolyte membrane (S-PFA / Silica) of the example is also referred to as “impregnated membrane”. From the results of FIGS. 27 and 28, the electrolyte membrane (S-PFA / Silica: impregnated membrane) of the example in which silica particles are dispersed in the membrane body is the electrolyte membrane (NC) of the comparative example and other comparisons. Compared to the electrolyte membrane (S-PFA) in the example, it was confirmed that the current density, output voltage, and output density were improved. In addition, the electrolyte membrane (S-PFA / Silica: impregnated membrane) in which the silica particles are dispersed in the membrane body is the electrolyte membrane (NC) of the comparative example or the electrolyte membrane (S-PFA) of another comparative example. Compared to), the OCV increased, confirming that the gas barrier properties and durability were improved.

次に、これら比較例の電解質膜(NC)や、他の比較例の電解質膜(S‐PFA)、実施例の電解質膜28(S‐PFA/Silica)を用いてそれぞれ作製した膜電極接合体毎に、縦軸に虚数のインピータンス(‐ImZ[mohmcm])を示し、横軸に実数のインピータンス(ReZ[mohmcm])を示すCole‐Coleプロットを調べたところ、図29に示すような結果が得られた。さらに、得られたCole‐Coleプロットの各波形から、各電解質膜について、膜抵抗RSと反応抵抗RPとを読み取ったところ、図30のような結果が得られた。 Next, membrane electrode assemblies prepared using the electrolyte membrane (NC) of these comparative examples, the electrolyte membrane (S-PFA) of other comparative examples, and the electrolyte membrane 28 (S-PFA / Silica) of the examples. Each time, the Cole-Cole plot showing the imaginary impedance (−ImZ [mohm * cm 2 ]) on the vertical axis and the real impedance (ReZ [mohm * cm 2 ]) on the horizontal axis was examined. The result as shown in FIG. 29 was obtained. Further, when the membrane resistance R S and the reaction resistance R P were read for each electrolyte membrane from each waveform of the obtained Cole-Cole plot, the result as shown in FIG. 30 was obtained.

なお、図30では、図10に示したように、Cole‐Coleプロットの軌跡のうち実数のインピータンスの最小値を膜抵抗RSとし、一方、Cole‐Coleプロットの半円状波形の直径を反応抵抗RPとしている。図30から、膜本体内にシリカ粒子を分散させた実施例の電解質膜(S‐PFA/Silica:含浸膜)は、比較例の電解質膜(NC)や、他の比較例の電解質膜(S‐PFA)に比べて、膜抵抗RSが上がっているものの、反応抵抗RPについては低減できていることが確認できた。 In FIG. 30, as shown in FIG. 10, the minimum value of the real impedance in the locus of the Cole-Cole plot is the membrane resistance R S , while the diameter of the semicircular waveform of the Cole-Cole plot is The reaction resistance is R P. FIG. 30 shows that the electrolyte membrane (S-PFA / Silica: impregnated membrane) in which the silica particles are dispersed in the membrane body is the electrolyte membrane (NC) of the comparative example or the electrolyte membrane (S It was confirmed that the reaction resistance R P could be reduced, although the film resistance R S was increased as compared to -PFA).

(3‐4)作用および効果
以上の構成において、電解質膜28では、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料と、無機系化合物たるシリカでなるシリカ粒子とを含み、有機系と無機系とをハイブリッド化させた膜本体28aを有し、この膜本体28aの内部にシリカ粒子を均一に分散させるようにした。これにより、電解質膜28では、燃料電池20に用いた際、膜本体28a内に分散されたシリカ粒子により、燃料や酸化剤の分子の透過を抑制し得、かくしてガスバリア性を向上し得る。
(3-4) Actions and Effects In the above configuration, the electrolyte membrane 28 includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons, and silica particles made of silica, which is an inorganic compound. A film body 28a hybridized with an inorganic material was provided, and silica particles were uniformly dispersed inside the film body 28a. Thereby, in the electrolyte membrane 28, when used in the fuel cell 20, the silica particles dispersed in the membrane main body 28a can suppress the permeation of molecules of the fuel and the oxidant, and thus the gas barrier property can be improved.

また、この電解質膜28では、ガスバリア性の向上によって、燃料のクロスオーバーが低減できることから、その分、燃料のクロスオーバーにより生じる過酸化物による膜劣化を抑制し得、耐久性を向上し得る。さらに、この電解質膜28では、膜本体28a内にシリカ粒子を分散させて、有機系と無機系をハイブリッド化させたことにより、高出力を得ることができる。   Further, in the electrolyte membrane 28, since the crossover of the fuel can be reduced by improving the gas barrier property, the membrane deterioration due to the peroxide generated by the crossover of the fuel can be suppressed correspondingly, and the durability can be improved. Further, in the electrolyte membrane 28, high output can be obtained by dispersing silica particles in the membrane body 28a to hybridize the organic and inorganic systems.

また、電解質膜28では、膜本体28a内にシリカ粒子を分散させた構成としたことで、形状保持性が向上し、その分、発電時における膨潤による変形を抑制し得、耐膨潤性をも向上させることができる。   In addition, the electrolyte membrane 28 has a configuration in which silica particles are dispersed in the membrane main body 28a, so that shape retention is improved, so that deformation due to swelling during power generation can be suppressed, and swelling resistance can be suppressed. Can be improved.

そして、このような電解質膜28の製造方法では、先ず始めに、疎水性の有機系高分子材料で形成された膜本体の全部または一部に、量子ビームを照射して親水性の領域を形成した後、膜本体の親水性の領域にてスチレンモノマーをグラフト重合する。次いで、プロトンを電導するイオン交換基を導入した後、無機系粒子形成剤を含有した含浸液に膜本体を含浸させてゾルゲル反応により硬化させることにより、有機系高分子材料とシリカ粒子とを含み、有機系と無機系とをハイブリッド化させた電解質膜28を製造できる。   In such a manufacturing method of the electrolyte membrane 28, first, a hydrophilic region is formed by irradiating a quantum beam to all or part of the membrane body made of a hydrophobic organic polymer material. After that, styrene monomer is graft-polymerized in the hydrophilic region of the membrane body. Next, after introducing an ion exchange group that conducts protons, the membrane body is impregnated with an impregnating liquid containing an inorganic particle forming agent and cured by a sol-gel reaction, thereby containing an organic polymer material and silica particles. In addition, the electrolyte membrane 28 in which the organic type and the inorganic type are hybridized can be manufactured.

(4)他の実施の形態
なお、上述した第3の実施の形態の場合においては、膜本体28aの全面にグラフト鎖を形成して親水性を有するようにし、膜本体28a内部全体にスルホン酸基を導入した後、この領域に含浸液を含ませてゾルゲル反応により硬化させた電解質膜28について述べたが、本発明はこれに限らず、膜本体28aの一部領域にだけグラフト鎖を形成して親水性を有するようにし、膜本体28aの一部領域にだけスルホン酸基を導入した後、この一部領域に含浸液を含ませてゾルゲル反応により硬化させた電解質膜としてもよい。
(4) Other Embodiments In the case of the third embodiment described above, a graft chain is formed on the entire surface of the membrane body 28a so as to have hydrophilicity, and the entire inside of the membrane body 28a is sulfonated. Although the electrolyte membrane 28 in which the impregnating solution is contained in this region and cured by the sol-gel reaction after the introduction of the group has been described, the present invention is not limited thereto, and a graft chain is formed only in a partial region of the membrane body 28a. The electrolyte membrane may be made hydrophilic so that a sulfonic acid group is introduced only into a partial region of the membrane main body 28a, and an impregnating solution is contained in the partial region and cured by a sol-gel reaction.

この場合、電解質膜は、プロトンを電導するイオン交換基を含む親水部と、疎水性材料で形成された疎水部とで構成され、当該親水部内に無機系化合物の粒子が分散した構成となり得る。   In this case, the electrolyte membrane can be composed of a hydrophilic portion containing an ion exchange group that conducts protons and a hydrophobic portion formed of a hydrophobic material, and particles of an inorganic compound can be dispersed in the hydrophilic portion.

この種の電解質膜の製造方法としては、先ず始めに、疎水性の有機系高分子材料で形成された膜本体の一部に量子ビームを照射して親水性の領域を形成した後、この親水性の領域内にグラフト鎖を形成する。次いで、親水性を有した親水部内にスルホン酸基を導入するとともに、ゾルゲル反応によって、当該親水部内に無機系化合物の粒子を均一に分散させた状態で親水部を硬化させることにより、親水部内に無機系化合物の粒子が分散した電解質膜を製造できる。この場合、電解質膜は、製造過程において、量子ビームを選択的に照射することにより、疎水部を格子状に形成する等して、親水部の周辺を囲むように疎水部を形成することもできる。   In order to manufacture this type of electrolyte membrane, first, a hydrophilic region is formed by irradiating a part of the membrane body formed of a hydrophobic organic polymer material with a quantum beam, and then The graft chain is formed in the sex region. Next, a sulfonic acid group is introduced into the hydrophilic part having hydrophilicity, and the hydrophilic part is cured in a state in which particles of the inorganic compound are uniformly dispersed in the hydrophilic part by a sol-gel reaction. An electrolyte membrane in which particles of an inorganic compound are dispersed can be produced. In this case, the electrolyte membrane can be formed so as to surround the periphery of the hydrophilic portion by selectively irradiating the quantum beam in the manufacturing process to form the hydrophobic portion in a lattice shape, for example. .

また、上述した第3の実施の形態においては、従来のバインダーを用いて電解質膜28をアノード電極3およびカソード電極4に接合して一体化した膜電極接合体21を作製したが、本発明はこれに限らず、プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料と、無機系化合物たるシリカでなるシリカ粒子とを含み、有機系と無機系とをハイブリッド化させた第2の実施の形態のバインダーを用いて、電解質膜28をアノード電極3およびカソード電極4に接合して一体化した膜電極接合体21としてもよい。   In the above-described third embodiment, the membrane electrode assembly 21 in which the electrolyte membrane 28 is joined to the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 by using a conventional binder is manufactured. The second embodiment is not limited to this, and includes an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons and silica particles made of silica, which is an inorganic compound, and a hybrid of organic and inorganic materials. The membrane electrode assembly 21 may be formed by bonding the electrolyte membrane 28 to the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 and using the binder of the form.

このような膜電極接合体は、上述した第2の実施の形態と同様に、燃料電池に用いられた際、バインダー内に分散されたシリカ粒子によっても、燃料や酸化剤の分子の透過を抑制し得、かくしてガスバリア性を向上し得る。また、この膜電極接合体では、ガスバリア性の向上によって、燃料のクロスオーバーが低減されることから、その分、燃料のクロスオーバーにより生じる過酸化物による膜劣化を一段と抑制し得、耐久性を向上し得る。さらに、この膜電極接合体では、バインダー内にシリカ粒子を分散させて、有機系と無機系をハイブリッド化させたことにより、出力電圧をも向上させることができる。   Similar to the second embodiment described above, such a membrane electrode assembly suppresses permeation of fuel and oxidant molecules even when used in a fuel cell, even with silica particles dispersed in a binder. Thus, gas barrier properties can be improved. Further, in this membrane electrode assembly, fuel crossover is reduced by improving the gas barrier property, and accordingly, membrane deterioration due to peroxide caused by fuel crossover can be further suppressed, and durability is improved. It can improve. Furthermore, in this membrane electrode assembly, the output voltage can be improved by dispersing silica particles in the binder and hybridizing the organic and inorganic systems.

また、この場合、膜電極接合体では、バインダーもシリカ粒子を分散させた構成としたことで、その分、形状保持性が向上し、発電時における膨潤による変形を抑制し得、耐膨潤性をも向上させることができる。   In this case, in the membrane / electrode assembly, since the binder is also composed of silica particles dispersed therein, the shape retention is improved accordingly, deformation due to swelling during power generation can be suppressed, and swelling resistance can be improved. Can also be improved.

さらに、上述した第1〜第3の実施の形態においては、燃料電池として、燃料として水素を用い、酸化剤として酸素を用いた高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)について説明したが、本発明はこれに限らず、燃料として水素の替わりにメタノールを用い、酸化剤として酸素を用いたダイレクトメタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)を適用してもよい。   Furthermore, in the first to third embodiments described above, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant has been described as a fuel cell. However, the present invention is not limited to this, and a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel instead of hydrogen and using oxygen as an oxidant may be applied.

なお、上述した第1〜第3の実施の形態においては、カチオン(H+)が移動するカチオン系の電解質膜5,28と、同じくカチオン系のバインダーを用いた燃料電池1,16,20について説明したが、本発明はこれに限らず、OH-等のアニオンが移動するアニオン系の電解質膜と、同じくアニオン系のバインダーを用いた燃料電池について、本発明の電解質膜5,28や膜電極接合体2,21を適用してもよい。 In the first to third embodiments described above, the cationic electrolyte membranes 5 and 28 in which cations (H + ) move and the fuel cells 1, 16, and 20 using the same cationic binder are used. It has been described, the present invention is not limited thereto, OH - or the like of the electrolyte membrane anionic anion moves, also the fuel cell using anionic binder, an electrolyte membrane 5 and 28 and membrane electrode of the present invention The joined bodies 2 and 21 may be applied.

1、16、20 燃料電池
2、21 膜電極接合体
3 アノード電極
4 カソード電極
5、28 電解質膜
5a、28a 膜本体
10 スルホン酸基(イオン交換基)
11 シリカ粒子(粒子)
1, 16, 20 Fuel cell
2, 21 Membrane electrode assembly
3 Anode electrode
4 Cathode electrode
5, 28 Electrolyte membrane
5a, 28a Membrane body
10 Sulfonic acid groups (ion exchange groups)
11 Silica particles (particles)

Claims (14)

燃料電池に用いられる電解質膜において、
プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料と、無機系化合物でなる粒子とを含み、有機系と無機系とをハイブリッド化させた膜本体を有し、
前記膜本体の内部には前記粒子が分散されている
ことを特徴とする電解質膜。
In electrolyte membranes used in fuel cells,
An organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons and particles made of an inorganic compound, and having a membrane body in which an organic system and an inorganic system are hybridized,
The electrolyte membrane, wherein the particles are dispersed inside the membrane body.
前記無機系化合物がシリカであり、前記粒子としてシリカ粒子が前記膜本体内に分散されている
ことを特徴とする請求項1記載の電解質膜。
The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the inorganic compound is silica, and silica particles are dispersed in the membrane body as the particles.
前記膜本体内における前記シリカ粒子の含有量が7.5±2.0[Wt%]である
ことを特徴とする請求項2記載の電解質膜。
3. The electrolyte membrane according to claim 2, wherein the content of the silica particles in the membrane body is 7.5 ± 2.0 [Wt%].
ゾルゲル反応によって前記粒子が内部に分散した前記膜本体が形成されている
ことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項記載の電解質膜。
The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the membrane main body in which the particles are dispersed is formed by a sol-gel reaction.
前記膜本体は、前記イオン交換基を含む親水性を有した親水部と、疎水性材料で形成された疎水部とを有する
ことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項記載の電解質膜。
5. The membrane body according to claim 1, wherein the membrane main body includes a hydrophilic portion having hydrophilicity including the ion exchange group and a hydrophobic portion formed of a hydrophobic material. Electrolyte membrane.
前記膜本体は、
前記親水部がグラフト重合により形成されている
ことを特徴とする請求項5記載の電解質膜。
The membrane body is
The electrolyte membrane according to claim 5, wherein the hydrophilic portion is formed by graft polymerization.
燃料が供給されるアノード電極と、
酸化剤が供給されるカソード電極とを備えており、
前記アノード電極と前記カソード電極との間には、請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の電解質膜が設けられている
ことを特徴とする膜電極接合体。
An anode electrode supplied with fuel;
A cathode electrode supplied with an oxidizing agent,
The membrane electrode assembly, wherein the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6 is provided between the anode electrode and the cathode electrode.
前記アノード電極および前記電解質膜間と、前記カソード電極および前記電解質膜間とのうち少なくともいずれか一方が、無機系化合物でなる粒子を含有したバインダーにより接合されている
ことを特徴とする請求項7記載の膜電極接合体。
8. The anode electrode and the electrolyte membrane and at least one of the cathode electrode and the electrolyte membrane are joined by a binder containing particles made of an inorganic compound. The membrane electrode assembly as described.
前記バインダーに含有されている前記粒子は、シリカ粒子である
ことを特徴とする請求項8記載の膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 8, wherein the particles contained in the binder are silica particles.
前記バインダーに含有されている前記シリカ粒子の含有量が7.5±5.0[Wt%]である
ことを特徴とする請求項9記載の膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 9, wherein the content of the silica particles contained in the binder is 7.5 ± 5.0 [Wt%].
対をなすセパレータ間に、請求項7または8記載の膜電極接合体を備えた
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 7 or 8 between a pair of separators.
燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法において、
プロトンを電導するイオン交換基を含む有機系高分子材料が分散された有機系分散液と、無機系粒子形成剤とを混合させた混合溶液を作製する混合溶液作製工程と、
ゾルゲル反応により前記混合溶液を膜状に硬化させることにより、無機系化合物でなる粒子が分散した膜本体を形成し、有機系と無機系とをハイブリッド化させた電解質膜を作製する膜作製工程とを
備えることを特徴とする電解質膜の製造方法。
In a method for producing an electrolyte membrane used in a fuel cell,
A mixed solution preparation step of preparing a mixed solution in which an organic dispersion liquid in which an organic polymer material containing an ion exchange group that conducts protons is dispersed and an inorganic particle forming agent are mixed;
A film preparation step of forming an electrolyte membrane in which an organic system and an inorganic system are hybridized by forming a film body in which particles made of an inorganic compound are dispersed by curing the mixed solution into a film by a sol-gel reaction; A method for producing an electrolyte membrane, comprising:
前記有機系高分子材料にはプロトンを電導するイオン交換基が含まれている
ことを特徴とする請求項12記載の電解質膜の製造方法。
The method for producing an electrolyte membrane according to claim 12, wherein the organic polymer material contains an ion exchange group that conducts protons.
燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法において、
疎水性の有機系高分子材料で形成された膜本体の全部または一部に量子ビームを照射して親水性の領域を形成する量子ビーム照射工程と、
前記膜本体にスチレンモノマーをグラフト重合するグラフト重合工程と、
プロトンを電導するイオン交換基を導入する導入工程と、
無機系粒子形成剤を含有した含浸液に前記膜本体を含浸させて、ゾルゲル反応により硬化させることにより、前記膜本体内に無機系化合物でなる粒子が分散し、有機系および無機系をハイブリッド化させた電解質膜を作製する膜作製工程と
を備えることを特徴とする電解質膜の製造方法。
In a method for producing an electrolyte membrane used in a fuel cell,
Quantum beam irradiation step of forming a hydrophilic region by irradiating a quantum beam to all or a part of a film body formed of a hydrophobic organic polymer material;
A graft polymerization step of graft-polymerizing a styrene monomer on the membrane body;
An introduction step of introducing an ion exchange group that conducts protons;
The membrane body is impregnated with an impregnating liquid containing an inorganic particle forming agent and cured by a sol-gel reaction to disperse particles made of an inorganic compound in the membrane body, thereby hybridizing the organic and inorganic systems. A method for producing an electrolyte membrane, comprising: a membrane production step for producing an electrolyte membrane.
JP2014123560A 2014-06-16 2014-06-16 Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for producing electrolyte membrane Pending JP2016004658A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014123560A JP2016004658A (en) 2014-06-16 2014-06-16 Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for producing electrolyte membrane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014123560A JP2016004658A (en) 2014-06-16 2014-06-16 Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for producing electrolyte membrane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2016004658A true JP2016004658A (en) 2016-01-12

Family

ID=55223815

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014123560A Pending JP2016004658A (en) 2014-06-16 2014-06-16 Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for producing electrolyte membrane

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2016004658A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019185909A (en) * 2018-04-04 2019-10-24 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Polymer electrolyte thin film

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06111827A (en) * 1992-09-25 1994-04-22 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Polymer solid oxide fuel cell
JPH09251857A (en) * 1996-03-15 1997-09-22 Agency Of Ind Science & Technol Solid ionic conductor
JP2003346837A (en) * 2002-05-28 2003-12-05 Asahi Kasei Corp High heat resistant ion exchange membrane
JP2005056787A (en) * 2003-08-07 2005-03-03 Japan Gore Tex Inc Solid polymer electrolyte membrane and fuel cell
JP2005150029A (en) * 2003-11-19 2005-06-09 Jsr Corp Proton conductor composition and proton conducting membrane
JP2006216559A (en) * 2005-02-04 2006-08-17 Samsung Sdi Co Ltd Fuel cell
JP2007073202A (en) * 2005-09-02 2007-03-22 Nissan Motor Co Ltd Manufacturing method of electrolyte membrane
JP2010103010A (en) * 2008-10-24 2010-05-06 Toyota Motor Corp Method for manufacturing electrolyte membrane
US20110183231A1 (en) * 2010-01-28 2011-07-28 Kumoh National Institute Of Technology Industry-Academic Cooperation Foundation High molecular nanocomposite membrane for direct methanol fuel cell, and membrane-electrode assembly and methanol fuel cell including the same
JP2013122915A (en) * 2011-11-08 2013-06-20 Waseda Univ Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for manufacturing electrolyte membrane

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06111827A (en) * 1992-09-25 1994-04-22 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Polymer solid oxide fuel cell
JPH09251857A (en) * 1996-03-15 1997-09-22 Agency Of Ind Science & Technol Solid ionic conductor
JP2003346837A (en) * 2002-05-28 2003-12-05 Asahi Kasei Corp High heat resistant ion exchange membrane
JP2005056787A (en) * 2003-08-07 2005-03-03 Japan Gore Tex Inc Solid polymer electrolyte membrane and fuel cell
JP2005150029A (en) * 2003-11-19 2005-06-09 Jsr Corp Proton conductor composition and proton conducting membrane
JP2006216559A (en) * 2005-02-04 2006-08-17 Samsung Sdi Co Ltd Fuel cell
JP2007073202A (en) * 2005-09-02 2007-03-22 Nissan Motor Co Ltd Manufacturing method of electrolyte membrane
JP2010103010A (en) * 2008-10-24 2010-05-06 Toyota Motor Corp Method for manufacturing electrolyte membrane
US20110183231A1 (en) * 2010-01-28 2011-07-28 Kumoh National Institute Of Technology Industry-Academic Cooperation Foundation High molecular nanocomposite membrane for direct methanol fuel cell, and membrane-electrode assembly and methanol fuel cell including the same
JP2013122915A (en) * 2011-11-08 2013-06-20 Waseda Univ Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for manufacturing electrolyte membrane

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019185909A (en) * 2018-04-04 2019-10-24 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Polymer electrolyte thin film
JP7093665B2 (en) 2018-04-04 2022-06-30 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング Polyelectrolyte thin film

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4728208B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE SAME
JP4390558B2 (en) Electrocatalyst layer for fuel cells
US11411226B2 (en) Electrode for fuel cells, membrane electrode assembly for fuel cells including the same, and method for manufacturing the same
US7803495B2 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell, method for preparing the same, and fuel cell system comprising the same
US8026016B2 (en) Polymer electrolyte membrane and fuel cell employing the same
US20160301092A1 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell including same
CN1986613B (en) Polymer electrolyte membrane and fuel cell using the polymer electrolyte membrane
CN1716670A (en) Electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising the same
JP5064233B2 (en) Membrane processing method
KR20160039375A (en) Electrolyte membrane for fuel cell and preparation method thereof
JP4986219B2 (en) Electrolyte membrane
CN101029140A (en) Polymer membrane, method of preparing the same and fuel cell employing the same
US10418655B2 (en) Cathode catalyst layer for fuel cells, method of manufacturing the same and membrane-electrode assembly for fuel cells including the same
JP2016004658A (en) Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, and method for producing electrolyte membrane
JP5326288B2 (en) Solid polymer electrolyte membrane, method for producing the same, membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell
JP5316413B2 (en) Solid polymer electrolyte membrane, method for producing solid polymer electrolyte membrane, and fuel cell
JP2002313365A (en) Polymer ion exchange thin-membrane and its manufacturing method
JP4586358B2 (en) Fuel cell system
JP2009187799A (en) Membrane electrode composite and fuel cell
JP5114047B2 (en) Method for producing polymer electrolyte membrane
JP2024066015A (en) Catalyst layer for fuel cell, electrolyte membrane-electrode assembly and fuel cell
KR20240085579A (en) Antioxidant for gas diffusion layer, gas diffusion layer including the same and manufacturing method thereof
JP2007329067A (en) Electrolyte membrane / electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same
KR20230145721A (en) Electrolyte membrane with excellent durability and proton conductivity and fuel cell comprising the same
JP2009231123A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170606

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20170606

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20170606

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180327

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180410

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20181030