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JP4274892B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description

本発明は、高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

高分子電解質型燃料電池は、プロトン伝導性の高分子電解質薄膜と、アノードおよびカソードの反応電極と、それぞれの反応電極の周縁部に配置したガスケット状のシール材、さらにカ−ボンあるいは金属製のバイポーラ板と、バイポーラ板を冷却するための冷却板とにより構成する。   A polymer electrolyte fuel cell is composed of a proton conductive polymer electrolyte thin film, anode and cathode reaction electrodes, gasket-like sealing material disposed at the periphery of each reaction electrode, carbon or metal It comprises a bipolar plate and a cooling plate for cooling the bipolar plate.

電池の電気化学反応を起こす電極触媒層の構成は、貴金属触媒を担持したカーボン粉末と、前述のプロトン伝導性の高分子電解質薄膜と同じ材料とを混合したものを用いる。また、必要によりフルオロカーボン化合物系の撥水材をこれに添加する。反応電極は、前述の電極触媒層とガス拡散層とを接合した構成を有する。   The electrode catalyst layer that causes the electrochemical reaction of the battery uses a mixture of carbon powder supporting a noble metal catalyst and the same material as the proton conductive polymer electrolyte thin film described above. If necessary, a fluorocarbon compound-based water repellent material is added thereto. The reaction electrode has a configuration in which the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer are joined.

アノードおよびカソードの構成材料は、純水素を燃料として用いる場合、同一のものを使用することが可能である。炭化水素系燃料を改質した水素リッチなガスを燃料とする場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素による貴金属触媒の被毒を抑制するため、アノード側のみにルテニウムなどの耐CO被毒材料を添加することも提案されている。   The constituent materials of the anode and the cathode can be the same when using pure hydrogen as a fuel. When hydrogen-rich gas obtained by reforming hydrocarbon fuel is used as fuel, in order to suppress poisoning of noble metal catalyst by carbon monoxide contained in the reformed gas, only the anode side is resistant to CO poisoning such as ruthenium. It has also been proposed to add materials.

高分子電解質は、側鎖の末端にスルホン基をペンダントした炭化フッ素系の高分子を用いることが出来る。この電解質は水分を含んだ状態でプロトン伝導性を有する。そのため電池を作動させるためには、高分子電解質を常に水分を含んだ状態にする必要がある。水分を含んだ状態での高分子電解質は、末端のスルホン基から解離するH+により、強い酸性を呈する。このため、電解質と直接接する部分の材料には耐酸性が要求される。また、反応電極中にも電解質と同等の材料を混合するため、反応電極と直接接する部分に使用する材料にも耐酸性が要求される。以上の理由により、これまで電解質と直接接するガスケット等のシール材には、耐酸性の強いフルオロカーボン系の高分子材料が用いられてきた。 As the polymer electrolyte, a fluorocarbon polymer having a pendant sulfone group at the end of the side chain can be used. This electrolyte has proton conductivity in a state containing moisture. Therefore, in order to operate the battery, it is necessary to always keep the polymer electrolyte in a state containing moisture. The polymer electrolyte in a moisture-containing state exhibits strong acidity due to H + dissociated from the terminal sulfone group. For this reason, acid resistance is required for the material of the portion in direct contact with the electrolyte. In addition, since the same material as the electrolyte is mixed in the reaction electrode, acid resistance is also required for the material used for the portion in direct contact with the reaction electrode. For these reasons, fluorocarbon polymer materials with strong acid resistance have been used for sealing materials such as gaskets that are in direct contact with the electrolyte.

一方、反応電極の周縁部にはガスケット状のシール材を配置し、これを一対のバイポーラ板で挟持し、それぞれのカソードおよびアノード反応電極に供給した燃料ガスを外部に逃がさないようにする。従来、フッ素系樹脂等の硬いガスケットを予め電極の周縁部に設置した後、バイポーラ板で挟持していたため、電極とガスケットの厚みを予め精度良く調整しておく必要があった。   On the other hand, a gasket-like sealing material is disposed on the peripheral edge of the reaction electrode, and is sandwiched between a pair of bipolar plates so that the fuel gas supplied to each cathode and anode reaction electrode is not released to the outside. Conventionally, since a hard gasket such as a fluorine-based resin has been previously installed on the peripheral edge of the electrode and then sandwiched between bipolar plates, it has been necessary to adjust the thickness of the electrode and gasket in advance with high accuracy.

しかし、ガスケットがゴム状の弾力性を有すれば、厳密な寸法精度は必要なく、ある程度の厚み調整でガスケットとしての機能を果たすことが可能となる。そこで、ガスケットに求められる特性として、耐酸性と共に、ゴム状の弾力性を有することが望ましい。そのため、フッ素系樹脂と比較すると耐酸性は劣るが、弾力性を有するエチレン−プロピレン−ジエン系ゴム(EPDM)等がガスケット材料として使用される場合もあった。   However, if the gasket has rubber-like elasticity, strict dimensional accuracy is not required, and it is possible to fulfill the function as a gasket with a certain degree of thickness adjustment. Thus, it is desirable that the gasket has a rubber-like elasticity as well as acid resistance. For this reason, acid resistance is inferior to that of fluororesin, but elastic ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or the like may be used as a gasket material.

また、バイポーラ板は、電極と直接接するため耐酸性が要求されると同時に、ガスタイトであり、高い電気伝導性を有することが求められる。また、酸化剤として空気を用いる場合には、カソードに供給される空気の流速を高めて、生成する水または水蒸気を効率良く排除する必要がある。そこでバイポーラ板のガス流路構造には、第1図に示したような、通常サーペンタイン型と呼ばれる複雑な流路構造が用いられてきた。バイポーラ板の材料は、ガスタイトである緻密カーボン板や、樹脂を含浸したカーボン板、あるいはグラッシーカーボン等のカーボン系材料を用い、これに切削加工を施し、ガス流通溝を設けてバイポーラ板とした。また、必要により耐食性合金板を切削加工し、また貴金属メッキを施してバイポーラ板として用いてきた。   In addition, since the bipolar plate is in direct contact with the electrode, acid resistance is required, and at the same time, the bipolar plate is required to be gas tight and have high electrical conductivity. In addition, when air is used as the oxidant, it is necessary to efficiently remove water or water vapor generated by increasing the flow rate of air supplied to the cathode. Therefore, a complicated flow channel structure generally called a serpentine type as shown in FIG. 1 has been used for the gas flow channel structure of the bipolar plate. The material of the bipolar plate is a dense carbon plate that is gas tight, a carbon plate impregnated with a resin, or a carbon-based material such as glassy carbon, and this is subjected to cutting and a gas flow groove is provided to form a bipolar plate. Further, if necessary, a corrosion-resistant alloy plate is cut and plated with a noble metal and used as a bipolar plate.

さらに、必要に応じ、電極と接する電気伝導性の必要な部位にのみ、前記カーボン系材料や耐食性金属材料を用い、周辺部のマニホールド部などの電気伝導性の必要ない部分には樹脂を使った複合材料のバイポーラ板等の試みもあった。
また、カーボン粉末や金属粉末と樹脂とを混合し、プレスまたは射出成形により成形することも提案されている。
In addition, if necessary, the carbon-based material or the corrosion-resistant metal material is used only for the part that needs electrical conductivity in contact with the electrode, and the resin is used for a part that does not require electrical conductivity, such as a peripheral manifold part. There have also been attempts to use bipolar plates for composite materials.
It has also been proposed to mix carbon powder or metal powder with a resin and form it by pressing or injection molding.

しかしながら、フルオロカーボン系の材料をガスケット等のシール材に用いると、高コストであるという課題がある。また、フルオロカーボン系の材料は一般に樹脂としては非常に硬く、ガスまたは冷却水をシールするためには非常に大きな荷重でガスケットを締め付けなければならない。そのため、多孔質なフルオロカーボン系の材料を用いる試みや、ペースト状のフルオロカーボン材料をバイポーラ板などに塗布し、乾燥または半乾燥状態で用いる試みがなされているが、多孔質なフルオロカーボン系の材料は依然として高価である。加えて、多孔性が無くなるまで荷重をかけて締め付けなければ十分なシール効果が得られないという課題があった。   However, when a fluorocarbon material is used for a sealing material such as a gasket, there is a problem that the cost is high. In addition, fluorocarbon materials are generally very hard as a resin, and a gasket must be tightened with a very large load in order to seal gas or cooling water. For this reason, attempts have been made to use porous fluorocarbon-based materials and paste-type fluorocarbon materials applied to bipolar plates and the like, and attempts have been made to use them in a dry or semi-dried state. However, porous fluorocarbon-based materials are still used. Expensive. In addition, there is a problem that a sufficient sealing effect cannot be obtained unless a load is applied until the porosity is lost.

一方、シール材にペースト状のフルオロカーボン材料を用いても、材料自身が高価であることに変わりはなく、また乾燥させた状態では、やはり硬いため、塗布時の厚み調整が困難であった。また、EPDM等のゴム状材料は、フッ素系樹脂ほどの耐酸性を持たないため、長時間の使用には不向きである。さらに、一般的なEPDMは熱可塑性を有するため、80℃程度の電池運転温度で使用する場合には、経時的な変形を伴い、場合によってはガス流路を閉塞し、燃料の供給量を低下させるという課題があった。   On the other hand, even if a paste-like fluorocarbon material is used for the sealing material, the material itself is still expensive, and it is still hard in the dried state, so that it is difficult to adjust the thickness at the time of application. In addition, rubber-like materials such as EPDM are not suitable for long-time use because they do not have acid resistance as high as that of fluorine-based resins. Furthermore, since general EPDM has thermoplasticity, when it is used at a battery operating temperature of about 80 ° C., it is accompanied by deformation over time, and in some cases, the gas flow path is blocked to reduce the amount of fuel supplied. There was a problem of making it happen.

さらに、バイポーラ板の材料に関しては、ガスタイトで緻密なカーボン板やグラッシーカーボンを用いた場合、ガス流路などの加工には切削加工を施さなければならない。これは、量産化・低コスト化の観点から、不向きである。また、樹脂を含浸したカーボン板を用いる場合には、樹脂がほとんど弾性を持たないため、ガス流路などの加工を施した後に樹脂を含浸すると、カーボン板に反りが発生する。そのため、予め樹脂を含浸した後に、ガス流路などの加工を行う必要があり、切削加工等による後処理が必要であった。また、フェノール樹脂やシリコン樹脂などを含浸材として用いた場合、耐酸性に問題があった。また、耐食性合金や貴金属メッキ板等を用いる場合にも、サーペンタイン型の流路構造を用いるためには切削加工が必要であった。   Furthermore, regarding the material of the bipolar plate, when a gas tight and dense carbon plate or glassy carbon is used, the gas flow path or the like must be cut. This is not suitable from the viewpoint of mass production and cost reduction. Further, when a carbon plate impregnated with resin is used, since the resin has little elasticity, if the resin is impregnated after processing such as a gas flow path, the carbon plate is warped. Therefore, after impregnating the resin in advance, it is necessary to process the gas flow path and the like, and post-processing such as cutting is necessary. In addition, when phenol resin or silicon resin is used as an impregnation material, there is a problem in acid resistance. Also, when using a corrosion-resistant alloy, a noble metal plating plate, or the like, cutting is necessary to use the serpentine type flow path structure.

さらに、カーボン粉末や金属粉末と樹脂とを混合し、プレスまたは射出成形により成形する場合も、樹脂自身に耐酸性が必要である。この点、フッ素系樹脂などの硬い材料を用いると流動性が低く、成形が難しかった。また、流動性が悪い樹脂を使用すると、樹脂の含有率を低減させる必要があるため、成型後に、ガスタイト性が必要な部位に再度樹脂などを含浸するなどの後処理が必要であり、それだけ構成が複雑になるという課題があった。   Furthermore, even when carbon powder or metal powder and a resin are mixed and molded by pressing or injection molding, the resin itself needs to have acid resistance. In this regard, when a hard material such as a fluorine-based resin is used, the fluidity is low and molding is difficult. Also, if a resin with poor fluidity is used, it is necessary to reduce the resin content. Therefore, after molding, post-treatment such as re-impregnating the resin with a part that requires gas tightness is necessary, and it is configured accordingly. There was a problem that became complicated.

以上の課題を解決するため、本発明は、固体高分子電解質膜を挟む一対の反応電極を、前記反応電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給排出するための一対のバイポーラ板で挟持し、前記バイポーラ板に冷却用治具を取り付けた高分子電解質型燃料電池であって、
前記バイポーラ板が、カーボン材料または金属材料と、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料とにより構成されており、R 1 とR 2 は末端の非官能基であり、Zは、官能基XとYとが結合して形成される官能基であり、官能基XおよびYは、いずれもアリル基であり、イソブチレンのくり返し数mが、56≦m≦72を満たす整数であり、重合度iが、8000以上の整数であることを特徴とする固体高分子型燃料電池を提供する。

Figure 0004274892
In order to solve the above problems, the present invention sandwiches a pair of reaction electrodes sandwiching a solid polymer electrolyte membrane with a pair of bipolar plates for supplying and discharging fuel gas and oxidant gas to and from the reaction electrodes, A polymer electrolyte fuel cell in which a cooling jig is attached to a bipolar plate,
Said bipolar plate, and a carbon material or a metal material, the Lee isobutylene is constituted by a material shown in the main chain skeleton is (of 1), R 1 and R 2 is a non-functional group terminated, Z Is a functional group formed by combining functional groups X and Y, both functional groups X and Y are allyl groups, and the repeat number m of isobutylene is an integer satisfying 56 ≦ m ≦ 72. A polymer electrolyte fuel cell having a polymerization degree i of an integer of 8000 or more is provided.
Figure 0004274892

また、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料のイソブチレンの繰り返し
数mは、平均64であることが望ましい。
The repeating number m of isobutylene materials described in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1) is preferably a mean 64.

また、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料で構成したシール材は、(化2)示した反応性オリゴマーを少なくとも含有する溶液を、シール箇所に塗布した後、前記反応性オリゴマーの共重合により硬化することで形成したことを特徴とする。

Figure 0004274892
Moreover, sealing material composed of a material shown in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (of 1), after applying the solution, sealing portions containing at least a reactive oligomer shown in (Formula 2), wherein It is formed by curing by copolymerization of a reactive oligomer.
Figure 0004274892

本発明に係る燃料電池は、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を用いることによって、高い信頼性を有する高分子電解質型燃料電池を実現することができる。 Fuel cell according to the present invention, by using the materials described in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1), it is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell having high reliability.

本発明の高分子電解質型燃料電池は、バイポーラ板として、カーボン材料または金属材料と、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料とにより構成されたバイポーラ板を用いる点に特徴を有する。また、構成要素である反応電極のシール材や、冷却水のシール材料、または内部加湿部の水またはガスをシールする材料に、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を用いることができ、これにより、安価で耐酸性を有するシール材を可能とすることができる。 Polymer electrolyte fuel cell of the present invention, as a bipolar plate, wherein the carbon material or a metal material, the Lee isobutylene was and the point of using a bipolar plate that is made of a material shown in the main chain skeleton (of 1) Have Moreover, and sealing material of a component reactive electrodes, sealing materials of the cooling water or the material that seals the internal humidification of the water or gas, the material described in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (of 1) Thus, an inexpensive and acid-resistant sealing material can be made available.

このときの製造方法は、(化2)示した反応性オリゴマーを少なくとも含有する溶液を、シール箇所に塗布した後、前記反応性オリゴマーの共重合により硬化することで、安価に製造できる。 Manufacturing method of this time, a solution containing at least a reactive oligomer shown in (Formula 2) was applied to the seal portion, by curing by copolymerization of the reactive oligomer, it can be manufactured at low cost.

ソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料は、耐酸性に優れ、安価であり、かつ弾性を有し、耐熱性を有するため、ガスケットや冷却水のシール材料としてフッ素系樹脂系樹脂やEPDMなどより優れている。 Material shown in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (of 1), superior in acid resistance, is inexpensive, and has elasticity, since it has a heat resistance, a fluorine-based resin as the sealing material of the gasket and the cooling water It is superior to resin based on resin and EPDM.

また、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を含浸したカーボン板をバイポーラ板として用いる場合、樹脂が弾性を有するため、緻密性を有さないカーボン板にガス流路などの加工を施した後に樹脂を含浸する事が可能である。樹脂を含浸する前の緻密でないカーボン板は、樹脂を含浸した後と比べ、柔らかく加工性が良好であるため、加工を大幅に容易にできる。 In the case of using a carbon plate impregnated with material described in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1) as a bipolar plate, since the resin has elasticity, no denseness to the carbon plate gas passage such It is possible to impregnate the resin after the above processing. Since the non-dense carbon plate before impregnation with the resin is softer and has better processability than after the resin impregnation, the processing can be greatly facilitated.

さらに、カーボン粉末や金属粉末とイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した高分子材料とを混合し、プレスまたは射出成形により成形する場合も、樹脂が弾力性を有するため成型時の流動性を改善できる。また、樹脂の添加量を増加させても、成型時の流動性が良好であるため、成型後の後処理などの工程も省略することができる。 Further, by mixing a polymer material showing a carbon powder or metal powder and Lee isobutylene in a main chain skeleton (Formula 1), it may be molded by pressing or injection molding, during molding the resin has elasticity Can improve fluidity. Even if the amount of resin added is increased, the flowability at the time of molding is good, so steps such as post-processing after molding can be omitted.

また、バイポーラ板の内、電気伝導性を必要とする部分にのみカーボンあるいは金属を使用し、電気伝導性の必要ないマニホールド等の複雑な形状を形成させる周辺部やシール部分にイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を用いる場合、ゴム状の柔軟性を有するため、シールが容易である。かつ、電気伝導性の必要な部分に用いられているカーボンや金属材料と、電気伝導性が必要ない部分に用いられているイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料の熱膨張計数が異なっても、ゴム状の柔軟性を有するため、電池の昇降温時に熱膨張計数の違いに起因するバイポーラ板自身の破損などを招くおそれもない。 Also, of the bipolar plate, using carbon or metal only to a portion that requires electrical conductivity, main chain and b isobutylene in the peripheral portion and the sealing portion to form a complex shape, such as no electrically conductive required manifold In the case of using the material shown in (Chemical Formula 1), since it has rubber-like flexibility, sealing is easy. And a carbon or metal material used in the necessary portion of the electrically conductive material of the heat indicated by Louis isobutylene electrical conductivity has been used in a portion not required as a main chain skeleton (of 1) Even if the expansion coefficients are different, since they have rubber-like flexibility, there is no risk of the bipolar plate itself being damaged due to the difference in the thermal expansion coefficient when the battery is raised or lowered.

以上の記載中、(化1)で示した材料は、繰り返し数mのイソブチレンオリゴマーに末端官能基XとYを付加したものを1単位として、末端官能基部分で架橋したものである。X、Yとしてアリル基、アクリロイル基、メタクリロイル基、イソシアネート基、エポキシ基を用いたとき、これらの官能基は多官能基であるので、これらを架橋点とすると、重合後のポリマーはマトリックス状に架橋した網目状構造となる。   In the above description, the material represented by (Chemical Formula 1) is obtained by cross-linking at the terminal functional group portion, with 1 unit of the terminal functional groups X and Y added to an isobutylene oligomer having a repeating number of m. When allyl group, acryloyl group, methacryloyl group, isocyanate group, and epoxy group are used as X and Y, these functional groups are polyfunctional groups. A cross-linked network structure is obtained.

この時、ポリマーの物性は、(化1)で示した材料中の、イソブチレンの繰り返し数mと、全体の重合度iと、末端官能基の種類に大きく影響を受ける。発明者の検討の結果、この材料を高分子電解質型燃料電池でのシール材に使用するときは、イソブチレンの繰り返し数mは、56≦m≦72であり、平均64であることが望ましく、また、重合度i、8000以上であることが望ましいことを見出した。 At this time, the physical properties of the polymer, (Formula 1) in the material shown in, receives a repeating number m of Isobuchire down, the overall degree of polymerization i, greatly affected by the type of terminal functional groups. The inventor of the examination results, when using this material in the sealant in a polymer electrolyte fuel cell, the number of repetitions m of Isobuchire emissions are 56 ≦ m ≦ 72, it is desirable average is 64, Moreover, it discovered that it was desirable for the polymerization degree i to be 8000 or more.

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。
《参考例》
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約30の白金粒子を25重量%担持したものを反応電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた溶液に、(化3)で示したパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状にした。このペーストを原料としスクリーン印刷法をもちいて、厚み250μmのカーボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金量は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。

Figure 0004274892
The present invention will be described below with reference to the drawings.
《Reference example》
A catalyst comprising 25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30 supported on acetylene black carbon powder was used as a catalyst for the reaction electrode. A dispersion solution in which perfluorocarbon sulfonic acid powder represented by (Chemical Formula 3) was dispersed in ethyl alcohol was mixed with a solution in which the catalyst powder was dispersed in isopropanol to obtain a paste. Using this paste as a raw material, an electrode catalyst layer was formed on one surface of a carbon nonwoven fabric having a thickness of 250 μm using a screen printing method. Amount of platinum contained in the reaction electrode after forming the 0.5 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to be 1.2 mg / cm 2.
Figure 0004274892

これらの電極は、正極・負極共に同一構成とし、図2に示したように電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合して、電極/電解質接合体(MEA)を作成した。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、(化4)に示したパーフルオロカーボンスルホン酸を25μmの厚みに薄膜化したものを用いた。

Figure 0004274892
These electrodes have the same configuration for both the positive electrode and the negative electrode, and as shown in FIG. 2, the printed catalyst layer is on the electrolyte membrane side on both sides of the central portion of the proton conductive polymer electrolyte membrane having a slightly larger area than the electrode. The electrode / electrolyte assembly (MEA) was formed by bonding by hot pressing so as to be in contact with each other. Here, as the proton conductive polymer electrolyte, a perfluorocarbon sulfonic acid shown in (Chemical Formula 4) having a thickness of 25 μm was used.
Figure 0004274892

次に、図3で示したように、反応電極用とガスマニホールド用の孔を設け、板状に成型したガスケット状シールを作製した。この中心部にある反応電極用の孔に対して、前記MEAの反応電極部分が勘合するように、2枚のガスケットシールでMEAの電極周辺部の電解質膜部を挟みこんだ。さらに図1に示した形状の非多孔質カーボン板を素材とするバイポーラ板のガス流路が向かい合う形で、2枚のバイポーラ板の間にMEAとガスケットシールを挟んで、高分子電解質型燃料電池を構成した。   Next, as shown in FIG. 3, a gasket-shaped seal was prepared by providing holes for reaction electrodes and gas manifolds and molding them into a plate shape. The electrolyte membrane part around the MEA electrode was sandwiched between two gasket seals so that the reaction electrode part of the MEA fits into the reaction electrode hole in the center. Further, a polymer electrolyte fuel cell is constructed by sandwiching an MEA and a gasket seal between two bipolar plates in such a manner that the gas flow paths of the bipolar plate made of the non-porous carbon plate having the shape shown in FIG. 1 face each other. did.

この高分子電解質型燃料電池の両外側に、ガスマニホールド用の孔を設けたヒーター板・集電板・絶縁板・エンドプレートを取り付け、最外側の両エンドプレート間を、ボルトとバネとナットを用いて、電極面積に対して20kg/cm2の圧力で締め付け、高分子電解質型燃料電池の単電池を構成した。 A heater plate, current collector plate, insulation plate, and end plate with gas manifold holes are attached to both outer sides of this polymer electrolyte fuel cell, and bolts, springs, and nuts are installed between the outermost end plates. A single cell of a polymer electrolyte fuel cell was constructed by tightening at a pressure of 20 kg / cm 2 with respect to the electrode area.

以上の板状成型体ガスケット状シールは、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料で構成した厚さ250μmの物に、必要な孔を打ち抜いて使用した。 Or plate-like molded gasket-like seal, the ones having a thickness of 250μm was a material shown in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1), it was used by punching the necessary holes.

このように作製した高分子電解質型燃料電池を、75℃に保持し、一方の電極側に73℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に68℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、0.98Vの電池開放電圧を得た。   The polymer electrolyte fuel cell produced in this way is maintained at 75 ° C., humidified and heated to a dew point of 73 ° C. on one electrode side, and a dew point of 68 ° C. on the other electrode side. Then, humidified and heated air was supplied. As a result, a battery open voltage of 0.98 V was obtained at no load when no current was output to the outside.

また、この電池のガスケット状シール部(周辺部)からのガスリークを測定したが、ガス漏れはなかった。さらに、この電池を燃料利用率80%、酸素利用率40%、電流密度0.3A/cm2の条件で連続発電試験を行ったところ、5000時間以上にわたって0.7V以上の電池電圧を維持した。 Further, gas leakage from the gasket-like seal portion (peripheral portion) of this battery was measured, but there was no gas leakage. Further, when this battery was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.3 A / cm 2 , a battery voltage of 0.7 V or more was maintained for 5000 hours or more. .

本参考例で用いたイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料は、(化2)で示した構成中のイソブチレンの繰り返し数mを56≦m≦72、平均64とし、官能基XおよびYを共にアリル基としたものに、加速電圧200keV、照射線量10Mradの電子線照射を行うことで重合した。重合度は約1万であった。 Used in the present reference example, materials described in the isobutylene as a main chain skeleton (of 1), the repeating number m of 56 ≦ m ≦ 72, average 64 isobutylene in the configuration shown in (Formula 2), Polymerization was performed by irradiating an electron beam with an acceleration voltage of 200 keV and an irradiation dose of 10 Mrad on an allyl group having both functional groups X and Y. The degree of polymerization was about 10,000.

なお、イソブチレンの繰り返し数mを56よりも小さくすると、重合後のポリマーは堅く、組立後の電池のガスケット部分からの水素ガスのリークをなくすのに、より大きい締め付け圧を必要とした。また、mを72より大きくすると柔らかすぎて、上述の電池試験開始後、約2000時間経過時に、ガスケット状シール部分から水素ガスのリークが検出された。   When the repeating number m of isobutylene was made smaller than 56, the polymer after polymerization was stiff, and a larger tightening pressure was required to eliminate hydrogen gas leakage from the gasket part of the assembled battery. Further, when m was larger than 72, it was too soft, and hydrogen gas leak was detected from the gasket-like seal portion when about 2000 hours passed after the battery test was started.

また、電子線の照射量を制御して、重合度が与える影響を検討した結果、重合度が8000より小さいと、重合物が柔らかすぎて、上述の電池試験時に、ガスケット状シール部分から水素ガスのリークが検出された。   In addition, as a result of studying the influence of the degree of polymerization by controlling the amount of electron beam irradiation, if the degree of polymerization is less than 8000, the polymer is too soft, and the hydrogen gas from the gasket-like seal portion during the battery test described above. A leak was detected.

また、末端官能基をこれ以外のアクリロイル基、メタクリロイル基、イソシアネート基、エポキシ基として、それぞれに適した重合反応により硬化したものも同様に使用できることを確認した。このとき、アクリロイル基、メタクリロイル基を末端官能基としたときは上記同様の電子線照射を用い、またイソシアネート基としたときは水分によりウレタン結合化、エポキシ基の時はエチルジアミンなどの公知のアミン系硬化剤を用い加熱により硬化した。しかしこのときも、官能基をアリル基としたときと同様に、(化2)で示した構成中のイソブチレンの繰り返し数mを56≦m≦72とし、重合度を8000以上にしたときに、長時間にわたってガスリークを防止できることを確認した。   Moreover, it confirmed that what was hardened | cured by the polymerization reaction suitable for each as a terminal functional group other than this as an acryloyl group, a methacryloyl group, an isocyanate group, and an epoxy group can be used similarly. At this time, when an acryloyl group or a methacryloyl group is used as a terminal functional group, the same electron beam irradiation is used. When an isocyanate group is used, a urethane bond is formed by moisture. When an epoxy group is used, a known amine such as ethyldiamine is used. It hardened | cured by heating using a system hardening | curing agent. However, at this time as well, when the functional group is an allyl group, when the number of repetitions of isobutylene in the structure represented by (Chemical Formula 2) is 56 ≦ m ≦ 72 and the degree of polymerization is 8000 or more, It was confirmed that gas leakage could be prevented for a long time.

《実施例1》
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約30の白金粒子を25重量%担持したものを反応電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた溶液に、(化3)で示したパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状にした。このペーストを原料としスクリーン印刷法をもちいて、厚み250μmのカーボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金量は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。
Example 1
A catalyst comprising 25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30 supported on acetylene black carbon powder was used as a catalyst for the reaction electrode. A dispersion solution in which perfluorocarbon sulfonic acid powder represented by (Chemical Formula 3) was dispersed in ethyl alcohol was mixed with a solution in which the catalyst powder was dispersed in isopropanol to obtain a paste. Using this paste as a raw material, an electrode catalyst layer was formed on one surface of a carbon nonwoven fabric having a thickness of 250 μm using a screen printing method. Amount of platinum contained in the reaction electrode after forming the 0.5 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to be 1.2 mg / cm 2.

これらの電極は、正極・負極共に同一構成とし、図2に示したように電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合して、電極/電解質接合体(MEA)を作成した。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、(化4)に示したパーフルオロカーボンスルホン酸を25μmの厚みに薄膜化したものを用いた。   These electrodes have the same configuration for both the positive electrode and the negative electrode, and as shown in FIG. 2, the printed catalyst layer is on the electrolyte membrane side on both sides of the central portion of the proton conductive polymer electrolyte membrane having a slightly larger area than the electrode. The electrode / electrolyte assembly (MEA) was formed by bonding by hot pressing so as to be in contact with each other. Here, as the proton conductive polymer electrolyte, a perfluorocarbon sulfonic acid shown in (Chemical Formula 4) having a thickness of 25 μm was used.

前記MEAの電極部分が、図4で示した電極用、冷却水用およびガスマニホールド用孔を設けた板状成型体ガスケットの中心部四角形の電極用孔に勘合するように、2枚の板状成型体ガスケットでMEAの電極周辺部の電解質膜部を挟み、さらに図5に示したガス流路形状のバイポーラ板2枚のガス流路が向かい合う形で、2枚のバイポーラ板の間にMEAと板状成型体ガスケットを挟んで、高分子電解質型燃料電池を構成した。   Two plate-like shapes are formed so that the electrode portion of the MEA fits into the square-shaped electrode hole in the center of the plate-like molded gasket provided with the electrode, cooling water, and gas manifold holes shown in FIG. The electrolyte membrane part around the MEA electrode is sandwiched between the molded gaskets, and the two gas plate-shaped bipolar plates shown in FIG. 5 are opposed to each other. A polymer electrolyte fuel cell was constructed by sandwiching a molded gasket.

この時用いた前記バイポーラ板は、膨張黒鉛粉末にイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を混合し、プレス成形によって作成した。この時、バイポーラ板の一方の面は、図5に示したガス流路などを有する構成であり、反対側の面には冷却水流路用溝を構成した。 In this case the bipolar plate used was the expanded graphite powder, the material shown in the isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1) were mixed, was prepared by press molding. At this time, one surface of the bipolar plate is configured to have the gas flow path shown in FIG. 5, and a groove for cooling water flow path is formed on the opposite surface.

また、この時用いた板状成型体ガスケットは、中心部の層に厚さ100μmの耐熱ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂を、PETの両側に厚さ75μmづつのイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料のシート層で挟んだ構成のものに必要な孔を打ち抜いて使用した。 At this time the plate-shaped molded gasket used was a layer thickness of 100μm heat polyethylene terephthalate (PET) resin in the center, on both sides of the PET, the thickness 75μm increments Lee isobutylene main chain skeleton ( of 1 material having a structure sandwiched by sheet layers shown in), it was used by punching the necessary holes.

なお、本実施例で用いたイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料は、参考例で用いたものと同位置の構造を有し、同一の製造方法で構成した。 Incidentally, used in the present example, materials shown in the isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1), has the structure of the same position as that used in Reference Example was constructed in the same manufacturing process.

この高分子電解質型燃料電池を、単位電池として、同様の構成の高分子電解質型燃料電池を図6に模式的に示した構成で、連続的に50段積層した。この時、冷却水流路周辺のガスシ−ル部にも、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を用いた。この積層電池の両外側に、それぞれ必要なガスマニホールド・冷却水マニホールド用穴を設けた集電板・絶縁板・エンドプレートを取り付け、最外側の両エンドプレート間を、ボルトとバネとナットを用いて、電極面積に対して20kg/cm2の圧力で締め付け、高分子電解質型燃料電池スタックを構成した。 This polymer electrolyte fuel cell was used as a unit cell, and 50 polymer electrolyte fuel cells having the same configuration were stacked in the configuration schematically shown in FIG. At this time, the cooling water passage near Gasushi - in pole tip, a material shown in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1). A current collector plate, insulation plate, and end plate with holes for the required gas manifold and cooling water manifold are installed on both sides of the laminated battery, and bolts, springs, and nuts are used between the outermost end plates. Then, the polymer electrolyte fuel cell stack was constructed by tightening at a pressure of 20 kg / cm 2 with respect to the electrode area.

この高分子電解質型燃料電池スタックに冷却水を流しながら75℃に保持し、負極側に73℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、正極側に68℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給したところ、無負荷時に49Vの電池電圧を得た。また、この電池のガスケット部(周辺部)からのガスリークを測定したが、ガスの漏れは検出できなかった。さらに、この電池を燃料利用率80%、酸素利用率40%、電流密度0.7A/cm2の条件で連続発電試験を行ったところ、5000時間以上にわたって31V以上の電池電圧を保ったまま、電池電圧の劣化なく発電が可能であった。 The polymer electrolyte fuel cell stack is maintained at 75 ° C. while flowing cooling water, and humidified and heated so that the dew point is 73 ° C. on the negative electrode side, and the dew point is 68 ° C. on the positive electrode side. When humidified and heated air was supplied, a battery voltage of 49 V was obtained at no load. Further, the gas leak from the gasket part (peripheral part) of this battery was measured, but no gas leak was detected. Furthermore, when this battery was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.7 A / cm 2 , while maintaining a battery voltage of 31 V or more for 5000 hours or more, Power generation was possible without deterioration of battery voltage.

《実施例2》
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約30の白金粒子を25重量%担持したものを反応電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた溶液に、(化3)で示したパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状にした。このペーストを原料としスクリーン印刷法をもちいて、厚み250μmのカーボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金量は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。
Example 2
A catalyst comprising 25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30 supported on acetylene black carbon powder was used as a catalyst for the reaction electrode. A dispersion solution in which perfluorocarbon sulfonic acid powder represented by (Chemical Formula 3) was dispersed in ethyl alcohol was mixed with a solution in which the catalyst powder was dispersed in isopropanol to obtain a paste. Using this paste as a raw material, an electrode catalyst layer was formed on one surface of a carbon nonwoven fabric having a thickness of 250 μm using a screen printing method. Amount of platinum contained in the reaction electrode after forming the 0.5 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to be 1.2 mg / cm 2.

これらの電極は、正極・負極共に同一構成とし、図2に示したように電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合して、電極/電解質接合体(MEA)を作成した。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、(化4)に示したパーフルオロカーボンスルホン酸を25μmの厚みに薄膜化したものを用いた。   These electrodes have the same configuration for both the positive electrode and the negative electrode, and as shown in FIG. 2, the printed catalyst layer is on the electrolyte membrane side on both sides of the central portion of the proton conductive polymer electrolyte membrane having a slightly larger area than the electrode. The electrode / electrolyte assembly (MEA) was formed by bonding by hot pressing so as to be in contact with each other. Here, as the proton conductive polymer electrolyte, a perfluorocarbon sulfonic acid shown in (Chemical Formula 4) having a thickness of 25 μm was used.

前記MEAの電極部分が、図4で示した電極用、冷却水用およびガスマニホールド用孔を設けた板状成型体ガスケットの中心部四角形の電極用孔に勘合するように、2枚の板状成型体ガスケットでMEAの電極周辺部の電解質膜部を挟み、さらに図5に示したガス流路形状のバイポーラ板2枚のガス流路が向かい合う形で、2枚のバイポーラ板の間にMEAと板状成型体ガスケットを挟んで、高分子電解質型燃料電池を構成した。   Two plate-like shapes are formed so that the electrode portion of the MEA fits into the square-shaped electrode hole in the center of the plate-like molded gasket provided with the electrode, cooling water, and gas manifold holes shown in FIG. The electrolyte membrane part around the MEA electrode is sandwiched between the molded gaskets, and the two gas plate-shaped bipolar plates shown in FIG. 5 face each other, and the MEA and the plate shape are sandwiched between the two bipolar plates. A polymer electrolyte fuel cell was constructed by sandwiching a molded gasket.

この時用いた前記バイポーラ板は、膨張黒鉛粉末を予め成型した多孔質なシートにイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を含浸し、プレス成形によって作成した。この時、バイポーラ板の一方の面は、図5に示したガス流路などを有する構成であり、反対側の面には冷却水流路用溝を構成した。 In this case the bipolar plate used is a preformed porous sheet of expanded graphite powder, the material shown in the isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1) was impregnated, it was prepared by press molding. At this time, one surface of the bipolar plate is configured to have the gas flow path shown in FIG. 5, and a groove for cooling water flow path is formed on the opposite surface.

また、この時用いた板状成型体ガスケットは、中心部の層に厚さ100μmの耐熱ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂を、PETの両側に厚さ75μmずつのイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料シート層で挟んだ構成の物に必要な孔を打ち抜いて使用した。 At this time the plate-shaped molded gasket used was a heat-resistant polyethylene terephthalate (PET) resin having a thickness of 100μm on a layer of the central portion, on both sides of the PET, the Lee isobutylene-by thickness 75μm and main chain skeleton ( of 1 in the material structure of those sandwiched by sheet layer described in), it was used by punching the necessary holes.

なお、本実施例で用いたイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料は、参考例で用いたものと同位置の構造を有し、同一の製造方法で構成した。 Incidentally, used in the present example, materials shown in the isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1), has the structure of the same position as that used in Reference Example was constructed in the same manufacturing process.

この高分子電解質型燃料電池を、単位電池として、同様の構成の高分子電解質型燃料電池を図6に模式的に示した構成で、連続的に50段積層した。この時、冷却水流路周辺のガスシール部にも、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を用いた。この積層電池の両外側に、それぞれ必要なガスマニホールド・冷却水マニホールド用穴を設けた集電板・絶縁板・エンドプレートを取り付け、最外側の両エンドプレート間を、ボルトとバネとナットを用いて、電極面積に対して20kg/cm2の圧力で締め付け、高分子電解質型燃料電池スタックを構成した。 This polymer electrolyte fuel cell was used as a unit cell, and 50 polymer electrolyte fuel cells having the same configuration were stacked in the configuration schematically shown in FIG. At this time, also the gas seal portion near the cooling water flow path, using the material described in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1). A current collector plate, insulation plate, and end plate with holes for the required gas manifold and cooling water manifold are installed on both sides of the laminated battery, and bolts, springs, and nuts are used between the outermost end plates. Then, the polymer electrolyte fuel cell stack was constructed by tightening at a pressure of 20 kg / cm 2 with respect to the electrode area.

この高分子電解質型燃料電池スタックに冷却水を流しながら75℃に保持し、負極側に73℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、正極側に68℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給したところ、無負荷時に49Vの電池電圧を得た。また、この電池のガスケット部(周辺部)からのガスリークを測定したが、ガスの漏れは検出できなかった。さらに、この電池を燃料利用率80%、酸素利用率40%、電流密度0.7A/cm2の条件で連続発電試験を行ったところ、5000時間以上にわたって31V以上の電池電圧を保ったまま、電池電圧の劣化なく発電が可能であった。 The polymer electrolyte fuel cell stack is maintained at 75 ° C. while flowing cooling water, and humidified and heated so that the dew point is 73 ° C. on the negative electrode side, and the dew point is 68 ° C. on the positive electrode side. When humidified and heated air was supplied, a battery voltage of 49 V was obtained at no load. Further, the gas leak from the gasket part (peripheral part) of this battery was measured, but no gas leak was detected. Furthermore, when this battery was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.7 A / cm 2 , while maintaining a battery voltage of 31 V or more for 5000 hours or more, Power generation was possible without deterioration of battery voltage.

《実施例3》
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約30の白金粒子を25重量%担持したものを反応電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた溶液に、(化3)で示したパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状にした。このペーストを原料としスクリーン印刷法をもちいて、厚み250μmのカーボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金量は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。
Example 3
A catalyst comprising 25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30 supported on acetylene black carbon powder was used as a catalyst for the reaction electrode. A dispersion solution in which perfluorocarbon sulfonic acid powder represented by (Chemical Formula 3) was dispersed in ethyl alcohol was mixed with a solution in which the catalyst powder was dispersed in isopropanol to obtain a paste. Using this paste as a raw material, an electrode catalyst layer was formed on one surface of a carbon nonwoven fabric having a thickness of 250 μm using a screen printing method. Amount of platinum contained in the reaction electrode after forming the 0.5 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to be 1.2 mg / cm 2.

これらの電極は、正極・負極共に同一構成とし、図2に示したように電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合して、電極/電解質接合体(MEA)を作成した。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、(化4)に示したパーフルオロカーボンスルホン酸を25μmの厚みに薄膜化したものを用いた。   These electrodes have the same configuration for both the positive electrode and the negative electrode, and as shown in FIG. 2, the printed catalyst layer is on the electrolyte membrane side on both sides of the central portion of the proton conductive polymer electrolyte membrane having a slightly larger area than the electrode. The electrode / electrolyte assembly (MEA) was formed by bonding by hot pressing so as to be in contact with each other. Here, as the proton conductive polymer electrolyte, a perfluorocarbon sulfonic acid shown in (Chemical Formula 4) having a thickness of 25 μm was used.

前記MEAの電極部分が、図4で示した電極用、冷却水用およびガスマニホールド用孔を設けた板状成型体ガスケットの中心部四角形の電極用孔に勘合するように、2枚の板状成型体ガスケットでMEAの電極周辺部の電解質膜部を挟み、さらに図5に示したガス流路形状のバイポーラ板2枚のガス流路が向かい合う形で、2枚のバイポーラ板の間にMEAと板状成型体ガスケットを挟んで、高分子電解質型燃料電池を構成した。   Two plate-like shapes are formed so that the electrode portion of the MEA fits into the square-shaped electrode hole in the center of the plate-like molded gasket provided with the electrode, cooling water, and gas manifold holes shown in FIG. The electrolyte membrane part around the MEA electrode is sandwiched between the molded gaskets, and the two gas plate-shaped bipolar plates shown in FIG. 5 are opposed to each other. A polymer electrolyte fuel cell was constructed by sandwiching a molded gasket.

この時用いた前記バイポーラ板は、膨張黒鉛粉末を予め成型した多孔質なシートをプレス成形し、成型したガス流路の表面に撥水処理を施した後、(化2)で示した反応性オリゴマーとシクロヘキサンとの混合溶液(混合重量比10:2)を含浸した後、85℃で48時間加熱することで作成した。この時、バイポーラ板の一方の面は、図5に示したガス流路などを有する構成であり、反対側の面には冷却水流路用溝を構成した。撥水処理は、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のディスパージョン水溶液塗布したものを、約350℃で加熱することによって行った。   The bipolar plate used at this time was formed by press-molding a porous sheet obtained by preliminarily molding expanded graphite powder, and after applying water repellency treatment to the surface of the molded gas flow path, the reactivity shown in (Chemical Formula 2) After impregnating a mixed solution of oligomer and cyclohexane (mixing weight ratio 10: 2), it was prepared by heating at 85 ° C. for 48 hours. At this time, one surface of the bipolar plate is configured to have the gas flow path shown in FIG. 5, and a groove for cooling water flow path is formed on the opposite surface. The water repellent treatment was performed by heating a dispersion solution of a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer at about 350 ° C.

また、この時用いた板状成型体ガスケットは、中心部の層に厚さ100μmの耐熱ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂を、PETの両側に厚さ75μmずつのイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料シート層で挟んだ構成のものに必要な孔を打ち抜いて使用した。 At this time the plate-shaped molded gasket used was a heat-resistant polyethylene terephthalate (PET) resin having a thickness of 100μm on a layer of the central portion, on both sides of the PET, the Lee isobutylene-by thickness 75μm and main chain skeleton ( of 1 to those of structure sandwiched by a material sheet layer described in), it was used by punching the necessary holes.

この高分子電解質型燃料電池を、単位電池として、同様の構成の高分子電解質型燃料電池を図6に模式的に示した構成で、連続的に50段積層した。この時、冷却水流路周辺のガスシール部にも、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料を用いた。この積層電池の両外側に、それぞれ必要なガスマニホールド・冷却水マニホールド用穴を設けた集電板・絶縁板・エンドプレートを取り付け、最外側の両エンドプレート間を、ボルトとバネとナットを用いて、電極面積に対して20kg/cm2の圧力で締め付け、高分子電解質型燃料電池スタックを構成した。 This polymer electrolyte fuel cell was used as a unit cell, and 50 polymer electrolyte fuel cells having the same configuration were stacked in the configuration schematically shown in FIG. At this time, also the gas seal portion near the cooling water flow path, using the material described in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (Formula 1). A current collector plate, insulation plate, and end plate with holes for the required gas manifold and cooling water manifold are installed on both sides of the laminated battery, and bolts, springs, and nuts are used between the outermost end plates. Then, the polymer electrolyte fuel cell stack was constructed by tightening at a pressure of 20 kg / cm 2 with respect to the electrode area.

この高分子電解質型燃料電池スタックに冷却水を流しながら75℃に保持し、負極側に73℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、正極側に68℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給したところ、無負荷時に49Vの電池電圧を得た。また、この電池のガスケット部(周辺部)からのガスリークを測定したが、ガスの漏れは検出できなかった。さらに、この電池を燃料利用率80%、酸素利用率40%、電流密度0.7A/cm2の条件で連続発電試験を行ったところ、5000時間以上にわたって31V以上の電池電圧を保ったまま、電池電圧の劣化なく発電が可能であった。 The polymer electrolyte fuel cell stack is maintained at 75 ° C. while flowing cooling water, and humidified and heated so that the dew point is 73 ° C. on the negative electrode side, and the dew point is 68 ° C. on the positive electrode side. When humidified and heated air was supplied, a battery voltage of 49 V was obtained at no load. Further, the gas leak from the gasket part (peripheral part) of this battery was measured, but no gas leak was detected. Furthermore, when this battery was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.7 A / cm 2 , while maintaining a battery voltage of 31 V or more for 5000 hours or more, Power generation was possible without deterioration of battery voltage.

本実施例で用いたイソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料は、(化1)で示した構成中のイソブチレンの繰り返し数mを、56≦m≦72、平均64とし、官能基XおよびYを共にアリル基としたものに、重合開始剤として過酸化ベンゾイルをイソブチレンオリゴマーに対して0.2重量%添加し、加熱によるラジカル重合を行った。硬化後、重合度を調べたところ、約9000であった。 In the material represented by (Chemical Formula 1) having isobutylene as the main chain skeleton used in this example, the repeating number m of isobutylene in the configuration represented by (Chemical Formula 1) is 56 ≦ m ≦ 72, average 64, Benzoyl peroxide as a polymerization initiator was added in an amount of 0.2% by weight to the isobutylene oligomer to the functional group X and Y both having an allyl group, and radical polymerization by heating was performed. After curing, the degree of polymerization was examined and found to be about 9000.

本発明の参考例で使用したバイポーラ板の構成を示した図The figure which showed the structure of the bipolar plate used by the reference example of this invention 本発明の参考例で使用したバイポーラ板のMEAの構成を示した図The figure which showed the structure of MEA of the bipolar plate used by the reference example of this invention 本発明の参考例で使用した板状成型体ガスケットの構成を示した図The figure which showed the structure of the plate-shaped molded object gasket used by the reference example of this invention 本発明の実施例で使用したMEAの構成を示した図The figure which showed the structure of MEA used in the Example of this invention 本発明の実施例で使用した板状成型体ガスケットの構成を示した図The figure which showed the structure of the plate-shaped molded object gasket used in the Example of this invention 本発明の実施例で使用した高分子電解質型燃料電池スタックの断面構成図Cross-sectional configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell stack used in an example of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1 バイポーラ板
2 ガス流路溝
3 入口ガスマニホールド
4 出口ガスマニホールド
5 ガスマニホールド
6 電極
7 電解質膜
8 板状成型体ガスケット
9 電極勘合用穴
15 冷却水マニホールド
16 冷却水流路溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bipolar board 2 Gas flow path groove 3 Inlet gas manifold 4 Outlet gas manifold 5 Gas manifold 6 Electrode 7 Electrolyte membrane 8 Plate-shaped molded body gasket 9 Electrode fitting hole 15 Cooling water manifold 16 Cooling water flow path groove

Claims (1)

固体高分子電解質膜を挟む一対の反応電極を、前記反応電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給排出するための一対のバイポーラ板で挟持し、前記バイポーラ板に冷却用治具を取り付けた高分子電解質型燃料電池であって、
前記バイポーラ板が、カーボン材料または金属材料と、イソブチレンを主鎖骨格とする(化1)で示した材料とにより構成されており、
1 とR 2 は末端の非官能基であり、
Zは、官能基XとYとが結合して形成される官能基であり、官能基XおよびYは、いずれもアリル基であり、
イソブチレンのくり返し数mが、56≦m≦72を満たす整数であり、
重合度iが、8000以上の整数であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
Figure 0004274892
A polymer in which a pair of reaction electrodes sandwiching a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of bipolar plates for supplying and discharging fuel gas and oxidant gas to and from the reaction electrodes, and a cooling jig is attached to the bipolar plate. An electrolyte fuel cell,
It said bipolar plate, and a carbon material or a metal material, is constituted by a material shown in the Lee isobutylene as a main chain skeleton (of 1)
R 1 and R 2 are terminal non-functional groups,
Z is a functional group formed by combining the functional groups X and Y, and the functional groups X and Y are all allyl groups,
The repetition number m of isobutylene is an integer satisfying 56 ≦ m ≦ 72,
A polymer electrolyte fuel cell having a polymerization degree i of an integer of 8000 or more .
Figure 0004274892
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