JP4889006B2 - Catalyst electrode, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
Catalyst electrode, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP4889006B2 JP4889006B2 JP2006129664A JP2006129664A JP4889006B2 JP 4889006 B2 JP4889006 B2 JP 4889006B2 JP 2006129664 A JP2006129664 A JP 2006129664A JP 2006129664 A JP2006129664 A JP 2006129664A JP 4889006 B2 JP4889006 B2 JP 4889006B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- general formula
- catalyst
- membrane
- electrode assembly
- electrolyte
- 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.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、シロキサン結合を有する、新規なスルホン化芳香族ポリイミドを用いた触媒電極、膜電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a catalyst electrode, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell using a novel sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond.
近年、携帯電話機、携帯情報端末機、ノートパソコン等の携帯用電子機器は、多機能化に伴い、消費電力の増加が著しくなっており、携帯用電子機器に使用される電池の高出力密度化や高エネルギー密度化が切望されている。前記ノートパソコンや前記携帯情報端末機においては、現在搭載されている電池では、一充電当たりの駆動時間が短く、また、充電に時間がかかるためユーザーの不満は大きいものとなっている。
前記携帯用電子機器に搭載されている、現在、最も一般的な駆動電源は、リチウムイオン二次電池である。しかし、今後も高機能化が進む携帯用電子機器には、要求されるエネルギー密度が現状の数倍となることが予想され、前記リチウムイオン二次電池では、携帯用電子機器の駆動電源としての要求を充分に満足できなくなりつつある状況にある。
In recent years, portable electronic devices such as mobile phones, personal digital assistants, laptop computers, etc., have increased power consumption with the increase in functionality, and the output density of batteries used in portable electronic devices has increased. There is a strong demand for higher energy density. In the notebook personal computer and the portable information terminal, the currently installed battery has a short drive time per charge and takes a long time to charge.
Currently, the most common driving power source mounted on the portable electronic device is a lithium ion secondary battery. However, it is expected that the energy density required for portable electronic devices whose functions will continue to increase in the future will be several times the current level. In the lithium ion secondary battery, as a drive power source for portable electronic devices, It is in a situation where it is becoming impossible to fully satisfy the requirements.
このような状況の下、前記リチウムイオン二次電池に代わる新たなエネルギーデバイスの開発が期待されており、その一つとして燃料電池が注目されている。該燃料電池においては、負極に燃料を供給することにより、電子とプロトンとを生成し、該プロトンを正極に供給された酸素と反応させることにより、発電を可能にしている。
前記燃料電池は、その燃料自体の理論的なエネルギー密度が、リチウムイオン二次電池に比べて数倍高いため、燃料に比べて燃料電池の発電部を小さくし、効率よく反応させることができれば、二次電池をはるかに超えるエネルギー密度を達成できる可能性がある。このような背景から、リチウムイオン二次電池に代わる電源として、燃料電池に注目が集まっている。
Under such circumstances, development of a new energy device to replace the lithium ion secondary battery is expected, and a fuel cell is attracting attention as one of them. In the fuel cell, by supplying fuel to the negative electrode, electrons and protons are generated, and by reacting the protons with oxygen supplied to the positive electrode, power generation is enabled.
Since the theoretical energy density of the fuel cell itself is several times higher than that of a lithium ion secondary battery, the fuel cell can be made to react efficiently by reducing the power generation part of the fuel cell compared to the fuel. There is a possibility that energy density far exceeding that of the secondary battery can be achieved. From such a background, a fuel cell is attracting attention as a power source replacing a lithium ion secondary battery.
前記携帯用電子機器に搭載する燃料電池には、小型かつ軽量で、取扱い性が良好で、起動及び停止が容易で、しかも衝撃や振動に強い構造を有することが要求される。この点、構造が単純で、低温でも動作可能であり、起動及び停止動作が速いという特徴を有し、高分子膜を電解質とする全固体型の固体高分子型燃料電池が、前記携帯用電子機器に好適である。特に、小型の携帯用電子機器には、電池構造が簡略で、また、メタノールは、エネルギー密度が高く、貯蔵が容易であるため、燃料としてメタノールを用いた、直接メタノール型燃料電池(DMFC)が採用されている。
前記直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、一般に、プロトン伝導性を有する固体電解質膜と、該固体電解質膜を挟む、燃料極及び空気極の2つの電極とを少なくとも有してなる。
前記DMFCにおいては、燃料であるメタノール水溶液を、前記燃料極側に供給すると、メタノールの発電反応に伴い、以下の(1)から(3)のメカニズムにより水が発生する。まず、(1)次式:CH3OH(燃料)+H2O→CO2(前記燃料極から排出)+6H++6e−、のように、燃料であるメタノールと水とが反応(発電反応)して二酸化炭素とH+(プロトン)とが生成される。次に、(2)前記固体電解質膜中を、H+(プロトン)が前記燃料極から前記空気極に移動(プロトン伝導)して、前記燃料電池に内部電流が生じる。次に、(3)次式:6H++3/2O2+6e−→3H2O、のように、プロトンが前記空気極で酸化されて水が発生する。このとき、前記燃料極及び前記空気極を外部回路に接続することにより、電力を取り出すことができ、生成した水は、前記空気極から系の外へ排出される。
The fuel cell mounted on the portable electronic device is required to have a structure that is small and light, has good handleability, is easy to start and stop, and is strong against shock and vibration. In this respect, the all-solid-state polymer electrolyte fuel cell having a simple structure, capable of operating even at low temperatures, and fast starting and stopping operations and having a polymer membrane as an electrolyte is the portable electronic device. Suitable for equipment. In particular, a small portable electronic device has a simple battery structure, and since methanol has a high energy density and is easy to store, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is used. It has been adopted.
The direct methanol fuel cell (DMFC) generally includes at least a solid electrolyte membrane having proton conductivity and two electrodes, a fuel electrode and an air electrode, which sandwich the solid electrolyte membrane.
In the DMFC, when an aqueous methanol solution as a fuel is supplied to the fuel electrode side, water is generated by the following mechanisms (1) to (3) along with the power generation reaction of methanol. First, methanol (fuel) reacts with water (power generation reaction) as in the following formula: CH 3 OH (fuel) + H 2 O → CO 2 (discharged from the fuel electrode) + 6H + + 6e − . Thus, carbon dioxide and H + (proton) are generated. Next, (2) H + (proton) moves (proton conduction) from the fuel electrode to the air electrode in the solid electrolyte membrane, and an internal current is generated in the fuel cell. Next, protons are oxidized at the air electrode as in (3) following formula: 6H + + 3 / 2O 2 + 6e − → 3H 2 O to generate water. At this time, electric power can be taken out by connecting the fuel electrode and the air electrode to an external circuit, and the generated water is discharged out of the system from the air electrode.
前記燃料電池において、重要な構成要素である固体電解質膜としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、燐酸基等を有する有機高分子材料が使用されている。該有機高分子材料としては、従来より、例えば、ナフィオン(商標名)膜(Du Pont社製)、Dow膜(Dow Chemical社製)などに代表される膜に使用されている、パーフルオロスルホン酸系高分子が知られている。
しかし、パーフルオロスルホン酸系高分子は、プロトン伝導性に優れ、水素を燃料とした燃料電池用の膜としては充分機能するものの、前記DMFCにおける固体電解質膜として用いた場合には、水との親和性が高いメタノールが、アノード側からカソード側へ透過(クロスオーバー)してしまう傾向が高いという問題がある。
前記クロスオーバーが生じると、供給された燃料(メタノール)と酸化剤(カソード酸素)とが直接反応し、利用効率及びセル電圧の低下が生じる。このため、前記燃料極に充填するメタノール水溶液の濃度を、充分に高くすることができず、出力の向上に限界がある。一方、メタノール濃度を高めることができれば、携帯機器の駆動時間を長くすることが可能となるため、耐メタノールクロスオーバーを実現可能な、新規な固体電解質膜材料の開発が望まれている。
In the fuel cell, for example, an organic polymer material having a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, or the like is used as a solid electrolyte membrane that is an important component. As the organic polymer material, for example, perfluorosulfonic acid conventionally used for membranes represented by Nafion (trade name) membrane (manufactured by Du Pont), Dow membrane (manufactured by Dow Chemical), and the like. Based polymers are known.
However, although the perfluorosulfonic acid polymer is excellent in proton conductivity and functions well as a membrane for a fuel cell using hydrogen as a fuel, when used as a solid electrolyte membrane in the DMFC, There is a problem that methanol having high affinity tends to permeate (crossover) from the anode side to the cathode side.
When the crossover occurs, the supplied fuel (methanol) and the oxidant (cathode oxygen) directly react with each other, resulting in a decrease in utilization efficiency and cell voltage. For this reason, the concentration of the methanol aqueous solution filled in the fuel electrode cannot be sufficiently increased, and there is a limit to improvement in output. On the other hand, if the methanol concentration can be increased, the driving time of the portable device can be extended. Therefore, development of a novel solid electrolyte membrane material capable of realizing methanol crossover resistance is desired.
メタノールのクロスオーバーを抑制可能な材料としては、耐熱性高分子、エンジニアリングプラスチック等の化学的安定性及び熱的安定性に優れた材料として、スルホン化したポリフェニレンエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレン、ポリエーテルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリイミドなどが注目されている(特許文献1参照)。前記ナフィオン等をフッ素系電解質(膜)と称するのに対し、これらは、炭化水素系電解質(膜)と称する。
前記炭化水素系電解質の中でも、スルホン酸基を有するポリイミド(スルホン酸基含有ポリイミド)は、機械的強度、耐熱性、耐溶媒性、強靭な薄膜形成能、などに優れるため、スルホン酸基含有ポリイミド膜を固体電解質膜として使用することが提案されているが(特許文献2〜3、及び非特許文献1〜2参照)。また、高温耐水性の向上を目的として、イミド環の加水分解性を改良するため、テトラカルボン酸二無水物として、1,4,5,8−テトラカルボキシナフタレンの二無水物(NTDA)などを用いたポリイミドが提案されている(特許文献4、及び非特許文献3〜6参照)が、これらのポリマーは、いずれもスルホン酸基をその構成モノマーに含んでおらず、耐熱性高強度高分子として開発されたものであり、前記固体電解質膜としての用途については、何ら開示されていない。
Materials that can suppress methanol crossover include sulfonated polyphenylene ether, polyetherketone, and polyetheretherketone as materials with excellent chemical and thermal stability such as heat-resistant polymers and engineering plastics. , Polyphenylene, polyethersulfone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polyimide, and the like have attracted attention (see Patent Document 1). The Nafion or the like is referred to as a fluorine-based electrolyte (membrane), whereas these are referred to as a hydrocarbon-based electrolyte (membrane).
Among the hydrocarbon electrolytes, a sulfonic acid group-containing polyimide (sulfonic acid group-containing polyimide) is excellent in mechanical strength, heat resistance, solvent resistance, tough thin film forming ability, and the like. Although it has been proposed to use the membrane as a solid electrolyte membrane (see
ところで、前記スルホン酸基含有ポリイミドを含む、スルホン化ポリイミド系電解質膜は、前記DMFC用の固体電解質膜としてだけでなく、H2/O2系の固体高分子型燃料電池(以下、単に「PEFC」と称することがある。)用の固体電解質膜としても有用である。
前記燃料電池においては、前記DMFCであっても、前記PEFCであっても、固体電解質膜と共に触媒の存在が重要である。該触媒は、ニッケル、パラジウム、白金、及びこれらの酸化物、又はこれらに他の金属を少量加えた合金など(以下、「白金系触媒」と称することがある。)の粉末であり、例えば、炭素粉末に担持させたものなどが挙げられる。前記燃料極及び前記空気極としての触媒層は、これらの触媒を含み、その表面で固−液−気の3相が接触して反応に関与しなければならず、しかもプロトンの伝導が容易に行なわれる必要がある。このため、前記触媒層は、ポーラス状でプロトン伝導性を有し、かつ形状を維持することが必要であり、前記触媒と共に、高分子電解質(イオノマー)を用いて成形されている。
また、電気抵抗を軽減するためには、前記燃料極及び前記空気極は、前記固体電解質膜を挟んで可能な限り近接しているのが好ましく、通常、これらの電極は、固体電解質膜面上に塗布され一体化された膜電極接合体(MEA(Membrane Electrode Assembly))として用いられる。このような構造の燃料電池(固体高分子型燃料電池)においては、高分子電解質は、プロトンを伝導し、かつ燃料及び酸化剤の透過を阻止する電解質膜の材料として、また、触媒層のマトリックス材に相当し、3相界面を形成してプロトンを輸送する前記イオノマーとして重要な要素である。
By the way, the sulfonated polyimide electrolyte membrane containing the sulfonic acid group-containing polyimide is not only used as a solid electrolyte membrane for the DMFC, but also an H 2 / O 2 solid polymer fuel cell (hereinafter simply referred to as “PEFC”). It is also useful as a solid electrolyte membrane.
In the fuel cell, whether it is the DMFC or the PEFC, the presence of a catalyst together with the solid electrolyte membrane is important. The catalyst is a powder of nickel, palladium, platinum, and oxides thereof, or an alloy obtained by adding a small amount of other metals to these (hereinafter sometimes referred to as “platinum-based catalyst”), for example, Examples include those supported on carbon powder. The catalyst layer as the fuel electrode and the air electrode contains these catalysts, the solid-liquid-gas three phases must contact each other on the surface and participate in the reaction, and proton conduction is easy. Need to be done. For this reason, the catalyst layer is porous, has proton conductivity, and needs to maintain its shape, and is formed using a polymer electrolyte (ionomer) together with the catalyst.
In order to reduce electric resistance, it is preferable that the fuel electrode and the air electrode are as close as possible with the solid electrolyte membrane interposed therebetween. Usually, these electrodes are on the surface of the solid electrolyte membrane. It is used as a membrane electrode assembly (MEA (Membrane Electrode Assembly)) that is applied and integrated on the substrate. In the fuel cell having such a structure (solid polymer fuel cell), the polymer electrolyte is used as an electrolyte membrane material that conducts protons and blocks the permeation of fuel and oxidant, and the matrix of the catalyst layer. It is an important element as the ionomer that forms a three-phase interface and transports protons.
前記固体高分子型燃料電池における、前記燃料極及び前記空気極としての触媒層の形成方法としては、例えば、前記白金系触媒を担持させたカーボン粉末と、イオノマーとの混合物を溶媒中でスラリー状とした後、多孔質カーボン支持体に薄くコーティングして形成する方法や、前記白金系触媒を担持させたカーボン粉末と、エタノール、プロパノール等のアルコール及び水にイオノマーを分散乃至溶解させたイオノマー溶液とを混合させて触媒ペーストを作製し、該触媒ペーストを、ドクターブレード法、ロールコーター法、スプレー法、スクリーン印刷法等を用いて固体電解質膜に塗布する方法が挙げられる。なお、前者においては、得られた触媒層を固体電解質膜に接着することにより膜電極接合体を形成する。これらの場合、高分子電解質(イオノマー)としては、一般に、ナフィオン(Du Pont社製、「Nafion(登録商標)」)に代表される、パーフルオロスルホン酸系高分子が用いられている。
前記イオノマーとして、パーフルオロスルホン酸系高分子を用いて形成した電極の場合、固体電解質膜として、ナフィオン膜を用いた場合には、ナフィオンが触媒層中のイオノマーと同一の材料であるため、膜電極接合体における固体電解質膜と触媒層との接合性に何ら問題はない。しかし、メタノールを燃料とする前記DMFCにおいて、ナフィオン膜を用いた膜電極接合体では、上述の通り、メタノール濃度の増加に伴うメタノールクロスオーバーの現象が顕著となり、高濃度のメタノールによる携帯機器用途の燃料電池の高出力化が困難であるという問題がある。
In the polymer electrolyte fuel cell, as a method of forming the catalyst layer as the fuel electrode and the air electrode, for example, a mixture of a carbon powder supporting the platinum-based catalyst and an ionomer in a solvent state After that, a method of forming a thin coating on a porous carbon support, a carbon powder carrying the platinum catalyst, an ionomer solution in which an ionomer is dispersed or dissolved in ethanol and alcohol such as propanol and water A catalyst paste is prepared by mixing the catalyst paste, and the catalyst paste is applied to the solid electrolyte membrane using a doctor blade method, a roll coater method, a spray method, a screen printing method, or the like. In the former, a membrane / electrode assembly is formed by adhering the obtained catalyst layer to a solid electrolyte membrane. In these cases, as the polymer electrolyte (ionomer), a perfluorosulfonic acid polymer represented by Nafion (manufactured by Du Pont, “Nafion (registered trademark)”) is generally used.
In the case of an electrode formed using a perfluorosulfonic acid polymer as the ionomer, when a Nafion membrane is used as the solid electrolyte membrane, Nafion is the same material as the ionomer in the catalyst layer. There is no problem in the bonding property between the solid electrolyte membrane and the catalyst layer in the electrode assembly. However, in the above-described DMFC using methanol as a fuel, in the membrane electrode assembly using a Nafion membrane, as described above, the phenomenon of methanol crossover accompanying an increase in methanol concentration becomes remarkable, and it is used for portable devices using high-concentration methanol. There is a problem that it is difficult to increase the output of the fuel cell.
このような問題を解決する方法として、メタノールクロスオーバーがナフィオン膜に比べて小さい、スルホン化芳香族炭化水素系固体電解質膜を用いた膜電極接合体を作製することが考えられる。しかし、現在、スルホン化芳香族炭化水素系固体電解質膜を有する膜電極接合体の触媒層に用いられているイオノマーは、一般的に前記ナフィオンである。固体電解質膜の材料と、触媒層中のイオノマーの材料とが異なると、熱膨張率、メタノール水溶液に対する膨潤率などが異なるため、固体電解質膜と触媒層との接合性や燃料電池としての長期安定性の確保が困難となる。この状況は、前記PEFCにおいても同様である。 As a method for solving such a problem, it is conceivable to produce a membrane electrode assembly using a sulfonated aromatic hydrocarbon solid electrolyte membrane having a methanol crossover smaller than that of a Nafion membrane. However, the ionomer currently used for the catalyst layer of the membrane electrode assembly having a sulfonated aromatic hydrocarbon-based solid electrolyte membrane is generally Nafion. If the material of the solid electrolyte membrane is different from the material of the ionomer in the catalyst layer, the coefficient of thermal expansion, the swelling rate with respect to the methanol aqueous solution, etc. will differ. It is difficult to secure the sex. This situation is the same in the PEFC.
本発明は、従来における前記問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、プロトン伝導性及び耐久性に優れた触媒電極を提供することを目的とする。
本発明は、本発明の前記触媒電極を有し、電解質膜との接合性が良好であり、プロトン伝導性及び耐久性に優れた膜電極接合体を提供することを目的とする。
本発明は、本発明の前記膜電極接合体を有し、プロトン伝導性及び耐久性に優れ、しかも燃料(例えば、メタノールや水素)のクロスオーバーを抑制し、利用効率の向上及びセル電圧の低下を抑制した、高性能かつ信頼性の高い固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the conventional problems and achieve the following objects. That is, an object of the present invention is to provide a catalyst electrode excellent in proton conductivity and durability.
An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly having the catalyst electrode of the present invention, having good bonding properties with an electrolyte membrane, and excellent in proton conductivity and durability.
The present invention has the membrane electrode assembly of the present invention, is excellent in proton conductivity and durability, suppresses the crossover of fuel (for example, methanol or hydrogen), improves the utilization efficiency, and decreases the cell voltage. An object of the present invention is to provide a high-performance and highly reliable polymer electrolyte fuel cell in which the above is suppressed.
前記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、ポリマー電解質(イオノマー)として、シロキサン結合を有する、新規なスルホン化芳香族ポリイミドを用いることにより、プロトン伝導性及び耐水性に優れ、固体電解質に対する接合性が良好な触媒電極が得られることを知見した。また、該触媒電極と固体電解質膜とが接合されて一体化された膜電極接合体(MEA(Membrane Electrode Assembly))は、プロトン伝導性及び耐水性に優れ、燃料(例えば、メタノールや水素)のクロスオーバーを抑制可能で、高強度かつ高耐久性を有することを知見した。更に、該膜電極接合体を用いると、利用効率の向上及びセル電圧の低下抑制を実現することができ、高性能かつ信頼性が高い固体高分子型燃料電池が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies by the present inventors to solve the above problems, the use of a novel sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond as a polymer electrolyte (ionomer) makes it possible to achieve proton conductivity and water resistance. It has been found that a catalyst electrode that is excellent and has good bondability to a solid electrolyte can be obtained. Further, a membrane electrode assembly (MEA (Membrane Electrode Assembly)) in which the catalyst electrode and the solid electrolyte membrane are joined together is excellent in proton conductivity and water resistance, and is a fuel (for example, methanol or hydrogen). It was found that crossover can be suppressed, and it has high strength and high durability. Furthermore, it has been found that when the membrane electrode assembly is used, improvement in utilization efficiency and suppression of cell voltage reduction can be realized, and a high-performance and highly reliable polymer electrolyte fuel cell can be obtained. It came to complete.
本発明は、本発明者らによる前記知見に基づくものであり、前記課題を解決するための手段は、後述の付記に記載の通りである。即ち、
本発明の触媒電極は、触媒と、ポリマー電解質とを少なくとも含んでなり、該ポリマー電解質が、シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドであることを特徴とする。
該触媒電極においては、前記触媒に対してマトリックス物質として使用する前記ポリマー電解質(以下、「イオノマー」と称することがある。)が、前記シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドであり、該スルホン化芳香族ポリイミドは、フレキシブルで疎水性の高いシロキサン結合を有するシロキサンユニットと、親水性のスルホン化芳香族ユニットとを有するので、ミクロ相分離した構造を取りやすく、親水性と疎水性とのバランスが良好で、プロトン伝導性及び耐水性に優れる。このため、前記触媒電極は、プロトン伝導性及び耐久性に優れ、固体電解質との接合性が良好である。
本発明の前記触媒電極は、固体高分子型燃料電池における膜電極接合体に好適に使用可能であり、以下の本発明の膜電極接合体及び固体高分子型燃料電池に特に好適に使用可能である。
The present invention is based on the above findings by the present inventors, and means for solving the above problems are as described in the following supplementary notes. That is,
The catalyst electrode of the present invention comprises at least a catalyst and a polymer electrolyte, and the polymer electrolyte is a sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond.
In the catalyst electrode, the polymer electrolyte used as a matrix material for the catalyst (hereinafter sometimes referred to as “ionomer”) is the sulfonated aromatic polyimide having the siloxane bond, Aromatic polyimide has a flexible and highly hydrophobic siloxane unit having a siloxane bond and a hydrophilic sulfonated aromatic unit, so it is easy to take a microphase-separated structure, and the balance between hydrophilicity and hydrophobicity is achieved. Good, excellent in proton conductivity and water resistance. For this reason, the said catalyst electrode is excellent in proton conductivity and durability, and its joining property with a solid electrolyte is favorable.
The catalyst electrode of the present invention can be suitably used for a membrane electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell, and can be particularly suitably used for the following membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell of the present invention. is there.
本発明の膜電極接合体は、電解質膜と、該電解質膜の表面に接合された、本発明の前記触媒電極とを少なくとも有することを特徴とする。
該膜電極接合体(以下、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と称することがある。)においては、本発明の前記触媒電極を有するので、前記電解質膜との接合性が良好である。特に、前記電解質膜として、スルホン化芳香族炭化水素系固体電解質膜を用いた場合には、前記触媒電極における前記ポリマー電解質と、前記電解質膜の材料とが同系統の材料となるため、接合強度が高く、耐久性に優れるほか、燃料(例えば、メタノール)のクロスオーバーを抑制することができる。
また、前記触媒電極と前記電解質膜との接合が、電解質バインダーを用いて行われ、該電解質バインダーが、前記シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドである場合には、前記接合強度がより向上する。
本発明の前記膜電極接合体は、固体高分子型燃料電池に好適に使用可能であり、以下の本発明の固体高分子型燃料電池に特に好適に使用可能である。
The membrane electrode assembly of the present invention comprises at least an electrolyte membrane and the catalyst electrode of the present invention bonded to the surface of the electrolyte membrane.
Since the membrane electrode assembly (hereinafter sometimes referred to as “MEA (Membrane Electrode Assembly)”) has the catalyst electrode of the present invention, it has good bondability with the electrolyte membrane. In particular, when a sulfonated aromatic hydrocarbon-based solid electrolyte membrane is used as the electrolyte membrane, the polymer electrolyte in the catalyst electrode and the material of the electrolyte membrane are the same material, so that the bonding strength In addition to being excellent in durability, crossover of fuel (for example, methanol) can be suppressed.
Further, when the catalyst electrode and the electrolyte membrane are bonded using an electrolyte binder, and the electrolyte binder is a sulfonated aromatic polyimide having the siloxane bond, the bonding strength is further improved. .
The membrane electrode assembly of the present invention can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell, and can be particularly suitably used for the following polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
本発明の固体高分子型燃料電池は、本発明の前記膜電極接合体を少なくとも有することを特徴とする。
該固体高分子型燃料電池は、本発明の前記膜電極接合体を有しているので、プロトン伝導性及び耐久性に優れ、燃料(例えば、メタノールや水素)のクロスオーバーを抑制可能で、利用効率の向上及びセル電圧の低下抑制を実現することができ、高性能かつ信頼性が高い。このため、直接メタノール型燃料電池や水素燃料電池に特に好適である。
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has at least the membrane electrode assembly of the present invention.
Since the polymer electrolyte fuel cell has the membrane electrode assembly of the present invention, it is excellent in proton conductivity and durability, can suppress crossover of fuel (for example, methanol or hydrogen), and can be used. Improvement in efficiency and suppression of cell voltage reduction can be realized, and high performance and high reliability are achieved. For this reason, it is particularly suitable for direct methanol fuel cells and hydrogen fuel cells.
本発明によると、従来における前記問題を解決することができ、プロトン伝導性及び耐久性に優れた触媒電極を提供することができる。
本発明によると、本発明の前記触媒電極を有し、電解質膜との接合性が良好であり、プロトン伝導性及び耐久性に優れた膜電極接合体を提供することができる。
本発明によると、本発明の前記膜電極接合体を有し、プロトン伝導性及び耐久性に優れ、しかも燃料(例えば、メタノールや水素)のクロスオーバーを抑制し、利用効率の向上及びセル電圧の低下を抑制した、高性能かつ信頼性の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。
According to the present invention, the conventional problems can be solved, and a catalyst electrode excellent in proton conductivity and durability can be provided.
According to the present invention, it is possible to provide a membrane electrode assembly that has the catalyst electrode of the present invention, has good bondability with an electrolyte membrane, and is excellent in proton conductivity and durability.
According to the present invention, the membrane electrode assembly according to the present invention has excellent proton conductivity and durability, suppresses crossover of fuel (for example, methanol or hydrogen), improves utilization efficiency, and increases cell voltage. It is possible to provide a high-performance and highly reliable polymer electrolyte fuel cell in which the decrease is suppressed.
(触媒電極)
本発明の触媒電極は、触媒と、ポリマー電解質とを少なくとも含み、更に必要に応じてその他の成分を含んでなり、該ポリマー電解質が、シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドである。
本発明の触媒電極の用途としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、燃料電池用触媒電極に特に好適である。
(Catalyst electrode)
The catalyst electrode of the present invention includes at least a catalyst and a polymer electrolyte, and further includes other components as necessary, and the polymer electrolyte is a sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond.
There is no restriction | limiting in particular as a use of the catalyst electrode of this invention, Although it can select suitably according to the objective, It is especially suitable for the catalyst electrode for fuel cells.
−ポリマー電解質−
前記ポリマー電解質(以下、「高分子電解質」又は「イオノマー」と称することがある。)は、前記触媒(粒子)を分散させ、かつ該触媒と一体化し、前記触媒電極(触媒層)を形成する、マトリックスとしての機能を有する。
前記ポリマー電解質は、前記シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドであることが必要であり、このようなスルホン化芳香族ポリイミドとしては、下記一般式(1)で表される構造単位と、下記一般式(2)で表される構造単位とを少なくとも有し、好ましくは下記一般式(3)で表される構造単位を更に有してなるものが好適に挙げられる。
-Polymer electrolyte-
The polymer electrolyte (hereinafter sometimes referred to as “polymer electrolyte” or “ionomer”) disperses the catalyst (particles) and is integrated with the catalyst to form the catalyst electrode (catalyst layer). And function as a matrix.
The polymer electrolyte needs to be a sulfonated aromatic polyimide having the siloxane bond, and as such a sulfonated aromatic polyimide, a structural unit represented by the following general formula (1) and the following general formula Suitable examples include those having at least a structural unit represented by the formula (2), preferably further having a structural unit represented by the following general formula (3).
−−一般式(1)で表される構造単位−−
前記一般式(1)で表される構造単位(以下、「スルホン化芳香族ユニット」と称することがある。)は、下記構造式(10)で表される芳香族テトラカルボン酸無水物と、スルホン酸基を有する芳香族ジアミンとを反応させて得られ、ポリイミド骨格を有する。
-Structural unit represented by general formula (1)-
The structural unit represented by the general formula (1) (hereinafter sometimes referred to as “sulfonated aromatic unit”) includes an aromatic tetracarboxylic acid anhydride represented by the following structural formula (10): It is obtained by reacting with an aromatic diamine having a sulfonic acid group, and has a polyimide skeleton.
前記構造式(1)から(5)で表される置換基においては、ナフタレン環が含まれているので、ポリイミドの耐水性を向上させることができる。前記構造式(1)から(5)で表される置換基の中でも、溶媒に対する溶解性に優れる点で、構造式(3)から(5)で表される置換基が好ましく、構造式(4)から(5)で表される置換基がより好ましい。カルボニル基、フタロイル基等の電子吸引性基が存在すると、前記スルホン酸基を有する芳香族ジアミンとの反応性が高く、より高分子量のポリイミドが形成され易く、高温耐水性に優れたスルホン化芳香族ポリイミドが得られる。 Since the substituents represented by the structural formulas (1) to (5) contain a naphthalene ring, the water resistance of the polyimide can be improved. Among the substituents represented by the structural formulas (1) to (5), the substituents represented by the structural formulas (3) to (5) are preferable in view of excellent solubility in a solvent. ) To (5) are more preferred. When an electron-withdrawing group such as a carbonyl group or a phthaloyl group is present, the sulfonated aromatic group is highly reactive with the aromatic diamine having the sulfonic acid group, easily forms a higher molecular weight polyimide, and has excellent high-temperature water resistance. A group polyimide is obtained.
前記スルホン酸基を有する芳香族ジアミンとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、下記構造式(11)から(14)で表されるものが挙げられる。 There is no restriction | limiting in particular as aromatic diamine which has the said sulfonic acid group, According to the objective, it can select suitably, For example, what is represented by following Structural formula (11) to (14) is mentioned.
前記R1で表されるスルホン酸基を有する2価の芳香族基としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、下記構造式(15)から(18)で表されるものが挙げられる。
また、高温耐水性に優れたスルホン化芳香族ポリイミドが得られる点で、前記スルホン酸基は、側鎖の芳香族核に結合しているのが好ましい。
The divalent aromatic group having a sulfonic acid group represented by R 1 is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, the following structural formulas (15) to (18) The thing represented by is mentioned.
Moreover, it is preferable that the said sulfonic acid group is couple | bonded with the aromatic nucleus of a side chain at the point from which the sulfonated aromatic polyimide excellent in high temperature water resistance is obtained.
−−一般式(2)で表される構造単位−−
前記一般式(2)で表される構造単位(以下、「シロキサンユニット」と称することがある。)は、前記構造式(10)で表される芳香族テトラカルボン酸無水物と、下記構造式(19)で表され、主鎖にシロキサン結合を有する芳香族ジアミンとを反応させて得られ、シロキサン結合及びポリイミド骨格を有する。
-Structural unit represented by general formula (2)-
The structural unit represented by the general formula (2) (hereinafter sometimes referred to as “siloxane unit”) includes the aromatic tetracarboxylic acid anhydride represented by the structural formula (10) and the following structural formula. (19), which is obtained by reacting an aromatic diamine having a siloxane bond in the main chain, and has a siloxane bond and a polyimide skeleton.
−−一般式(3)で表される構造単位−−
前記一般式(3)で表される構造単位(以下、「非スルホン化芳香族ユニット」と称することがある。)は、前記構造式(10)で表される芳香族テトラカルボン酸無水物と、スルホン酸基を有しない芳香族ジアミンとを反応させて得られ、イミド基を有する。
前記スルホン酸基を有しない芳香族ジアミンとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、下記構造式(20)から(23)で表される化合物が好適に挙げられる。
-Structural unit represented by general formula (3)-
The structural unit represented by the general formula (3) (hereinafter sometimes referred to as “non-sulfonated aromatic unit”) includes the aromatic tetracarboxylic acid anhydride represented by the structural formula (10) and It is obtained by reacting with an aromatic diamine having no sulfonic acid group and has an imide group.
The aromatic diamine having no sulfonic acid group is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, compounds represented by the following structural formulas (20) to (23) are preferred. Can be mentioned.
また、前記一般式(3)で表される構造単位においては、前記R3で表されるスルホン酸基を有しない2価の芳香族基が、スルホン酸基を有しない3価の芳香族基で置換されているのが好ましい。この場合、前記スルホン化芳香族ポリイミド中に、分岐構造が形成されることにより、耐久性が向上する。
前記スルホン酸基を有しない3価の芳香族基としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、下記構造式(24)で表されるトリアミンから形成される基が好適に挙げられる。
In the structural unit represented by the general formula (3), the divalent aromatic group having no sulfonic acid group represented by R 3 is a trivalent aromatic group having no sulfonic acid group. Is preferably substituted with. In this case, durability is improved by forming a branched structure in the sulfonated aromatic polyimide.
The trivalent aromatic group having no sulfonic acid group is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, the trivalent aromatic group is formed from a triamine represented by the following structural formula (24). A group is preferably mentioned.
前記スルホン酸基を有しない3価の芳香族基による置換のモル比率としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記一般式(3)で表される構造単位に対して、10モル%以下が好ましく、5モル%以下がより好ましい。
前記モル比率が、10モル%を超えると、スルホン化ポリイミドのポリマー溶液が不溶化し易く、ゲル化することがある。
There is no restriction | limiting in particular as molar ratio of substitution by the trivalent aromatic group which does not have the said sulfonic acid group, Although it can select suitably according to the objective, The structural unit represented by the said General formula (3) The amount is preferably 10 mol% or less, and more preferably 5 mol% or less.
When the molar ratio exceeds 10 mol%, the polymer solution of the sulfonated polyimide is easily insolubilized and may be gelled.
本発明の前記スルホン化芳香族ポリイミドにおける、前記一般式(1)で表される構造単位(xモル)に対する前記一般式(2)で表される構造単位(zモル)のモル比(x/z)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、99/1〜10/90であるのが好ましい。該モル比が、前記数値範囲内であると、所望のプロトン伝導度を得ることができる。 In the sulfonated aromatic polyimide of the present invention, the molar ratio (x / mol) of the structural unit (z mol) represented by the general formula (2) to the structural unit (x mol) represented by the general formula (1). z) is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 99/1 to 10/90. When the molar ratio is within the above numerical range, desired proton conductivity can be obtained.
また、前記一般式(2)で表される構造単位の一部を、前記一般式(3)で表される構造単位に置換することにより、前記一般式(3)で表される構造単位を更に有するスルホン化芳香族ポリイミドが得られる。この場合、得られるスルホン化芳香族ポリイミドを用いた電解質膜の膜強度(耐久性)を増大させることができるほか、イオン交換基濃度を調整することができる。 Further, by replacing a part of the structural unit represented by the general formula (2) with the structural unit represented by the general formula (3), the structural unit represented by the general formula (3) is changed. Furthermore, the sulfonated aromatic polyimide which has is obtained. In this case, the membrane strength (durability) of the electrolyte membrane using the sulfonated aromatic polyimide obtained can be increased, and the ion exchange group concentration can be adjusted.
前記スルホン化芳香族ポリイミドは、前記一般式(1)から(3)で表される各構造単位がランダムに共重合したランダム共重合体であってもよいし、各構造単位が複数個ずつ連結してブロック(以下、「シークエンスブロック」と称することがある。)として共重合したブロック共重合体(以下、「シークエンス共重合体」と称することがある。)であってもよい。
ただし、前記スルホン化芳香族ポリイミドにおける、前記一般式(2)で表されるシロキサンユニットの割合が高い場合、例えば、20質量%以上の場合には、前記一般式(1)で表されるスルホン化芳香族ユニットは、シークエンスブロックとして共重合するのが好ましく、前記一般式(3)で表される非スルホン化芳香族ユニットを用いる場合には、前記スルホン化芳香族ユニットは、ランダム及びシークエンスのいずれにより共重合してもよい。
なお、前記スルホン化芳香族ユニットのブロック鎖が長い場合、例えば、8以上である場合には、前記一般式(1)で表される構造単位におけるR1の一部に、トリアミン、テトラミン等による分岐構造を形成してもよい。
The sulfonated aromatic polyimide may be a random copolymer obtained by randomly copolymerizing the structural units represented by the general formulas (1) to (3), or a plurality of the structural units may be connected to each other. Then, it may be a block copolymer (hereinafter also referred to as “sequence copolymer”) copolymerized as a block (hereinafter also referred to as “sequence block”).
However, when the ratio of the siloxane unit represented by the general formula (2) in the sulfonated aromatic polyimide is high, for example, 20% by mass or more, the sulfone represented by the general formula (1) The sulfonated aromatic unit is preferably copolymerized as a sequence block. When the non-sulfonated aromatic unit represented by the general formula (3) is used, the sulfonated aromatic unit may be random and sequenced. Any may be used for copolymerization.
In addition, when the block chain of the sulfonated aromatic unit is long, for example, when it is 8 or more, a part of R 1 in the structural unit represented by the general formula (1) is caused by triamine, tetramine, or the like. A branched structure may be formed.
前記スルホン化芳香族ポリイミドの合成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、一般的なポリイミドの合成方法を、そのまま使用することができる。 There is no restriction | limiting in particular as the synthesis | combining method of the said sulfonated aromatic polyimide, According to the objective, it can select suitably, For example, the synthesis method of a general polyimide can be used as it is.
前記スルホン化芳香族ポリイミドにおける、ポリイミド骨格、スルホン酸基及びシロキサン鎖の存在を確認する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、核磁気共鳴分析装置(NMR)を用いて吸収ピークを測定することにより、これらの構造を分析する方法が挙げられる。 The method for confirming the presence of the polyimide skeleton, sulfonic acid group and siloxane chain in the sulfonated aromatic polyimide is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, a nuclear magnetic resonance analyzer ( A method for analyzing these structures by measuring absorption peaks using (NMR).
前記スルホン化芳香族ポリイミドは、主鎖にフレキシブルで疎水性の高いシロキサン鎖を有するので、ミクロ相分離した構造を採り易く、疎水性と親水性とのバランスが良好であるため、プロトン伝導性及び耐水性に優れる。また、前記スルホン化芳香族ポリイミドは、分子量が大きく、耐熱性及び耐久性が高い。更に、前記スルホン化芳香族ポリイミドは、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)等の溶媒に可溶であり、成膜性が良好であり、しかも前記フレキシブルな主鎖構造であり、薄膜形成が可能である。このため、前記ポリマー電解質(イオノマー)、後述する電解質バインダーなどに好適である。 Since the sulfonated aromatic polyimide has a flexible and highly hydrophobic siloxane chain in the main chain, it is easy to adopt a microphase-separated structure and has a good balance between hydrophobicity and hydrophilicity. Excellent water resistance. The sulfonated aromatic polyimide has a large molecular weight, high heat resistance and durability. Furthermore, the sulfonated aromatic polyimide is soluble in a solvent such as dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAc), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), and has good film formability. In addition, the flexible main chain structure enables thin film formation. For this reason, it is suitable for the polymer electrolyte (ionomer), an electrolyte binder described later, and the like.
−触媒−
前記触媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、白金、ルテニウムなどが好適に挙げられる。
また、前記触媒は、炭素粉末に担持されているのが好ましい。該炭素粉末としては、導電性であり、ケッチェン法、アセチレン法等により作製した高ストラクチャ、かつ比表面積が大きいものが好ましい。
前記触媒の具体的な使用例としては、アノード側の触媒電極では、例えば、白金を担持した炭素粉末、白金−ルテニウムを担持した炭素粉末などを用いることができる。この場合、前記触媒の前記炭素粉末に対する担持量としては、例えば、10〜60質量%が好ましい。
また、カソード側の触媒電極では、例えば、白金を担持した炭素粉末などを用いることができる。この場合、前記触媒の前記炭素粉末に対する担持量としては、例えば、10〜80質量%が好ましい。
-Catalyst-
There is no restriction | limiting in particular as said catalyst, Although it can select suitably according to the objective, For example, platinum, ruthenium, etc. are mentioned suitably.
The catalyst is preferably supported on carbon powder. The carbon powder is preferably conductive and has a high structure and a large specific surface area produced by the Ketjen method, the acetylene method or the like.
Specific examples of the use of the catalyst include, for example, carbon powder supporting platinum, carbon powder supporting platinum-ruthenium, and the like in the catalyst electrode on the anode side. In this case, the amount of the catalyst supported on the carbon powder is preferably, for example, 10 to 60% by mass.
Further, for example, carbon powder carrying platinum can be used for the catalyst electrode on the cathode side. In this case, the amount of the catalyst supported on the carbon powder is preferably 10 to 80% by mass, for example.
前記触媒電極(触媒層)の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ポリマー電解質(イオノマー)としての前記シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドと、前記触媒を担持した炭素粉末と、溶媒とを混合することにより、触媒ペーストを作製する工程と、電解質膜の表面、あるいは拡散層となる多孔質カーボンの表面に、得られた触媒ペーストを塗布し、乾燥する工程とにより行うことができる。これらの工程により、多孔質の触媒層が形成される。 There is no restriction | limiting in particular as a preparation method of the said catalyst electrode (catalyst layer), According to the objective, it can select suitably, For example, the sulfonated aromatic polyimide which has the said siloxane bond as the said polymer electrolyte (ionomer), The obtained catalyst paste is applied to the surface of the electrolyte membrane or the surface of the porous carbon to be the diffusion layer by mixing the carbon powder carrying the catalyst and the solvent. And a drying step. By these steps, a porous catalyst layer is formed.
前記触媒ペーストの作製に使用する溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、低融点の極性溶媒が好ましく、具体的には、融点が20℃以下である極性溶媒が好ましい。このような極性溶媒としては、例えば、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドなどが好適に挙げられる。これらは1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
なお、使用する極性溶媒が水溶性の場合には、前記スルホン化芳香族ポリイミドの溶解性を損なわない範囲で、水と混合した混合溶液を使用してもよい。
There is no restriction | limiting in particular as a solvent used for preparation of the said catalyst paste, Although it can select suitably according to the objective, A polar solvent with a low melting point is preferable, Specifically, melting | fusing point is 20 degrees C or less polar A solvent is preferred. As such a polar solvent, for example, N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and the like are preferably exemplified. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.
In addition, when the polar solvent to be used is water-soluble, you may use the mixed solution mixed with water in the range which does not impair the solubility of the said sulfonated aromatic polyimide.
前記触媒ペーストの作製は、攪拌装置を用いた攪拌混合により行うことができ、該攪拌装置としては、特に制限はなく、力学的に粉砕効果を有する攪拌混合装置であれば適宜選択することができる。該攪拌装置としては、例えば、ホモジナイザー、ボールミル、遊星ボールミル、などが挙げられる。
前記攪拌混合を効率よく行うためには、前記攪拌混合時間としては、常温において、30〜300分であるのが好ましい。
前記攪拌混合時間が、30分未満であると、前記触媒を担持した炭素粉末と、前記ポリマー電解質との混合が不十分となることがあり、300分を超えても、それに見合う混合効果が得られないことがある。
The catalyst paste can be produced by stirring and mixing using a stirrer, and the stirrer is not particularly limited and can be appropriately selected as long as it is a stirrer and mixer having a mechanically pulverizing effect. . Examples of the stirring device include a homogenizer, a ball mill, a planetary ball mill, and the like.
In order to perform the stirring and mixing efficiently, the stirring and mixing time is preferably 30 to 300 minutes at room temperature.
If the stirring and mixing time is less than 30 minutes, the mixing of the carbon powder supporting the catalyst and the polymer electrolyte may be insufficient, and even if the mixing time exceeds 300 minutes, a suitable mixing effect is obtained. It may not be possible.
形成された多孔質の触媒層においては、前記触媒を担持した前記炭素粉末が、疎水性ブロック構造部と親水性ブロック構造部とを有するスルホン化芳香族ポリイミドにより被覆されている。このように、前記炭素粉末を被覆している前記ポリマー電解質が疎水性ブロック構造部を有するため、該炭素粉末の最外表面層が疎水性を示し、前記炭素粉末により形成され、ガス拡散経路となる空孔の部分が疎水性を示す。その結果、反応ガス、生成水等の前記触媒層内部での滞留が抑制され、ガスの拡散が容易になり、電池反応が長時間安定的に行われる。 In the formed porous catalyst layer, the carbon powder supporting the catalyst is covered with a sulfonated aromatic polyimide having a hydrophobic block structure portion and a hydrophilic block structure portion. Thus, since the polymer electrolyte covering the carbon powder has a hydrophobic block structure portion, the outermost surface layer of the carbon powder exhibits hydrophobicity, is formed of the carbon powder, and has a gas diffusion path and The part of the void | hole which becomes shows hydrophobicity. As a result, the retention of the reaction gas, generated water and the like inside the catalyst layer is suppressed, gas diffusion is facilitated, and the battery reaction is stably performed for a long time.
(膜電極接合体)
本発明の膜電極接合体(以下、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と称することがある。)は、電解質膜と、該電解質膜の表面に接合された、本発明の前記触媒電極とを少なくとも有し、更に必要に応じて、適宜選択したその他の部材を有してなる。
なお、本発明の触媒電極の詳細については、上述した通りである。
(Membrane electrode assembly)
The membrane electrode assembly of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “MEA (Membrane Electrode Assembly)”) includes at least an electrolyte membrane and the catalyst electrode of the present invention joined to the surface of the electrolyte membrane. And, if necessary, other members appropriately selected.
The details of the catalyst electrode of the present invention are as described above.
前記電解質膜としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の固体電解質を使用することができるが、スルホン化芳香族炭化水素系ポリマー電解質膜が好ましく、スルホン化芳香族ポリイミド膜がより好ましい。
前記膜電極接合体においては、前記電解質膜が、前記シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド(前記ポリマー電解質)を含む本発明の前記触媒電極と接合されるので、スルホン化芳香族炭化水素系ポリマー電解質膜を用いることにより、これらの接合強度を向上させることができ、前記ポリマー電解質と同系統の材料からなる電解質膜を使用することにより、接合強度をより向上させることができる。
The electrolyte membrane is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose, and a known solid electrolyte can be used. However, a sulfonated aromatic hydrocarbon polymer electrolyte membrane is preferable, and a sulfonated aroma is used. A group polyimide film is more preferred.
In the membrane electrode assembly, since the electrolyte membrane is joined to the catalyst electrode of the present invention containing the sulfonated aromatic polyimide having the siloxane bond (the polymer electrolyte), the sulfonated aromatic hydrocarbon polymer. By using the electrolyte membrane, these bonding strengths can be improved, and by using an electrolyte membrane made of the same type of material as the polymer electrolyte, the bonding strength can be further improved.
前記電解質膜の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、20〜200μmが好ましく、30〜150μmがより好ましい。
前記厚みが、20μm未満であると、電解質膜の強度が低く、燃料のクロスオーバーの影響が出易いことがあり、200μmを超えると、燃料電池運転時において、電解質膜の抵抗が大きくなりすぎることがある。
There is no restriction | limiting in particular as thickness of the said electrolyte membrane, Although it can select suitably according to the objective, 20-200 micrometers is preferable and 30-150 micrometers is more preferable.
When the thickness is less than 20 μm, the strength of the electrolyte membrane is low and the influence of fuel crossover is likely to occur. When the thickness exceeds 200 μm, the resistance of the electrolyte membrane becomes too large during fuel cell operation. There is.
前記電解質膜と前記触媒電極との接合は、電解質バインダーを用いて行われるのが好ましい。
前記電解質バインダーは、前記触媒電極を前記電解質膜の表面に固着させる接着剤としての機能を有する。該電解質バインダーとしては、シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドであるのが好ましい。この場合、前記触媒電極における前記ポリマー電解質(イオノマー)と同系統の材料であるため、該触媒電極との接合性が向上し、更に前記電解質膜がスルホン化炭化水素系ポリマー固体電解質のように同系統の材料で形成される場合には、より接合強度を向上させることができるため、耐久性に極めて優れる膜電極接合体が得られる点で有利である。
なお、前記シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドの詳細については、本発明の上記触媒電極における上記ポリマー電解質において上述した通りである。
The joining of the electrolyte membrane and the catalyst electrode is preferably performed using an electrolyte binder.
The electrolyte binder has a function as an adhesive for fixing the catalyst electrode to the surface of the electrolyte membrane. The electrolyte binder is preferably a sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond. In this case, since the material is the same system as the polymer electrolyte (ionomer) in the catalyst electrode, the bondability with the catalyst electrode is improved, and the electrolyte membrane is the same as a sulfonated hydrocarbon polymer solid electrolyte. When formed of a system material, the bonding strength can be further improved, which is advantageous in that a membrane electrode assembly having extremely excellent durability can be obtained.
In addition, about the detail of the sulfonated aromatic polyimide which has the said siloxane bond, it is as having mentioned above in the said polymer electrolyte in the said catalyst electrode of this invention.
前記膜電極接合体の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記触媒を担持した炭素粉末、前記ポリマー電解質(イオノマー)及び前記溶媒を攪拌混合して作製した上記触媒ペーストを、前記電解質膜の表面に塗布した後、60〜250℃の温度で熱処理し、該電解質膜の両面に前記触媒電極(触媒層)を安定に熱圧着して形成する方法、前記触媒ペーストを、カーボン多孔質支持体に塗布してガス拡散電極とし、前記電解質膜にこれを接合する方法、などが挙げられる。後者においては、必要に応じて、前記電解質バインダーが、接合材として使用される。 The method for producing the membrane electrode assembly is not particularly limited and may be appropriately selected according to the purpose. For example, the carbon powder supporting the catalyst, the polymer electrolyte (ionomer), and the solvent are mixed with stirring. After the catalyst paste prepared in this manner is applied to the surface of the electrolyte membrane, heat treatment is performed at a temperature of 60 to 250 ° C., and the catalyst electrodes (catalyst layers) are stably thermocompression-bonded on both surfaces of the electrolyte membrane. Examples thereof include a method, a method in which the catalyst paste is applied to a carbon porous support to form a gas diffusion electrode, and this is joined to the electrolyte membrane. In the latter, the electrolyte binder is used as a bonding material as required.
前記触媒ペーストは、例えば、ドクターブレードにより、前記電解質膜又は前記カーボン多孔質支持体に、所望の膜厚に塗布することができる。
前記触媒ペーストの膜厚は、スクリーン印刷、ドクターブレードのクリアランスを調整することにより変化させることができ、種々の厚みの触媒層を作製することができる。なお、前記触媒ペーストの塗布時の膜厚としては、例えば、50〜300μmの範囲である。
前記カーボン多孔質支持体は、電子伝導性支持体であり、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の多孔質の基材が挙げられる。
The catalyst paste can be applied to the electrolyte membrane or the carbon porous support with a desired film thickness by, for example, a doctor blade.
The film thickness of the catalyst paste can be changed by adjusting screen printing and the clearance of the doctor blade, and catalyst layers having various thicknesses can be produced. In addition, as a film thickness at the time of application | coating of the said catalyst paste, it is the range of 50-300 micrometers, for example.
The carbon porous support is an electron conductive support, and examples thereof include porous substrates such as carbon paper and carbon cloth.
前記電解質膜上に塗布形成した触媒電極(触媒層)及び/又は前記ガス拡散電極と、前記電解質膜との接合は、熱圧着(ホットプレス)により行うことができる。該熱圧着により、これらは一体化され、膜電極接合体(MEA)が形成される。
前記熱圧着による接合の際の温度としては、120〜250℃が好ましく、圧力としては、20〜200kgf/cm2が好ましい。
前記温度が120℃未満である場合、及び前記圧力が20kgf/cm2未満である場合には、前記電解質膜と前記触媒電極(触媒層)との接合性が悪化し、剥離が生じることがある。また、前記温度が250℃を超える場合、及び前記圧力が200kgf/cm2を超える場合には、電解質部分の分解が生じることがある。
前記熱圧着(ホットプレス)の時間としては、接合温度及び圧力により変化するが、通常、30〜600秒間の範囲であるのが好ましい。
前記熱圧着時間が、30秒未満であると、前記電解質膜と前記触媒電極(触媒層)との接合性が不十分であることがあり、600秒を超えると、電解質部分の分解が生じることがある。
The catalyst electrode (catalyst layer) and / or the gas diffusion electrode applied and formed on the electrolyte membrane and the electrolyte membrane can be joined by thermocompression bonding (hot pressing). By thermocompression bonding, these are integrated to form a membrane electrode assembly (MEA).
The temperature at the time of joining by thermocompression bonding is preferably 120 to 250 ° C., and the pressure is preferably 20 to 200 kgf / cm 2 .
When the temperature is less than 120 ° C. and the pressure is less than 20 kgf / cm 2, the bondability between the electrolyte membrane and the catalyst electrode (catalyst layer) may be deteriorated and peeling may occur. . Further, when the temperature exceeds 250 ° C. and when the pressure exceeds 200 kgf / cm 2 , decomposition of the electrolyte portion may occur.
Although the time of the said thermocompression bonding (hot press) changes with joining temperature and pressure, Usually, it is preferable that it is the range for 30 to 600 seconds.
If the thermocompression bonding time is less than 30 seconds, the bonding property between the electrolyte membrane and the catalyst electrode (catalyst layer) may be insufficient, and if it exceeds 600 seconds, decomposition of the electrolyte portion may occur. There is.
ここで、本発明の前記膜電極接合体の一例を、以下に図面を用いて説明する。
図1に示すように、膜電極接合体10は、燃料極触媒層(触媒電極)12Aと、電解質膜15と、空気極触媒層(触媒電極)12Bとを、この順に積層してなる構造を有し、電解質膜15の両面と、燃料極触媒層(触媒電極)12A及び空気極触媒層(触媒電極)12B、それぞれの表面とが、電解質バインダー16を介してホットプレス等されることにより接合されている。また、触媒電極12A及び12Bは、触媒13Aを担持させた炭素粉末13Bが、ポリマー電解質(イオノマー)14に分散されて形成されている。
膜電極接合体10においては、触媒電極12A及び12Bにおける、ポリマー電解質14が前記シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドであるため、電解質バインダー16として、前記シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドを使用し、電解質膜15の材料としてスルホン化芳香族炭化水素系ポリマーを用いると、触媒電極12A及び12B並びに電解質膜15の接合性を著しく向上させることができる。
Here, an example of the membrane electrode assembly of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the
In the
本発明の膜電極接合体は、プロトン伝導性に優れ、耐久性(前記電解質膜と前記触媒電極との接合強度)が高いので、直接メタノール型燃料電池(DMFC)、改質型メタノール燃料電池、水素燃料電池等の固体高分子型燃料電池に好適に使用可能であり、以下の本発明の固体高分子型燃料電池に特に好適に使用可能である。
また、前記膜電極接合体は、メタノールのクロスオーバーを抑制可能であるため、前記DMFCに使用した場合、優れたプロトン伝導性を示し、かつメタノールの透過を抑制し、利用効率の向上及びセル電圧の低下抑制を実現することができる。
Since the membrane electrode assembly of the present invention has excellent proton conductivity and high durability (bonding strength between the electrolyte membrane and the catalyst electrode), a direct methanol fuel cell (DMFC), a reformed methanol fuel cell, It can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell such as a hydrogen fuel cell, and can be particularly suitably used for the following polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
In addition, since the membrane electrode assembly is capable of suppressing methanol crossover, when used in the DMFC, it exhibits excellent proton conductivity and suppresses methanol permeation, improving utilization efficiency and cell voltage. Can be suppressed.
(固体高分子型燃料電池)
本発明の固体高分子型燃料電池は、本発明の前記膜電極接合体を少なくとも有してなり、更に必要に応じて、その他の部材を有してなる。
なお、本発明の前記膜電極接合体の詳細については、上述した通りである。
(Solid polymer fuel cell)
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises at least the membrane electrode assembly of the present invention, and further comprises other members as necessary.
The details of the membrane electrode assembly of the present invention are as described above.
前記固体高分子型燃料電池の態様としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、直接メタノール型燃料電池(DMFC)、改質型メタノール燃料電池、水素燃料電池などが挙げられる。これらの中でも、メタノール、水素のクロスオーバーを抑制し、発電特性を効果的に向上させることができる点で、直接メタノール型燃料電池及び水素燃料電池であるのが特に好ましい。 The aspect of the polymer electrolyte fuel cell is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include a direct methanol fuel cell (DMFC), a reformed methanol fuel cell, and a hydrogen fuel cell. It is done. Among these, direct methanol fuel cells and hydrogen fuel cells are particularly preferable in that crossover of methanol and hydrogen can be suppressed and power generation characteristics can be effectively improved.
本発明の前記固体高分子型燃料電池は、本発明の前記膜電極接合体を有しているので、燃料(例えば、メタノールや水素)のクロスオーバーを抑制し、利用効率の向上及びセル電圧低下の抑制を実現することができる。このため、各種の電気機器、例えば、携帯性情報機器、具体的には、携帯電話機、パソコン、デジタルカメラ、ポータブルオーディオ、MP3、玩具等に好適に使用することができる。 Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention has the membrane electrode assembly of the present invention, the crossover of fuel (for example, methanol or hydrogen) is suppressed, the utilization efficiency is improved, and the cell voltage is lowered. Can be suppressed. For this reason, it can be suitably used for various electric devices, for example, portable information devices, specifically, mobile phones, personal computers, digital cameras, portable audio, MP3, toys, and the like.
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
−シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド(シークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BAPBDS/APPDMS(5/1)−s)の合成−
まず、下記合成工程1に基づいて、4,4‘−ケトンジナフタレン−1,1’,8,8‘−テトラカルボン酸二無水物(KDNTDA)を合成した。
触媒として、塩化アルミニウムを、溶媒として、1,1,2,2−テトラクロルエタンを、それぞれ用い、アセナフテンを塩化アセチルと反応させて、4−アセチルナフテン(AAN)を合成した。これを、苛性ソーダ水と臭素とを反応させて合成したNaBrOを用いて酸化し、4−アセナフテンカルボン酸(ANCA)を生成した。更に、塩化チオニルを用いてカルボン酸クロリド(ANCC)を生成した。次いで、AANとANCCとをフリーデルクラフト反応させて、4,4‘−ジアセナフチルケトン(DANK)を合成した。これを、酢酸溶液中にて、重クロム酸カリにより酸化し、4,4‘−ケトンジナフタレン−1,1’,8,8‘−テトラカルボン酸(KDNTA)を生成し、次いで、無水酢酸で脱水してテトラカルボン酸二無水物(KDNTDA)を得た。
-Synthesis of a sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond (sequenced copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (5/1) -s)-
First, 4,4′-ketone dinaphthalene-1,1 ′, 8,8′-tetracarboxylic dianhydride (KDNTDA) was synthesized based on
4-acetylnaphthene (AAN) was synthesized by reacting acenaphthene with acetyl chloride using aluminum chloride as a catalyst and 1,1,2,2-tetrachloroethane as a solvent, respectively. This was oxidized using NaBrO synthesized by reacting caustic soda water and bromine to produce 4-acenaphthenecarboxylic acid (ANCA). Furthermore, carboxylic acid chloride (ANCC) was produced using thionyl chloride. Subsequently, AAN and ANCC were subjected to Friedel-Craft reaction to synthesize 4,4′-diacenaphthyl ketone (DANK). This is oxidized with potassium dichromate in an acetic acid solution to produce 4,4′-ketone dinaphthalene-1,1 ′, 8,8′-tetracarboxylic acid (KDNTA), and then acetic anhydride. To obtain tetracarboxylic dianhydride (KDNTDA).
酸二無水物として、合成工程1に基づいて合成した4,4‘−ケトンジナフタレン−1,1’,8,8‘−テトラカルボン酸二無水物(KDNTDA)を、スルホン化ジアミンとして、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル3,3’−ジスルホン酸(BAPBDS)を、シロキサン含有ジアミンとして、α,ω−アミノプロピルポリジメチルシロキサンオリゴマー(APPDMS1)を、それぞれ用いた。
まず、乾燥した100mlの四口フラスコ中、窒素ガス気流下で、BAPBDS1.901g(3.6ミリモル)、及びトリエチルアミン(TEA)1.2mlを、m−クレゾール26mlに添加して溶解させた。次いで、APPDMS1を0.810g(0.90ミリモル)添加して溶解させた後、KDNTDA1.899g(4.5ミリモル)、及び安息香酸0.77gを加え、窒素ガス雰囲気下にて混合物を80℃で4時間攪拌した後、m−クレゾール16mLと、イソキノリン0.40gとを添加し、180℃で20時間攪拌した。得られた重合反応液を室温まで冷却した後、多量のアセトンに投入し、析出した固体を濾別した。更に、得られた固体をアセトンで洗浄した後、イソプロパノールでソックスレー抽出し、乾燥し、下記構造式で表される、ランダム共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BAPBDS/APPDMS1(4/1)−rを得た。得られた生成物の還元粘度ηSP/c(溶媒:m−クレゾール;0.5質量%、35℃)は、3.5dl/gであった。
As an acid dianhydride, 4,4′-ketone dinaphthalene-1,1 ′, 8,8′-tetracarboxylic dianhydride (KDNTDA) synthesized based on
First, in a dry 100 ml four-necked flask, 1.901 g (3.6 mmol) of BAPBDS and 1.2 ml of triethylamine (TEA) were added to 26 ml of m-cresol and dissolved in a nitrogen gas stream. Then, 0.810 g (0.90 mmol) of APPDMS1 was added and dissolved, then 1.899 g (4.5 mmol) of KDNTDA and 0.77 g of benzoic acid were added, and the mixture was heated at 80 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Then, 16 mL of m-cresol and 0.40 g of isoquinoline were added, and the mixture was stirred at 180 ° C. for 20 hours. The obtained polymerization reaction liquid was cooled to room temperature, then poured into a large amount of acetone, and the precipitated solid was separated by filtration. Further, the obtained solid was washed with acetone, extracted with Soxhlet with isopropanol, dried, and a random copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BAPBDS / APPDMS1 (4/1) -r represented by the following structural formula was obtained. It was. The product obtained had a reduced viscosity η SP / c (solvent: m-cresol; 0.5 mass%, 35 ° C.) of 3.5 dl / g.
得られたスルホン化芳香族ポリイミドを、ジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させ、テフロン(登録商標)板上に流延し、120℃で10時間乾燥して、TEA塩型の共重合スルホン化ポリイミド膜を得た。これをメタノールに2日間浸漬し、次いで、1M硫酸溶液に3日間浸漬しプロトン交換した。次いで、水に2日間浸漬し、洗浄した後、150℃で1時間、更に200℃で1時間真空乾燥して、プロトン型のシークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BAPBDS/APPDMS(4/1)−s膜を作製した。 The obtained sulfonated aromatic polyimide is dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO), cast on a Teflon (registered trademark) plate, dried at 120 ° C. for 10 hours, and a TEA salt-type copolymerized sulfonated polyimide membrane Got. This was immersed in methanol for 2 days, and then immersed in 1M sulfuric acid solution for 3 days to exchange protons. Next, it was immersed in water for 2 days, washed, and then vacuum-dried at 150 ° C. for 1 hour and further at 200 ° C. for 1 hour to obtain proton type sequence copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (4/1) A -s film was produced.
得られたスルホン化芳香族ポリイミドのDMSO−d6中での1HNMRスペクトルを図2に示す。なお、ジメチルシロキサン含有ジアミン(APPDMS)のスペクトルを、図2に併せて示す。
図2より、合成したスルホン化芳香族ポリイミドのスペクトルと、APPDMS1のスペクトルとを比較すると、スルホン化芳香族ポリイミドのピークに加えて、スルホン化芳香族ポリイミド中に、ジメチルシロキサン部のメチルプロトンと、プロピレン部のメチレンプロトンとが更に組み込まれていることが判った。また、ナフタレン環プロトン(1,2,5)と、スルホン酸ジアミン残基のプロトン(6,7,8,9)との強度比から求めたイオン交換容量IECは、1.65meq/gであり、仕込みモノマー比から計算したIEC値と略一致した。
The 1 HNMR spectrum in DMSO-d 6 obtained sulfonated aromatic polyimide shown in FIG. The spectrum of dimethylsiloxane-containing diamine (APPDMS) is also shown in FIG.
From FIG. 2, when comparing the spectrum of the synthesized sulfonated aromatic polyimide and the spectrum of APPDMS1, in addition to the peak of the sulfonated aromatic polyimide, in the sulfonated aromatic polyimide, It was found that methylene protons in the propylene part were further incorporated. The ion exchange capacity IEC determined from the intensity ratio of the naphthalene ring proton (1,2,5) to the proton of the sulfonic acid diamine residue (6,7,8,9) is 1.65 meq / g. The IEC value calculated from the charged monomer ratio was almost the same.
<膜電極接合体の作製>
−触媒電極の作製−
(1)アノード側触媒電極の作製
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、合成したシークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BAPBDS/APPDMS(4/1)−sを用いた。該イオノマーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(KDNTDA−BAPBDS/APPDMS(4/1)−s、イオン交換容量1.7meq/g、トリエチルアミン塩型、樹脂成分6質量%)20gに、Pt−Ru担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC61E54」、Pt−Ru担持量54質量%)2.6gを加え、遊星式ボールミルを用いて攪拌混合(200rpm、1時間)し、アノード側の触媒ペーストを調製した。
得られた触媒ペーストを、バーコーターを用いて、厚み280μmのカーボンペーパー(東レ(株)製、「TGH−H−090」)上に塗布した後、乾燥して触媒電極(触媒層)を作製した。ここで、触媒層中のPt−Ru量は、2mg/cm2となるようにした。
次いで、得られた触媒電極を、0.5Nの硫酸水溶液に25℃、24時間浸漬し、触媒層中の残存溶媒の除去と、スルホン化芳香族ポリイミド樹脂のプロトン交換とを行った。更に、触媒電極をイオン交換水に25℃、24時間浸漬し、触媒層中の過剰な硫酸を洗浄により除去した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
-Fabrication of catalyst electrode-
(1) Preparation of anode side catalyst electrode As the polymer electrolyte (ionomer), synthesized sequence copolymerization sulfonated polyimide KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (4/1) -s was used. Pt-Ru supported carbon was added to 20 g of a dimethylacetamide (DMAc) solution of the ionomer (KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (4/1) -s, ion exchange capacity 1.7 meq / g, triethylamine salt type, resin component 6% by mass). 2.6 g of particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC61E54”, 54% by mass of Pt—Ru supported) are added and stirred and mixed (200 rpm, 1 hour) using a planetary ball mill, and the catalyst paste on the anode side Was prepared.
The obtained catalyst paste was applied onto a carbon paper having a thickness of 280 μm (“TGH-H-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) using a bar coater and then dried to produce a catalyst electrode (catalyst layer). did. Here, the amount of Pt—Ru in the catalyst layer was set to 2 mg / cm 2 .
Next, the obtained catalyst electrode was immersed in a 0.5N sulfuric acid aqueous solution at 25 ° C. for 24 hours to remove the residual solvent in the catalyst layer and to perform proton exchange of the sulfonated aromatic polyimide resin. Further, the catalyst electrode was immersed in ion exchange water at 25 ° C. for 24 hours, and excess sulfuric acid in the catalyst layer was removed by washing.
(2)カソード側触媒電極の作製
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、合成したシークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BAPBDS/APPDMS(4/1)−sを用いた。該イオノマーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(KDNTDA−BAPBDS/APPDMS(4/1)−s、イオン交換容量1.7meq/g、トリエチルアミン塩型、樹脂成分6質量%)20gに、Pt担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC10E50E」、Pt担持量46質量%)4.4gを加え、遊星式ボールミルを用いて攪拌混合(200rpm、1時間)し、カソード側の触媒ペーストを調製した。
得られた触媒ペーストを、バーコーターを用いて、厚み280μmのカーボンペーパー(東レ(株)製、「TGH−H−090」)上に塗布した後、乾燥して触媒電極(触媒層)を作製した。ここで、触媒層中のPt量は、2mg/cm2となるようにした。
次いで、得られた触媒電極を、0.5Nの硫酸水溶液に25℃、24時間浸漬し、触媒層中の残存溶媒の除去と、スルホン化芳香族ポリイミド樹脂のプロトン交換とを行った。更に、触媒電極をイオン交換水に25℃、24時間浸漬し、触媒層中の過剰な硫酸を洗浄により除去した。
(2) Preparation of cathode side catalyst electrode As the polymer electrolyte (ionomer), synthesized sequence copolymerization sulfonated polyimide KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (4/1) -s was used. 20 g of a dimethylacetamide (DMAc) solution of this ionomer (KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (4/1) -s, ion exchange capacity 1.7 meq / g, triethylamine salt type, resin component 6% by mass) was added to Pt-supported carbon particles ( 4.4 g of “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt loading amount of 46% by mass) was added and stirred and mixed (200 rpm, 1 hour) using a planetary ball mill to prepare a catalyst paste on the cathode side.
The obtained catalyst paste was applied onto a carbon paper having a thickness of 280 μm (“TGH-H-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) using a bar coater and then dried to produce a catalyst electrode (catalyst layer). did. Here, the amount of Pt in the catalyst layer was set to 2 mg / cm 2 .
Next, the obtained catalyst electrode was immersed in a 0.5N sulfuric acid aqueous solution at 25 ° C. for 24 hours to remove the residual solvent in the catalyst layer and to perform proton exchange of the sulfonated aromatic polyimide resin. Further, the catalyst electrode was immersed in ion exchange water at 25 ° C. for 24 hours, and excess sulfuric acid in the catalyst layer was removed by washing.
−電解質膜の作製−
−−シロキサン鎖を有しないスルホン化芳香族ポリイミド(ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BAPBDS/BAPB(2/1)−r)の合成−−
酸二無水物として、1,4,5,8、‐ナフタレンテトラカルボン酸二無水物(NTDA)1.609g(6.0ミリモル)を、スルホン化ジアミンとして、4,4’‐ビス(4‐アミノフェノキシ)ビフェニル3,3’‐ジスルホン酸(BAPBDS)2.114g(4.0ミリモル)を、非スルホン酸ジアミンとして、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル(BAPB)0.737g(2.0ミリモル)を、それぞれ用い、実施例3と同様にして、下記構造式で表される、ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BAPBDS/BAPB(2/1)−rを得た。得られた生成物の還元粘度ηSP/c(溶媒:m−クレゾール;0.5質量%、35℃)は、2.8dl/gであった。
-Production of electrolyte membrane-
--Synthesis of sulfonated aromatic polyimide having no siloxane chain (random copolymerized sulfonated polyimide NTDA-BAPBDS / BAPB (2/1) -r)-
1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTDA) 1.609 g (6.0 mmol) as the acid dianhydride and 4,4′-bis (4- Aminophenoxy) biphenyl 3,3′-disulfonic acid (BAPBDS) 2.114 g (4.0 mmol) as a non-sulfonic diamine, 4,4′-bis (4-aminophenoxy) biphenyl (BAPB) 0.737 g (2.0 mmol) was used in the same manner as in Example 3 to obtain a random copolymerized sulfonated polyimide NTDA-BAPBDS / BAPB (2/1) -r represented by the following structural formula. The product obtained had a reduced viscosity η SP / c (solvent: m-cresol; 0.5 mass%, 35 ° C.) of 2.8 dl / g.
得られたシロキサン鎖を有しないスルホン化芳香族ポリイミドを、m−クレゾールに溶解させ、ガラス板上に流延し、120℃で10時間乾燥して、TEA塩型の共重合スルホン化ポリイミド膜を得た。これをメタノールに2日間浸漬し、次いで、1M硫酸溶液に3日間浸漬しプロトン交換した。次いで、水に2日間浸漬し、洗浄した後、150℃で1時間、更に200℃で1時間真空乾燥して、プロトン型のランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BAPBDS/BAPB(2/1)−r膜(電解質膜)を作製した。 The obtained sulfonated aromatic polyimide having no siloxane chain was dissolved in m-cresol, cast on a glass plate, and dried at 120 ° C. for 10 hours to prepare a TEA salt type copolymer sulfonated polyimide membrane. Obtained. This was immersed in methanol for 2 days, and then immersed in 1M sulfuric acid solution for 3 days to exchange protons. Next, after being immersed in water for 2 days, washed, and then vacuum-dried at 150 ° C. for 1 hour and further at 200 ° C. for 1 hour, proton-type random copolymer sulfonated polyimide NTDA-BAPBDS / BAPB (2/1)- An r film (electrolyte film) was prepared.
以上により得られた触媒電極及び電解質膜を用い、膜電極接合体を作製した。
作製した電解質膜(厚み50μm)の両面に、前記電解質バインダー(接合バインダー)として、合成したシークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BAPBDS/APPDMS(4/1)−sを用い、該電解質バインダーのジメチルスルホキシド(DMSO)溶液(イオン交換容量1.7meq/g、プロトン型、樹脂成分5質量%)を塗布して、50℃で30分間乾燥させた。ここで、電解質バインダーの塗布量は、1.5mg/cm2となるようにした。
前記電解質膜の一方の面に、作製したアノード極側の触媒層を、他方の面に、作製したカソード極側の触媒層を、それぞれ重ね合わせて、160℃、50kgf/cm2で、120秒間ホットプレスして、膜電極接合体を得た。
得られた膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)の電流密度とセル電圧との関係を図3に示す。
Using the catalyst electrode and the electrolyte membrane obtained as described above, a membrane electrode assembly was produced.
Using the synthesized sequence copolymerization sulfonated polyimide KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (4/1) -s as the electrolyte binder (bonding binder) on both sides of the prepared electrolyte membrane (thickness 50 μm), dimethyl of the electrolyte binder A sulfoxide (DMSO) solution (ion exchange capacity 1.7 meq / g, proton type, 5% by mass of resin component) was applied and dried at 50 ° C. for 30 minutes. Here, the coating amount of the electrolyte binder was set to 1.5 mg / cm 2 .
The prepared anode electrode side catalyst layer is superimposed on one surface of the electrolyte membrane, and the prepared cathode electrode side catalyst layer is superimposed on the other surface, respectively, at 160 ° C. and 50 kgf / cm 2 for 120 seconds. Hot pressing was performed to obtain a membrane electrode assembly.
FIG. 3 shows the relationship between the current density and the cell voltage of a direct methanol fuel cell (DMFC) using the obtained membrane electrode assembly.
(実施例2)
実施例1において、アノード側触媒電極を、下記方法により作製した以外は、実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製した。
(Example 2)
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode side catalyst electrode was produced by the following method in Example 1.
−アノード側触媒電極の作製−
実施例1と同様に、前記ポリマー電解質(イオノマー)として、シークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BAPBDS/APPDMS(4/1)−sを用いた。該イオノマーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(イオン交換容量1.7meq/g、トリエチルアミン塩型、樹脂成分6質量%)20gに、Pt−Ru担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC61E54」、Pt−Ru担持量54質量%)5.2gを加え、遊星式ボールミルを用いて攪拌混合(200rpm、1時間)し、アノード側の触媒ペーストを調製した。
得られた触媒ペーストを、バーコーターを用いて、厚み280μmのカーボンペーパー(東レ(株)製、「TGH−H−090」)上に塗布した後、乾燥して触媒電極(触媒層)を作製した。ここで、触媒層中のPt−Ru量は、2mg/cm2となるようにした。
その後、実施例1と同様にして、アノード側触媒電極を作製した。
-Production of anode side catalyst electrode-
In the same manner as in Example 1, sequenced copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (4/1) -s was used as the polymer electrolyte (ionomer). Pt-Ru-supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., "TEC61E54") were added to 20 g of a dimethylacetamide (DMAc) solution of the ionomer (ion exchange capacity 1.7 meq / g, triethylamine salt type, resin component 6% by mass). , Pt-Ru supported amount 54 mass%) was added and stirred and mixed (200 rpm, 1 hour) using a planetary ball mill to prepare a catalyst paste on the anode side.
The obtained catalyst paste was applied onto a carbon paper having a thickness of 280 μm (“TGH-H-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) using a bar coater and then dried to produce a catalyst electrode (catalyst layer). did. Here, the amount of Pt—Ru in the catalyst layer was set to 2 mg / cm 2 .
Thereafter, in the same manner as in Example 1, an anode side catalyst electrode was produced.
得られたアノード側触媒電極と、実施例1で作製したカソード側触媒電極及び電解質膜とを用いて膜電極接合体を作製した。
電解質膜(50μm)の両面に、前記電解質バインダー(接合バインダー)として、シークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BAPBDS/APPDMS(4/1)−sを用い、該電解質バインダーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(イオン交換容量1.7meq/g、トリエチルアミン塩型、樹脂成分5質量%)を塗布して、50℃で30分間乾燥させた。ここで、電解質バインダーの塗布量は、1.5mg/cm2となるようにした。
膜厚50μmの電解質膜の一方の面に、作製したアノード極側の触媒層を、他方の面に、カソード極側の触媒層を、それぞれ重ね合わせて、160℃、50kgf/cm2で120秒間ホットプレスして、膜電極接合体を得た。
得られた膜電極接合体を、0.5Nの硫酸水溶液に25℃、24時間浸漬し、電解質バインダーであるスルホン化芳香族ポリイミド樹脂のプロトン交換を行った。更に、膜電極接合体をイオン交換水に25℃、24時間浸漬し、膜電極接合体中の過剰な硫酸を洗浄により除去した。
得られた膜電極接合体用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)の電流密度とセル電圧との関係を図3に示す。
A membrane electrode assembly was produced using the obtained anode side catalyst electrode and the cathode side catalyst electrode and electrolyte membrane produced in Example 1.
A sequence-copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BAPBDS / APPDMS (4/1) -s is used as the electrolyte binder (bonding binder) on both surfaces of the electrolyte membrane (50 μm), and the dimethylacetamide (DMAc) solution of the electrolyte binder is used. (Ion exchange capacity 1.7 meq / g, triethylamine salt type, resin component 5% by mass) was applied and dried at 50 ° C. for 30 minutes. Here, the coating amount of the electrolyte binder was set to 1.5 mg / cm 2 .
The prepared anode electrode side catalyst layer was superimposed on one surface of a 50 μm thick electrolyte membrane, and the cathode electrode side catalyst layer was superimposed on the other surface for 120 seconds at 160 ° C. and 50 kgf / cm 2. Hot pressing was performed to obtain a membrane electrode assembly.
The obtained membrane / electrode assembly was immersed in a 0.5N aqueous sulfuric acid solution at 25 ° C. for 24 hours, and proton exchange of the sulfonated aromatic polyimide resin as the electrolyte binder was performed. Furthermore, the membrane / electrode assembly was immersed in ion-exchanged water at 25 ° C. for 24 hours, and excess sulfuric acid in the membrane / electrode assembly was removed by washing.
FIG. 3 shows the relationship between the current density and the cell voltage of a direct methanol fuel cell (DMFC) using the obtained membrane electrode assembly.
(実施例3)
実施例1において、前記ポリマー電解質(イオノマー)、前記電解質膜の材料、及び前記電解質バインダー(接合バインダー)として、シークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA‐BSPOB/APPDMS(5/1)−sを用いた以外は、実施例1と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 3)
In Example 1, sequence copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BSPOB / APPDMS (5/1) -s was used as the polymer electrolyte (ionomer), the material of the electrolyte membrane, and the electrolyte binder (bonding binder). Except for the above, a membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1.
−スルホン化芳香族ポリイミド(シークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BSPOB/APPDMS(5/1)−s)の合成−
まず、「ポリマープレプリント、ジャパン」,第54巻,p.1751−1752(2005)に記載の方法により、2,2‘−ビス(4−スルホフェノキシ)ベンジジン(BSPOB)を合成した。
-Synthesis of sulfonated aromatic polyimide (sequenced copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BSPOB / APPDMS (5/1) -s)-
First, “Polymer Preprint, Japan”, Volume 54, p. 2,2′-bis (4-sulfophenoxy) benzidine (BSPOB) was synthesized by the method described in 1751-1752 (2005).
酸二無水物として、実施例1で合成した、4,4‘−ケトンジナフタレン−1,1’,8,8‘−テトラカルボン酸二無水物(KDNTDA)1.823g(4.32ミリモル)を、スルホン化ジアミンとして、合成したBSPOB1.901g(3.6ミリモル)を、シロキサン含有ジアミンとして、α,ω−アミノプロピルポリジメチルシロキサンオリゴマー(APPDMS)0.648g(0.72ミリモル)を、それぞれ用い、実施例1と同様にして、下記構造式で表される、TEA塩型のスルホン化ポリイミドKDNTDA−BSPOB/APPDMS(5/1)−sを合成した。得られた生成物の還元粘度ηSP/c(溶媒:m−クレゾール;0.5質量%、35℃)は、2.6dl/gであった。 As the acid dianhydride, 1.823 g (4.32 mmol) of 4,4′-ketone dinaphthalene-1,1 ′, 8,8′-tetracarboxylic dianhydride (KDNTDA) synthesized in Example 1 As a sulfonated diamine, 1.901 g (3.6 mmol) of synthesized BSPOB, and as a siloxane-containing diamine, 0.648 g (0.72 mmol) of α, ω-aminopropyl polydimethylsiloxane oligomer (APPDMS), The TEA salt type sulfonated polyimide KDNTDA-BSPOB / APPDMS (5/1) -s represented by the following structural formula was synthesized in the same manner as in Example 1. The product obtained had a reduced viscosity η SP / c (solvent: m-cresol; 0.5 mass%, 35 ° C.) of 2.6 dl / g.
<膜電極接合体の作製>
−触媒電極の作製−
(1)アノード側触媒電極の作製
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、合成したシークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BSPOB/APPDMS(5/1)−sを用いた。該イオノマーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(イオン交換容量1.7meq/g、トリエチルアミン塩型、樹脂成分6質量%)20gに、Pt担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC10E50E」、Pt担持量46質量%)2.2gを加え、遊星式ボールミルを用いて攪拌混合(200rpm、1時間)し、アノード側の触媒ペーストを調製した。
得られた触媒ペーストを用い、実施例1と同様にして、触媒電極(触媒層)を作製した。ここで、触媒層中のPt量は、0.5mg/cm2となるようにした。
<Preparation of membrane electrode assembly>
-Fabrication of catalyst electrode-
(1) Preparation of anode side catalyst electrode As the polymer electrolyte (ionomer), synthesized sequence copolymerization sulfonated polyimide KDNTDA-BSPOB / APPDMS (5/1) -s was used. To 20 g of a dimethylacetamide (DMAc) solution of the ionomer (ion exchange capacity 1.7 meq / g, triethylamine salt type, resin component 6% by mass), Pt-supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC10E50E”, Pt (Supported amount 46% by mass) 2.2 g was added and stirred and mixed (200 rpm, 1 hour) using a planetary ball mill to prepare a catalyst paste on the anode side.
Using the obtained catalyst paste, a catalyst electrode (catalyst layer) was produced in the same manner as in Example 1. Here, the amount of Pt in the catalyst layer was set to 0.5 mg / cm 2 .
(2)カソード側触媒電極の作製
アノード側触媒電極の作製において、Pt担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC10E50E」、Pt担持量46質量%)の添加量を、4.4gに変えた以外は、アノード側触媒電極の作製と同様にして、カソード側触媒電極を作製した。
(2) Production of cathode-side catalyst electrode In production of the anode-side catalyst electrode, the amount of Pt-supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC10E50E”, 46% by mass of Pt supported) was added to 4.4 g. A cathode side catalyst electrode was produced in the same manner as in the production of the anode side catalyst electrode, except for the change.
−電解質膜の作製−
合成したスルホン化芳香族ポリイミドを、ジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させ、実施例1と同様にして製膜し、プロトン型のシークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BSPOB/APPDMS(5/1)−s膜(前記電解質膜)を作製した。なお、イオン交換容量は、1.71meq/gである。
-Production of electrolyte membrane-
The synthesized sulfonated aromatic polyimide was dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) and formed into a film in the same manner as in Example 1, and the proton-type sequence copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BSPOB / APPPDMS (5/1)- An s film (the electrolyte film) was prepared. The ion exchange capacity is 1.71 meq / g.
以上により得られた触媒電極及び電解質膜を用い、更に、前記電解質バインダー(接合バインダー)として、シークエンス化共重合スルホン化ポリイミドKDNTDA−BSPOB/APPDMS(5/1)−sを用いた以外は、実施例1と同様にして膜電極接合体を作製した。
得られた膜電極接合体を用いたH2/O2系固体高分子型燃料電池(PEFC)の電流密度と、セル電圧及び出力密度との関係を図4に示す。
Implementation was carried out except that the catalyst electrode and the electrolyte membrane obtained as described above were used, and the sequence copolymerized sulfonated polyimide KDNTDA-BSPOB / APPDMS (5/1) -s was used as the electrolyte binder (bonding binder). A membrane / electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1.
And the current density of the obtained membrane electrode assembly H 2 / O 2 system using the solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC), showing the relationship between the cell voltage and power density in FIG.
(比較例1)
実施例1において、前記ポリマー電解質(イオノマー)及び前記電解質バインダー(接合バインダー)を、ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(1/1)−rに代えた以外は、実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製した。
(Comparative Example 1)
Example 1 is the same as Example 1 except that the polymer electrolyte (ionomer) and the electrolyte binder (bonding binder) are replaced with random copolymerized sulfonated polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (1/1) -r. Thus, a membrane electrode assembly was produced.
−ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(1/1)−rの合成−
スルホン酸ジアミンとしての2,2‘−ベンジジンジスルホン酸(BDSA)、及び非スルホン酸ジアミンとしての3,3’−ビス(4‐アミノフェノキシ)フェニルスルホン(mBAPPS)を用い、上記非特許文献1(ジエイ・ファン等(J.Fang et al.),「マクロモレキュールズ(MacromoLecules)」,第35巻,2002年,p.9022−9028)に記載の方法と同様にして、ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(1/1)−rを合成した。得られたスルホン化ポリイミドの還元粘度ηSP/c(溶媒:m−クレゾール;0.5質量%、35℃)は、1.8dl/gであり、イオン交換容量は、1.60meq/gである。
-Synthesis of Random Copolymerized Sulfonated Polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (1/1) -r-
Using 2,2′-benzidinedisulfonic acid (BDSA) as a sulfonic acid diamine and 3,3′-bis (4-aminophenoxy) phenylsulfone (mBAPPS) as a non-sulfonic acid diamine, the above-mentioned Non-Patent Document 1 ( Random copolymerization sulfonation in the same manner as described in J. Fang et al., “MacromoLecules”, Vol. 35, 2002, p. 9022-9028. Polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (1/1) -r was synthesized. The resulting sulfonated polyimide had a reduced viscosity η SP / c (solvent: m-cresol; 0.5 mass%, 35 ° C.) of 1.8 dl / g, and an ion exchange capacity of 1.60 meq / g. is there.
<膜電極接合体の作製>
−触媒電極の作製−
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、合成したランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(1/1)−rを用い、該イオノマーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(トリエチルアミン型、樹脂成分6質量%)20gに、Pt−Ru担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC61E54」、Pt−Ru担持量54質量%)を2.2g添加した以外は、実施例1と同様にしてアノード側触媒電極を作製した。
また、前記ポリマー電解質(イオノマー)として、合成したランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(1/1)−rを用い、該イオノマーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(トリエチルアミン型、樹脂成分6質量%)20gを使用した以外は、実施例1と同様にして、カソード側触媒電極を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
-Fabrication of catalyst electrode-
As the polymer electrolyte (ionomer), a synthesized random copolymer sulfonated polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (1/1) -r was used, and a dimethylacetamide (DMAc) solution of the ionomer (triethylamine type, resin component 6 mass%) Anode-side catalyst in the same manner as in Example 1, except that 2.2 g of Pt—Ru supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC61E54”, Pt—Ru supported amount: 54 mass%) was added to 20 g. An electrode was produced.
Moreover, the synthesized random copolymer sulfonated polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (1/1) -r was used as the polymer electrolyte (ionomer), and a dimethylacetamide (DMAc) solution of the ionomer (triethylamine type, resin component 6 mass). %) A cathode side catalyst electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that 20 g was used.
以上により得られた触媒電極、及び実施例1で作製した電解質膜(ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BAPBDS/BAPB(2/1)膜;厚み50μm)を用い、更に、前記電解質バインダー(接合バインダー)として、ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(1/1)−rを用いた以外は、実施例1と同様にして膜電極接合体を作製した。
得られた膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)の電流密度とセル電圧との関係を図3に示す。
Using the catalyst electrode obtained above and the electrolyte membrane prepared in Example 1 (random copolymer sulfonated polyimide NTDA-BAPBDS / BAPB (2/1) membrane; thickness 50 μm), the electrolyte binder (bonding binder) ) Was used in the same manner as in Example 1 except that random copolymer sulfonated polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (1/1) -r was used.
FIG. 3 shows the relationship between the current density and the cell voltage of a direct methanol fuel cell (DMFC) using the obtained membrane electrode assembly.
(比較例2)
−ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(2/1)−rの合成−
1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物(NTDA)、2,2‘−ベンジジンジスルホン酸(BDSA)、及び3,3’−ビス(4−アミノフェノキシ)フェニルスルホン(mBAPPS)を用い、ランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(2/1)−rを合成した。
(Comparative Example 2)
-Synthesis of random copolymerized sulfonated polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (2/1) -r-
1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTDA), 2,2′-benzidinedisulfonic acid (BDSA), and 3,3′-bis (4-aminophenoxy) phenylsulfone (mBAPPS) Random copolymerized sulfonated polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (2/1) -r was synthesized.
<膜電極接合体の作製>
−触媒電極の作製−
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、合成したランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(2/1)−rを用い、該イオノマーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(イオン交換容量2.3meq/g、トリエチルアミン型、樹脂成分6質量%)20gに、Pt−Ru担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、TEC61E54、Pt−Ru担持量54質量%)2.2gを添加した以外は、実施例1と同様にしてアノード側触媒電極を作製した。
また、前記ポリマー電解質(イオノマー)として、合成したランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BDSA/mBAPPS(2/1)−rを用い、該イオノマーのジメチルアセトアミド(DMAc)溶液(トリエチルアミン型、樹脂成分6質量%)20gを使用した以外は、実施例1と同様にして、カソード側触媒電極を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
-Fabrication of catalyst electrode-
As the polymer electrolyte (ionomer), a random copolymerized sulfonated polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (2/1) -r was used, and a dimethylacetamide (DMAc) solution of the ionomer (ion exchange capacity 2.3 meq / g, Example 1 except that 2.2 g of Pt-Ru supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC61E54, Pt-Ru supported amount 54 mass%) was added to 20 g of a triethylamine type, resin component 6 mass%). In the same manner, an anode side catalyst electrode was produced.
Further, as the polymer electrolyte (ionomer), a synthesized random copolymer sulfonated polyimide NTDA-BDSA / mBAPPS (2/1) -r was used, and a dimethylacetamide (DMAc) solution of the ionomer (triethylamine type, resin component 6 mass). %) A cathode side catalyst electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that 20 g was used.
−電解質膜の作製−
合成したランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BAPBDS/BAPB(2/1)−rを用いて、膜厚50μmのランダム共重合スルホン化ポリイミドNTDA−BAPBDS/BAPB(2/1)−r膜を作製した。
-Production of electrolyte membrane-
Using the synthesized random copolymer sulfonated polyimide NTDA-BAPBDS / BAPB (2/1) -r, a 50 μm-thick random copolymer sulfonated polyimide NTDA-BAPBDS / BAPB (2/1) -r membrane was prepared. .
以上により得られた触媒電極及び電解質膜を用い、膜電極接合体を作製した。
前記電解質バインダー(接合バインダー)として、プロトン伝導性高分子電解質のナフィオンのアルコール水溶液(デュポン社製、「DE2020」、イオン交換容量0.9meq/g、プロトン型、樹脂成分21質量%)を用い、これを、作製した電解質膜(厚み50μm)の両面に塗布して、50℃で30分乾燥させた。ここで、電解質バインダーの塗布量は、1.5mg/cm2となるようにした。
膜厚50μmの電解質膜の一方の面に、作製したアノード側の触媒層を、他方の面に、作製したカソード側の触媒層を、それぞれ重ね合わせて、温度160℃、50kgf/cm2で、120秒間ホットプレスして、膜電極接合体を得た。
得られた膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)の電流密度とセル電圧との関係を図3に示す。
Using the catalyst electrode and the electrolyte membrane obtained as described above, a membrane electrode assembly was produced.
As the electrolyte binder (bonding binder), an alcohol aqueous solution of Nafion proton conductive polymer electrolyte (manufactured by DuPont, “DE2020”, ion exchange capacity 0.9 meq / g, proton type, resin component 21 mass%), This was applied to both surfaces of the produced electrolyte membrane (thickness 50 μm) and dried at 50 ° C. for 30 minutes. Here, the coating amount of the electrolyte binder was set to 1.5 mg / cm 2 .
The prepared anode-side catalyst layer was superimposed on one surface of the 50 μm-thick electrolyte membrane, and the prepared cathode-side catalyst layer was superimposed on the other surface, respectively, at a temperature of 160 ° C. and 50 kgf / cm 2 . Hot pressing was performed for 120 seconds to obtain a membrane electrode assembly.
FIG. 3 shows the relationship between the current density and the cell voltage of a direct methanol fuel cell (DMFC) using the obtained membrane electrode assembly.
(比較例3)
<膜電極接合体の作製>
−触媒電極の作製−
(1)アノード側触媒電極の作製
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、プロトン伝導性高分子電解質のナフィオンのアルコール水溶液(デュポン社製、「DE2020」、イオン交換容量0.9meq/g、プロトン型、樹脂成分21質量%)16gを用い、これにn−プロパノール6g、及び2−プロパノール17gを添加した。Pt−Ru担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC61E54」、Pt−Ru担持量54質量%)5gに水15gを加え、これらをメノウに入れた後、遊星式ボールミルを用いて攪拌混合(200rpm、1時間)し、アノード側の触媒ペーストを調製した。
得られた触媒ペーストを、バーコーターを用いて、厚み280μmのカーボンペーパー(東レ(株)製、「TGH−H−090」)上に塗布した後、100℃で1時間乾燥し、触媒電極(触媒層)を作製した。ここで、触媒層中のPt−Ru量は、2mg/cm2となるようにした。
(Comparative Example 3)
<Preparation of membrane electrode assembly>
-Fabrication of catalyst electrode-
(1) Production of anode-side catalyst electrode As the polymer electrolyte (ionomer), a proton conductive polymer electrolyte Nafion alcohol aqueous solution ("DE2020" manufactured by DuPont, ion exchange capacity 0.9 meq / g, proton type, resin) 16 g of component (21 mass%) was used, and 6 g of n-propanol and 17 g of 2-propanol were added thereto. 15 g of water was added to 5 g of Pt-Ru-supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC61E54”, Pt-Ru supported amount 54 mass%), and these were put into agate and then stirred using a planetary ball mill. Mixing (200 rpm, 1 hour) was performed to prepare a catalyst paste on the anode side.
The obtained catalyst paste was applied on a carbon paper having a thickness of 280 μm (“TGH-H-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) using a bar coater, and then dried at 100 ° C. for 1 hour to obtain a catalyst electrode ( Catalyst layer) was prepared. Here, the amount of Pt—Ru in the catalyst layer was set to 2 mg / cm 2 .
(2)カソード側触媒電極の作製
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、プロトン伝導性高分子電解質のナフィオンのアルコール水溶液(デュポン社製、「DE2020」、イオン交換容量0.9meq/g、プロトン型、樹脂成分21質量%)9gを用い、これにn−プロパノール6g、及び2−プロパノール17gを添加した。Pt−Ru担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC10E50E」、Pt担持量46質量%)5gに、水15gを加え、これらをメノウに入れた後、遊星式ボールミルを用いて攪拌混合(200rpm、1時間)し、カソード側の触媒ペーストを調製した。
得られた触媒ペーストを、バーコーターを用いて、厚み280μmのカーボンペーパー(東レ(株)製、「TGH−H−090」)上に塗布した後、100℃で1時間乾燥し、触媒電極(触媒層)を作製した。ここで、触媒層中のPt量は、2mg/cm2となるようにした。
(2) Production of Cathode Side Catalytic Electrode As the polymer electrolyte (ionomer), a proton conductive polymer electrolyte Nafion alcohol aqueous solution (“DE2020” manufactured by DuPont, ion exchange capacity 0.9 meq / g, proton type, resin 9 g of component (21% by mass) was used, and 6 g of n-propanol and 17 g of 2-propanol were added thereto. 15 g of water was added to 5 g of Pt-Ru-supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC10E50E”, Pt support amount of 46 mass%), and these were put into an agate and then stirred and mixed using a planetary ball mill. (200 rpm, 1 hour) to prepare a cathode side catalyst paste.
The obtained catalyst paste was applied on a carbon paper having a thickness of 280 μm (“TGH-H-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) using a bar coater, and then dried at 100 ° C. for 1 hour to obtain a catalyst electrode ( Catalyst layer) was prepared. Here, the amount of Pt in the catalyst layer was set to 2 mg / cm 2 .
−電解質膜の作製−
実施例1と同様にして、ランダム共重合スルホン化ポリイミド膜NTDA−BAPBDS/BAPB(2/1)−r膜を作製した。
-Production of electrolyte membrane-
In the same manner as in Example 1, a random copolymer sulfonated polyimide film NTDA-BAPBDS / BAPB (2/1) -r film was produced.
以上により得られた触媒電極及び電解質膜を用い、膜電極接合体を作製した。
前記電解質バインダー(接合バインダー)として、プロトン伝導性高分子電解質のナフィオンのアルコール水溶液(デュポン社製、「DE2020」、イオン交換容量0.9meq/g、プロトン型、樹脂成分21質量%)を用い、これを、作製した電解質膜(厚み50μm)の両面に、塗布して、50℃で30分間乾燥させた。ここで、電解質バインダーの塗布量は、1.5mg/cm2となるようにした。
前記電解質膜の一方の面に、作製したアノード極側の触媒層を、他方の面に、作製したカソード極側の触媒層を、それぞれ重ね合わせて、160℃、50kgf/cm2で、120秒間ホットプレスして膜電極接合体を得た。
得られた膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)の電流密度とセル電圧との関係を図3に示す。
Using the catalyst electrode and the electrolyte membrane obtained as described above, a membrane electrode assembly was produced.
As the electrolyte binder (bonding binder), an alcohol aqueous solution of Nafion proton conductive polymer electrolyte (manufactured by DuPont, “DE2020”, ion exchange capacity 0.9 meq / g, proton type, resin component 21 mass%), This was applied to both surfaces of the produced electrolyte membrane (thickness 50 μm) and dried at 50 ° C. for 30 minutes. Here, the coating amount of the electrolyte binder was set to 1.5 mg / cm 2 .
The prepared anode electrode side catalyst layer is superimposed on one surface of the electrolyte membrane, and the prepared cathode electrode side catalyst layer is superimposed on the other surface, respectively, at 160 ° C. and 50 kgf / cm 2 for 120 seconds. Hot pressing was performed to obtain a membrane electrode assembly.
FIG. 3 shows the relationship between the current density and the cell voltage of a direct methanol fuel cell (DMFC) using the obtained membrane electrode assembly.
(比較例4)
比較例3において、電解質膜を、膜厚50μmのナフィオン(登録商標)112膜(デュポン社製、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体、プロトン型)に代えた以外は、比較例3と同様にして膜電極接合体を作製した。
得られた膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)の電流密度とセル電圧との関係を図3に、前記膜電極接合体を用いたH2/O2系固体高分子型燃料電池(PEFC)の電流密度と、セル電圧及び出力密度との関係を図4に、それぞれ示す。
(Comparative Example 4)
Comparative Example 3 except that the electrolyte membrane in Comparative Example 3 was replaced with a Nafion (registered trademark) 112 membrane having a thickness of 50 μm (manufactured by DuPont, perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer, proton type). A membrane electrode assembly was prepared in the same manner as described above.
FIG. 3 shows the relationship between the current density and cell voltage of a direct methanol fuel cell (DMFC) using the obtained membrane electrode assembly, and FIG. 3 shows the H 2 / O 2 solid polymer type using the membrane electrode assembly. FIG. 4 shows the relationship between the current density of the fuel cell (PEFC), the cell voltage, and the output density.
(比較例5)
比較例3において、触媒電極を、下記方法により作製した以外は、比較例3と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Comparative Example 5)
In Comparative Example 3, a membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Comparative Example 3 except that the catalyst electrode was produced by the following method.
−触媒電極の作製−
(1)アノード側触媒電極の作製
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、プロトン伝導性高分子電解質のナフィオンのアルコール水溶液(デュポン社製、「DE2020」、イオン交換容量0.9meq/g、プロトン型、樹脂成分21質量%)16gを用い、これにn−プロパノール6g、及び2−プロパノール17gを添加した。Pt担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC10E50E」、Pt担持量46質量%)4.3gに水15gを加え、これらをメノウに入れた後、遊星式ボールミルを用いて攪拌混合(200rpm、1時間)し、アノード側の触媒ペーストを作製した。
得られた触媒ペーストを、バーコーターを用いて、厚み280μmのカーボンペーパー(東レ(株)製、「TGH−H−090」)上に塗布した後、100℃で1時間乾燥し、触媒電極(触媒層)を作製した。ここで、触媒層中のPt量は、0.5mg/cm2となるようにした。
(2)カソード側触媒電極の作製
前記ポリマー電解質(イオノマー)として、プロトン伝導性高分子電解質のナフィオンのアルコール水溶液(デュポン社製、「DE2020」、イオン交換容量0.9meq/g、プロトン型、樹脂成分21質量%)9gを用い、これにn−プロパノール6g、及び2−プロパノール17gを添加した。Pt担持炭素粒子(田中貴金属工業(株)製、「TEC10E50E」、Pt担持量46質量%)5gに水15gを加え、これらをメノウに入れた後、遊星式ボールミルを用いて攪拌混合(200rpm、1時間)し、カソード側の触媒ペーストを作製した。
得られた触媒ペーストを、バーコーターを用いて、厚み280μmのカーボンペーパー(東レ(株)製、「TGH−H−090」)上に塗布した後、100℃で1時間乾燥し、触媒電極(触媒層)を作製した。ここで、触媒層中のPt量は、0.5mg/cm2となるようにした。
得られた膜電極接合体を用いたH2/O2系固体高分子型燃料電池(PEFC)の電流密度と、セル電圧及び出力密度との関係を図4に示す。
-Fabrication of catalyst electrode-
(1) Production of anode-side catalyst electrode As the polymer electrolyte (ionomer), a proton conductive polymer electrolyte Nafion alcohol aqueous solution ("DE2020" manufactured by DuPont, ion exchange capacity 0.9 meq / g, proton type, resin) 16 g of component (21 mass%) was used, and 6 g of n-propanol and 17 g of 2-propanol were added thereto. 15 g of water was added to 4.3 g of Pt-supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC10E50E”, Pt-supported amount of 46% by mass), and these were put into an agate and then stirred and mixed using a planetary ball mill ( 200 rpm for 1 hour) to prepare a catalyst paste on the anode side.
The obtained catalyst paste was applied on a carbon paper having a thickness of 280 μm (“TGH-H-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) using a bar coater, and then dried at 100 ° C. for 1 hour to obtain a catalyst electrode ( Catalyst layer) was prepared. Here, the amount of Pt in the catalyst layer was set to 0.5 mg / cm 2 .
(2) Production of Cathode Side Catalytic Electrode As the polymer electrolyte (ionomer), a proton conductive polymer electrolyte Nafion alcohol aqueous solution (“DE2020” manufactured by DuPont, ion exchange capacity 0.9 meq / g, proton type, resin 9 g of component (21% by mass) was used, and 6 g of n-propanol and 17 g of 2-propanol were added thereto. 15 g of water was added to 5 g of Pt-supported carbon particles (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC10E50E”, Pt-supported amount 46% by mass), and these were put into agate, and then stirred and mixed using a planetary ball mill (200 rpm, 1 hour) to prepare a cathode side catalyst paste.
The obtained catalyst paste was applied on a carbon paper having a thickness of 280 μm (“TGH-H-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) using a bar coater, and then dried at 100 ° C. for 1 hour to obtain a catalyst electrode ( Catalyst layer) was prepared. Here, the amount of Pt in the catalyst layer was set to 0.5 mg / cm 2 .
And the current density of the obtained membrane electrode assembly H 2 / O 2 system using the solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC), showing the relationship between the cell voltage and power density in FIG.
<発電特性>
実施例1〜2及び比較例1〜4で得られた膜電極接合体を用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)の電流密度とセル電圧との関係を図3に示す。該DMFCにおいては、燃料として10質量%のメタノール水溶液を、流速2mL/minで膜電極接合体のアノード側に供給する一方、カソード側は空気の自然対流とした。測定温度は60℃で行った。
<Power generation characteristics>
FIG. 3 shows the relationship between the current density and the cell voltage of the direct methanol fuel cell (DMFC) using the membrane electrode assemblies obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-4. In the DMFC, a 10 mass% methanol aqueous solution was supplied as fuel to the anode side of the membrane electrode assembly at a flow rate of 2 mL / min, while the cathode side was subjected to natural convection of air. The measurement temperature was 60 ° C.
各膜電極接合体の構成(触媒電極におけるポリマー電解質(イオノマー)/電解質膜/電解質バインダー(接合バインダー))は、以下の通りである。
実施例1:シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド/シロキサン結合を有しないスルホン化ポリイミド膜/シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド
実施例2:シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド/シロキサン結合を有しないスルホン化ポリイミド膜/シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド
比較例1:シロキサン結合を有しないスルホン化ポリイミド/シロキサン結合を有しないスルホン化ポリイミド膜/シロキサン結合を有しないスルホン化ポリイミド
比較例2:シロキサン結合を有しないスルホン化ポリイミド/シロキサン結合を有しないスルホン化ポリイミド膜/ナフィオン樹脂
比較例3:ナフィオン樹脂/シロキサン結合を有しないスルホン化ポリイミド膜/ナフィオン樹脂
比較例4:ナフィオン樹脂/ナフィオン112膜/ナフィオン樹脂
The structure of each membrane / electrode assembly (polymer electrolyte (ionomer) / electrolyte membrane / electrolyte binder (bonding binder) in the catalyst electrode) is as follows.
Example 1: Sulfonated aromatic polyimide with siloxane bond / sulfonated polyimide membrane without siloxane bond / sulfonated aromatic polyimide with siloxane bond Example 2: Sulfonated aromatic polyimide with siloxane bond / siloxane bond No sulfonated polyimide membrane / sulfonated aromatic polyimide with siloxane bond Comparative Example 1: sulfonated polyimide without siloxane bond / sulfonated polyimide membrane without siloxane bond / sulfonated polyimide without siloxane bond Comparative Example 2 : Sulfonated polyimide having no siloxane bond / sulfonated polyimide film having no siloxane bond / Nafion resin Comparative Example 3: Nafion resin / sulfonated polyimide film having no siloxane bond / Nafion tree Fat Comparative Example 4: Nafion resin / Nafion 112 membrane / Nafion resin
図3より、比較例1〜4で得られた膜電極接合体、特に、比較例4の膜電極接合体では、セル電圧の低下が著しいのに対して、実施例1〜2で得られた膜電極接合体では、セル電圧の低下が抑制されており、優れた燃料電池発電特性を示すことが判った。また、比較例1及び比較例2の膜電極接合体は、1日後には発電することができなくなり、耐久性が悪いことが判った。一方、実施例1、実施例2及び比較例3の膜電極接合体では、200時間の測定時間中、安定的な発電性能を示した。
また、発電試験終了後、各膜電極接合体を目視にて観察したところ、実施例1及び実施例2の膜電極接合体は、電解質膜と触媒電極とが強固に密着していたのに対し、比較例3の膜電極接合体は、電解質膜と触媒電極の一部とが剥離していた。
以上より、本発明の触媒電極、及び該触媒電極を用いた膜電極接合体は、直接メタノール型燃料電池(DMFC)において、利用効率が高く、密着性(接合強度)に優れ、耐久性が高いことが判った。
From FIG. 3, in the membrane electrode assemblies obtained in Comparative Examples 1 to 4, in particular, in the membrane electrode assembly of Comparative Example 4, the cell voltage was significantly decreased, whereas the membrane electrode assemblies obtained in Examples 1 and 2 were obtained. In the membrane / electrode assembly, it was found that the cell voltage drop was suppressed and excellent fuel cell power generation characteristics were exhibited. Moreover, it turned out that the membrane electrode assembly of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 cannot generate power after one day and has poor durability. On the other hand, the membrane electrode assemblies of Example 1, Example 2, and Comparative Example 3 showed stable power generation performance during a measurement time of 200 hours.
In addition, when the membrane electrode assemblies were visually observed after the power generation test, the membrane electrode assemblies of Example 1 and Example 2 were in close contact with the electrolyte membrane and the catalyst electrode. In the membrane / electrode assembly of Comparative Example 3, the electrolyte membrane and a part of the catalyst electrode were peeled off.
As described above, the catalyst electrode of the present invention and the membrane electrode assembly using the catalyst electrode have high utilization efficiency, excellent adhesion (bonding strength), and high durability in a direct methanol fuel cell (DMFC). I found out.
次に、実施例3及び比較例4〜5で得られた膜電極接合体を用いた単電池(H2/O2系固体高分子型燃料電池:PEFC)の電流密度と、セル電圧及び出力密度との関係を図4に示す。該単電池は80℃に温調し、燃料として75℃で加湿した水素ガスを、膜電極接合体のアノード側に、流量100mL/minで供給する一方、75℃で加湿した空気を、膜電極接合体のカソード側に、流量750mL/minで供給した。このときの全ガス圧は、0.2Paに設定した。 Next, the unit cells (H 2 / O 2 based solid polymer electrolyte fuel cell: PEFC) using a membrane electrode assembly obtained in Example 3 and Comparative Examples 4-5 and the current density of the cell voltage and the output The relationship with density is shown in FIG. The unit cell is heated to 80 ° C., and hydrogen gas humidified at 75 ° C. as fuel is supplied to the anode side of the membrane electrode assembly at a flow rate of 100 mL / min, while air humidified at 75 ° C. is supplied to the membrane electrode. The cathode was supplied to the joined body at a flow rate of 750 mL / min. The total gas pressure at this time was set to 0.2 Pa.
各膜電極接合体の構成(触媒電極におけるポリマー電解質(イオノマー)/電解質膜/電解質バインダー(接合バインダー))は、以下の通りである。
実施例3:シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド/シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド膜/シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミド
比較例4:ナフィオン樹脂/ナフィオン112膜/ナフィオン樹脂
比較例5:ナフィオン樹脂/シロキサン結合を有しないスルホン化芳香族ポリイミド膜/ナフィオン樹脂
The structure of each membrane / electrode assembly (polymer electrolyte (ionomer) / electrolyte membrane / electrolyte binder (bonding binder) in the catalyst electrode) is as follows.
Example 3: Sulfonated aromatic polyimide having siloxane bond / sulfonated aromatic polyimide film having siloxane bond / sulfonated aromatic polyimide having siloxane bond Comparative Example 4: Nafion resin / Nafion 112 membrane / Nafion resin Comparative Example 5 : Nafion resin / sulfonated aromatic polyimide film having no siloxane bond / Nafion resin
図4より、実施例3の膜電極接合体を、H2/O2系固体高分子型燃料電池(PEFC)に用いると、従来のナフィオンを使用したものに比して、セル電圧の低下が抑制され、出力密度も高いことが判った。 As shown in FIG. 4, when the membrane electrode assembly of Example 3 is used for an H 2 / O 2 solid polymer fuel cell (PEFC), the cell voltage is reduced as compared with the conventional one using Nafion. It was suppressed and the output density was found to be high.
本発明の好ましい態様を付記すると、以下の通りである。
(付記1) 触媒と、ポリマー電解質とを少なくとも含んでなり、該ポリマー電解質が、シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドであることを特徴とする触媒電極。
(付記2) 触媒が、炭素粉末に担持された付記1に記載の触媒電極。
(付記3) シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドが、下記一般式(1)で表される構造単位、及び下記一般式(2)で表される構造単位を少なくとも有する付記1から2のいずれかに記載の触媒電極。
(付記5) シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドが、下記一般式(3)で表される構造単位を更に有する付記3から4のいずれかに記載の触媒電極。
(付記7) スルホン酸基を有しない3価の芳香族基が、一般式(3)で表される構造単位に対して10モル%以下である付記6に記載の触媒電極。
(付記8) シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドが、一般式(1)から(3)のいずれかで表される構造単位が、ランダム共重合及びブロック共重合のいずれかにより重合してなる付記3から7のいずれかに記載の触媒電極。
(付記9) 燃料電池に用いられる付記1から8のいずれかに記載の触媒電極。
(付記10) 電解質膜と、該電解質膜の表面に接合された、付記1から9のいずれかに記載の触媒電極とを少なくとも有することを特徴とする膜電極接合体。
(付記11) 接合が、電解質バインダーを用いて行われ、該電解質バインダーが、シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドである付記10に記載の膜電極接合体。
(付記12) 電解質膜が、スルホン化芳香族炭化水素系ポリマーを少なくとも含む付記10から11のいずれかに記載の膜電極接合体。
(付記13) シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドが、下記一般式(1)で表される構造単位、及び下記一般式(2)で表される構造単位を少なくとも有する付記10から12のいずれかに記載の膜電極接合体。
(付記15) シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドが、下記一般式(3)で表される構造単位を更に有する付記13から14のいずれかに記載の膜電極接合体。
(付記17) スルホン酸基を有しない3価の芳香族基が、一般式(3)で表される構造単位に対して10モル%以下である付記16に記載の膜電極接合体。
(付記18) シロキサン結合を有するスルホン化芳香族ポリイミドが、一般式(1)から(3)のいずれかで表される構造単位が、ランダム共重合及びブロック共重合のいずれかにより重合してなる付記13から17のいずれかに記載の膜電極接合体。
(付記19) 付記10から18のいずれかに記載の膜電極接合体を少なくとも有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
(付記20) 直接メタノール型燃料電池及び水素燃料電池のいずれかである付記19に記載の固体高分子型燃料電池。
The preferred embodiments of the present invention are as follows.
(Appendix 1) A catalyst electrode comprising at least a catalyst and a polymer electrolyte, wherein the polymer electrolyte is a sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond.
(Additional remark 2) The catalyst electrode of
(Supplementary Note 3) Any of
(Appendix 5) The catalyst electrode according to any one of appendices 3 to 4, wherein the sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond further has a structural unit represented by the following general formula (3).
(Additional remark 7) The catalyst electrode of Additional remark 6 whose trivalent aromatic group which does not have a sulfonic acid group is 10 mol% or less with respect to the structural unit represented by General formula (3).
(Appendix 8) A sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond is obtained by polymerizing a structural unit represented by any one of the general formulas (1) to (3) by either random copolymerization or block copolymerization. The catalyst electrode according to any one of appendices 3 to 7.
(Additional remark 9) The catalyst electrode in any one of additional remarks 1-8 used for a fuel cell.
(Additional remark 10) It has an electrolyte membrane and the catalyst electrode in any one of
(Supplementary note 11) The membrane / electrode assembly according to
(Supplementary note 12) The membrane electrode assembly according to any one of
(Supplementary note 13) Any of
(Supplementary note 15) The membrane electrode assembly according to any one of supplementary notes 13 to 14, wherein the sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond further has a structural unit represented by the following general formula (3).
(Additional remark 17) The membrane electrode assembly of
(Supplementary Note 18) A sulfonated aromatic polyimide having a siloxane bond is obtained by polymerizing a structural unit represented by any one of the general formulas (1) to (3) by either random copolymerization or block copolymerization. The membrane electrode assembly according to any one of appendices 13 to 17.
(Appendix 19) A polymer electrolyte fuel cell comprising at least the membrane electrode assembly according to any one of
(Supplementary note 20) The polymer electrolyte fuel cell according to supplementary note 19, which is either a direct methanol fuel cell or a hydrogen fuel cell.
本発明の触媒電極は、プロトン伝導性及び耐久性に優れ、膜電極接合体(MEA)に好適に使用可能である。
本発明の膜電極接合体は、触媒電極と電解質膜との接合性が良好であり、耐久性に優れ、燃料(例えば、メタノールや水素)のクロスオーバーを抑制することができ、固体高分子型燃料電池に好適に使用可能である。
本発明の固体高分子型燃料電池は、利用効率の向上及びセル電圧の低下抑制を実現し、メタノール、水素のクロスオーバーを抑制可能で、直接メタノール型燃料電池及び水素燃料電池に好適であり、直接メタノール型燃料電池に特に好適である。該固体高分子型燃料電池は、各種の電気機器、例えば、携帯性情報機器、具体的には、携帯電話機、パソコン、デジタルカメラ、ポータブルオーディオ、MP3、玩具等に好適に使用することができる。
The catalyst electrode of the present invention is excellent in proton conductivity and durability, and can be suitably used for a membrane electrode assembly (MEA).
The membrane / electrode assembly of the present invention has good bondability between the catalyst electrode and the electrolyte membrane, is excellent in durability, can suppress crossover of fuel (for example, methanol or hydrogen), and is a solid polymer type It can be suitably used for a fuel cell.
The solid polymer fuel cell of the present invention realizes improvement in utilization efficiency and suppression of cell voltage decrease, can suppress crossover of methanol and hydrogen, and is suitable for direct methanol fuel cell and hydrogen fuel cell, It is particularly suitable for a direct methanol fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell can be suitably used for various electric devices, for example, portable information devices, specifically, mobile phones, personal computers, digital cameras, portable audio devices, MP3s, toys and the like.
10 膜電極接合体(本発明)
12A 燃料極触媒層(本発明の触媒電極)
12B 空気極触媒層(本発明の触媒電極)
13A 触媒
13B 炭素粉末
14 ポリマー電解質(イオノマー)
15 電解質膜
16 電解質バインダー
10 Membrane electrode assembly (present invention)
12A Fuel electrode catalyst layer (catalyst electrode of the present invention)
12B Air electrode catalyst layer (catalyst electrode of the present invention)
15
Claims (20)
20. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 19, which is either a direct methanol fuel cell or a hydrogen fuel cell.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006129664A JP4889006B2 (en) | 2006-05-08 | 2006-05-08 | Catalyst electrode, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006129664A JP4889006B2 (en) | 2006-05-08 | 2006-05-08 | Catalyst electrode, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007305315A JP2007305315A (en) | 2007-11-22 |
| JP4889006B2 true JP4889006B2 (en) | 2012-02-29 |
Family
ID=38839090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006129664A Expired - Lifetime JP4889006B2 (en) | 2006-05-08 | 2006-05-08 | Catalyst electrode, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4889006B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101556425B1 (en) | 2008-02-06 | 2015-10-01 | 가부시키가이샤 구라레 | Membrane-electrode assembly and solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP2011124223A (en) * | 2009-11-16 | 2011-06-23 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Membrane electrode assembly and fuel cell using this |
| JP6337670B2 (en) * | 2014-07-24 | 2018-06-06 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell electrode |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5813087B2 (en) * | 1981-02-27 | 1983-03-11 | 日東電工株式会社 | Method for producing siloxane-modified polyimide precursor |
| JP2002105200A (en) * | 2000-09-29 | 2002-04-10 | Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd | A proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell and a direct alcohol fuel cell using the same. |
| JP4752993B2 (en) * | 2001-09-10 | 2011-08-17 | 日産化学工業株式会社 | POLYIMIDE POROUS MEMBRANE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME |
| JP4099699B2 (en) * | 2002-05-17 | 2008-06-11 | トヨタ自動車株式会社 | Proton conducting material |
| JP2003331645A (en) * | 2002-05-17 | 2003-11-21 | Toyota Motor Corp | Proton conductive material |
| JP2004269658A (en) * | 2003-03-07 | 2004-09-30 | Toyota Motor Corp | Branched sulfonated polyimide resin and method for producing the same, sulfonated polyimide electrolyte membrane and solution thereof, and fuel cell |
| JP4732729B2 (en) * | 2004-09-27 | 2011-07-27 | 株式会社アルバック | Film formation method of sulfonated polyimide resin |
| JP4438953B2 (en) * | 2005-03-24 | 2010-03-24 | 信越化学工業株式会社 | Proton conductive film forming composition, proton conductive film forming method, and proton conductive film |
-
2006
- 2006-05-08 JP JP2006129664A patent/JP4889006B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2007305315A (en) | 2007-11-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100371411C (en) | Adhesive composition for fuel cell, membrane electrode assembly for fuel cell and preparation method thereof | |
| JP3928611B2 (en) | Polyarylene ether compounds, compositions containing them, and methods for producing them | |
| CN100377405C (en) | Fuel cell and method for producing the fuel cell | |
| KR100967295B1 (en) | Electrolyte Electrolyte for Solid Polymer Fuel Cell | |
| JP2011103295A (en) | Polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
| Zhang et al. | Sulfonated phenylene/quinquephenylene/perfluoroalkylene terpolymers as proton exchange membranes for fuel cells | |
| JP2004193106A (en) | Membrane-electrode structure and polymer electrolyte fuel cell using the same | |
| WO2006051749A1 (en) | Aromatic hydrocarbon-base proton exchange membrane and direct methanol fuel cell using same | |
| JP3973503B2 (en) | Ion conductive binder for fuel cell, electrode forming composition and varnish, and fuel cell | |
| JP2009021234A (en) | Membrane-electrode assembly, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell | |
| EP1739780A1 (en) | Solid electrolyte, membrane and electrode assembly, and fuel cell | |
| JP4508954B2 (en) | Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell | |
| JP4889006B2 (en) | Catalyst electrode, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP2015228292A (en) | Solid polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, fuel cell, water electrolysis cell and water electrolysis device | |
| CN101689645A (en) | Polymer electrolyte material and membrane electrode assembly for fuel cell using the same | |
| CN101507033A (en) | Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell | |
| WO2006064542A1 (en) | Electrolyte membrane for fuel cell, process for producing the same, membrane/electrode union, and fuel cell | |
| JPWO2008038702A1 (en) | Sulfonic acid group-containing polymer, production method thereof, polymer electrolyte membrane using sulfonic acid group-containing polymer, membrane / electrode assembly, and fuel cell | |
| JP4554568B2 (en) | Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell | |
| JP4984410B2 (en) | Electrode catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell and membrane electrode composite for polymer electrolyte fuel cell | |
| JP4451237B2 (en) | Membrane / electrode structure for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP2006179256A (en) | Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP2008542478A (en) | End-capped ion conducting polymer | |
| JP2008542505A (en) | Ion conductive cross-linked copolymer | |
| JP2007063533A (en) | Sulfonic group-containing polymer, use of the same, and method for producing the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090213 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110909 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110920 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111018 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111206 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111209 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141222 Year of fee payment: 3 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |