JP5077658B2 - ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL - Google Patents
ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL Download PDFInfo
- Publication number
- JP5077658B2 JP5077658B2 JP2007188520A JP2007188520A JP5077658B2 JP 5077658 B2 JP5077658 B2 JP 5077658B2 JP 2007188520 A JP2007188520 A JP 2007188520A JP 2007188520 A JP2007188520 A JP 2007188520A JP 5077658 B2 JP5077658 B2 JP 5077658B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrolyte membrane
- proton conductive
- fuel cell
- conductive material
- film
- 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 - Fee Related
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
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池用電解質膜とこれを用いた電解質膜−触媒層接合体及び電解質膜−電極接合体、並びに燃料電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane-catalyst layer assembly and an electrolyte membrane-electrode assembly using the same, and a fuel cell.
固体高分子形燃料電池はプロトン伝導性を有する固体高分子膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極及び空気極を接合して構成され、燃料極に水素、空気極に酸素あるいは空気を供給して電気化学反応により発電するシステムである。各電極では下記反応が起こっている。 A polymer electrolyte fuel cell is made up of a solid polymer membrane with proton conductivity as an electrolyte, and a fuel electrode and an air electrode are joined to both sides of this membrane. Hydrogen is supplied to the fuel electrode and oxygen or air is supplied to the air electrode. This is a system that generates electricity through an electrochemical reaction. The following reactions occur at each electrode.
燃料極:H2 → 2H+ + 2e-
空気極:(1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O
全反応:H2 + (1/2)O2 → H2O
これらの反応式からわかるように、発電時に生成するのは水のみである。燃料電池は次世代のクリーンエネルギーシステムの一つとして注目されている。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e −
Air electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
Total reaction: H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
As can be seen from these reaction equations, only water is generated during power generation. Fuel cells are attracting attention as one of the next generation clean energy systems.
そして、固体高分子形燃料電池は、メタノールを燃料として供給しても発電させることが可能であり、この場合は特に直接メタノール燃料電池と呼ばれる。各電極では下記反応が起こっている。 The polymer electrolyte fuel cell can generate electric power even when methanol is supplied as a fuel. In this case, the polymer electrolyte fuel cell is particularly called a direct methanol fuel cell. The following reactions occur at each electrode.
燃料極:CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2
空気極:(3/2)O2+6H++6e-→3H2O
全反応:CH3OH+(3/2)O2→2H2O+CO2
固体高分子形燃料電池は、電解質膜としてプロトン伝導性高分子電解質膜を用い、その両面に触媒層を配置し、ついでその両面に電極基材を配置し、更にこれをセパレータで挟んだ構造をしている。電解質膜の両面に触媒層を配置したもの(即ち、触媒層/電解質膜/触媒層の層構成のもの)は、電解質膜−触媒層接合体(略称:CCM)と称されており、さらに、その電解質膜−触媒層接合体の両面に電極基材を配置したもの(即ち、電極基材/触媒層/電解質膜/触媒層/電極基材の層構成のもの)は、電解質膜−電極接合体(略称:MEA)と称されている。
Fuel electrode: CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e − + CO 2
Air electrode: (3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
All reactions: CH 3 OH + (3/2) O 2 → 2H 2 O + CO 2
A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a proton conductive polymer electrolyte membrane is used as an electrolyte membrane, a catalyst layer is arranged on both sides thereof, an electrode base material is arranged on both sides thereof, and this is further sandwiched between separators. doing. The one in which the catalyst layers are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane (that is, the layer configuration of catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer) is called an electrolyte membrane-catalyst layer assembly (abbreviation: CCM), An electrode base material disposed on both surfaces of the electrolyte membrane-catalyst layer assembly (ie, electrode base material / catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer / electrode base material layer structure) is an electrolyte membrane-electrode joint. It is called a body (abbreviation: MEA).
プロトン伝導性高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のC−H結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(PFS系ポリマー)等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このようなプロトン伝導性高分子電解質膜の具体例としては、デュポン社製の「Nafion」(登録商標)、旭硝子(株)製の「Flemion」(登録商標)、旭化成(株)製の「Aciplex」(登録商標)、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)等が挙げられる。 Examples of the proton conductive polymer electrolyte membrane include a perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resin, more specifically, a perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer in which the C—H bond of the hydrocarbon-based ion exchange membrane is substituted with fluorine. Examples include polymers (PFS polymers). By introducing a fluorine atom having high electronegativity, it is chemically very stable, the dissociation degree of the sulfonic acid group is high, and high ion conductivity can be realized. Specific examples of such a proton conductive polymer electrolyte membrane include “Nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont, “Flemion” (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and “Aciplex” manufactured by Asahi Kasei Corporation. ”(Registered trademark),“ Gore Select ”(registered trademark) manufactured by Gore, and the like.
これらのパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、上記のとおり電解質膜として高い性能を示すが、一方で、コストが高いという問題がある。また、80℃以上の高温域においては著しい劣化がみられたり、電解質膜の乾燥によりプロトン伝導性が著しく低下したりするといった不具合もみられる。さらに、含水により膨潤して大きな寸法変化を示すために、起動・停止(加湿・乾燥)の繰り返しにおいて電解質膜上に形成した触媒層が剥離するという問題も生じる。これらの欠点を補うために、高分子電解質膜に高分子繊維や無機粒子などのフィラーを埋め込むことで、高温条件下での保水性を増したり、寸法変化を抑制したりという工夫が提案されている(例えば特許文献1〜2)。
しかし、高分子電解質膜の内部にフィラーを埋め込むことにより、耐熱性の向上や機械強度の向上、保水性の向上など一定の性能向上が見られる一方で、フィラー成分が凝集したり、電解質膜内部に不均一に分布したりすることにより、期待された性能が十分に発揮されていない可能性がある。 However, by embedding filler inside the polymer electrolyte membrane, certain performance improvements such as improved heat resistance, improved mechanical strength, and improved water retention can be seen. In such a case, the expected performance may not be sufficiently exhibited.
本発明は、上記課題を解決するため、均一な分布と強固な構造を持ち、寸法安定性とガスバリア性の高い固体高分子形燃料電池用電解質膜とこれを用いた電解質膜−触媒層接合体及び電解質膜−電極接合体、並びに燃料電池を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention has an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell having a uniform distribution and a strong structure, high dimensional stability and gas barrier properties, and an electrolyte membrane-catalyst layer assembly using the same And an electrolyte membrane-electrode assembly and a fuel cell.
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜は、プロトン伝導性材料Aとプロトン伝導性材料Bとをプロトン伝導性材料として含む固体高分子形燃料電池用電解質膜であって、前記プロトン伝導性材料Aは、自己組織化による造膜性があり、かつSiO 2 −H 3 PO 4 、SiO 2 −TiO 2 −P 2 O 5 及びTiO 2 −H 3 PO 4 からなる群から選ばれる一種以上の無機プロトン伝導性材料がプロトン伝導性官能基を持つ分子鎖により表面修飾されているものであることを特徴とする。 An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell containing a proton conductive material A and a proton conductive material B as proton conductive materials, wherein the proton conductivity is The material A has a film forming property due to self-organization, and is one or more kinds selected from the group consisting of SiO 2 —H 3 PO 4 , SiO 2 —TiO 2 —P 2 O 5 and TiO 2 —H 3 PO 4 . The inorganic proton conductive material is characterized by being surface-modified with a molecular chain having a proton conductive functional group.
本発明の電解質膜−触媒層接合体は、前記電解質膜の両面に、それぞれ触媒粒子および電解質バインダーからなる触媒層が形成されていることを特徴とする。 The electrolyte membrane-catalyst layer assembly of the present invention is characterized in that catalyst layers made of catalyst particles and an electrolyte binder are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, respectively.
本発明の電解質膜−電極接合体は、前記電解質膜の両面に、それぞれ触媒粒子および電解質バインダーからなる触媒層と電極基材からなる電極が形成されていることを特徴とする。 The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is characterized in that a catalyst layer composed of catalyst particles and an electrolyte binder and an electrode composed of an electrode substrate are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, respectively.
本発明の燃料電池は、前記電解質膜−電極接合体を用いた燃料電池である。 The fuel cell of the present invention is a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly.
本発明によれば、均一な分布と構造を持つ支持体を内包するプロトン伝導性電解質膜を得ることができる。また、自己組織化による造膜性のあるフィラーにより高いガスバリア性が発現し、燃料あるいは酸化剤のクロスリークによる発電性能の低下を抑制できる。さらに、液体燃料を用いる直接メタノール燃料電池での使用においても、アノード側からカソード側へのメタノール水溶液のクロスオーバーを抑制し、発電性能の低下を防ぐ効果を示す。さらに、高温低加湿条件でも高いプロトン伝導性を有するフィラーを用いることにより、より高温での発電性能の向上効果が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a proton conductive electrolyte membrane that encloses a support having a uniform distribution and structure. Moreover, a high gas barrier property is expressed by the filler having a film-forming property by self-organization, and a decrease in power generation performance due to cross leak of fuel or oxidant can be suppressed. Furthermore, even when used in a direct methanol fuel cell using liquid fuel, the crossover of the methanol aqueous solution from the anode side to the cathode side is suppressed, and the effect of preventing the decrease in power generation performance is shown. Furthermore, the effect of improving the power generation performance at higher temperatures can be obtained by using a filler having high proton conductivity even under high temperature and low humidification conditions.
本発明において、鱗片状粒子材料の自己組織化による造膜性があるとは、扁平な粒子形状を有する粒子が液中において沈降する際に、構造安定化のために互いに面を平行に揃える性質を利用したもので、外力を印加することなく積層体を形成する性質を示す。また、例えばシリカ材料のように、表面のシラノール基同士が脱水縮合してシロキサン結合(-Si-OH + HO-Si- → -Si-O-Si-,但しSiは4価であるが2価を省略している。)を形成し、粒子間が結合する性質を有する材料では、粒子自体で造膜性を有する。 In the present invention, the film-forming property due to the self-organization of the scaly particle material means that when particles having a flat particle shape settle in the liquid, the surfaces are aligned in parallel to stabilize the structure. It shows the property of forming a laminate without applying an external force. Further, for example, as in a silica material, silanol groups on the surface are dehydrated and condensed to form a siloxane bond (-Si-OH + HO-Si ---- Si-O-Si-, where Si is tetravalent but divalent. In the case of a material having a property of bonding between particles, the particles themselves have a film-forming property.
前記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料Aは、前記電解質膜の2重量%〜50重量%の範囲であることが好ましく、前記プロトン伝導性材料Bは前記電解質膜の50重量%〜98重量%の範囲であることが好ましい。前記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料Aが2重量%未満では、強固な構造と寸法安定性とガスバリア性の改善はそれほど高くはならない。また、プロトン伝導性材料Aが50重量%を超えると、膜形状を保つのが難しくなる傾向となる。 The proton conductive material A having a film-forming property due to self-assembly is preferably in the range of 2% to 50% by weight of the electrolyte membrane, and the proton conductive material B is 50% by weight of the electrolyte membrane. It is preferable to be in the range of -98% by weight. If the proton conductive material A having a film-forming property due to self-organization is less than 2% by weight, the improvement of the strong structure, dimensional stability and gas barrier property is not so high. If the proton conductive material A exceeds 50% by weight, it tends to be difficult to maintain the membrane shape.
前記プロトン伝導性材料Bは、フッ素系プロトン伝導性高分子材料、炭化水素系プロトン伝導性材料、無機プロトン伝導性材料、有機−無機ハイブリッドプロトン伝導性材料、イオン液体、およびこれらの混合物からなる群から選択されることが好ましい。フッ素系プロトン伝導性高分子材料は、ナフィオン(商品名)、フレミオン(商品名)、アシプレックス(商品名)等がある。炭化水素系プロトン伝導性材料はリン酸含浸ポリベンズイミダゾール(PBI)、アルキルスルホン酸含浸ポリベンズイミダゾール(PBI)、スルホン化4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン(SPPBP)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)、スチレン−エチレン/ブチレン/エチレンブロック共重合体等がある。無機プロトン伝導性材料としては、酸化タングステンや酸化スズの水和物などの金属水和酸化物、SiO2−H3PO4やSiO2−TiO2−P2O5などの多元系シリカ、TiO2−H3PO4などの金属リン酸化合物、リンタングステン酸やリンモリブデン酸などのヘテロポリ酸複合体、CsHSO4やCsH2PO4、SnXIn(1-X)P2O7などの無機酸素酸塩などが例示できる。有機−無機ハイブリッド材料としては、シリカとポリエチレンオキシド(PEO)やポリプロピレンオキシド(PPO)、またはポリテトラメチレンオキシド(PTMO)などのポリエーテルポリマーからなるハイブリッド材料や、さらにこれらにタングストリン酸などの固体酸を添加したものが例として挙げられる。イオン液体としては、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(EMI−TFSI)や、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフレート(EMI−Tf)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム フルオロヒドロジェネレート(EMIm(HF)nF)などが例として挙げられる。前記プロトン伝導性材料Bは、自己組織化による造膜性はなくてもよい。すなわち、非自己造膜性であってもよい。
The proton conductive material B is a group consisting of a fluorine-based proton conductive polymer material, a hydrocarbon proton conductive material, an inorganic proton conductive material, an organic-inorganic hybrid proton conductive material, an ionic liquid, and a mixture thereof. Is preferably selected from. Examples of the fluorine-based proton conductive polymer material include Nafion (trade name), Flemion (trade name), and Aciplex (trade name). Hydrocarbon proton conductive materials are phosphoric acid impregnated polybenzimidazole (PBI), alkylsulfonic acid impregnated polybenzimidazole (PBI), sulfonated 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene (SPPBP), sulfonated polyether ether Examples include ketones (SPEEK) and styrene-ethylene / butylene / ethylene block copolymers. Examples of inorganic proton conductive materials include metal hydrated oxides such as tungsten oxide and tin oxide hydrate, multi-component silica such as SiO 2 —H 3 PO 4 and SiO 2 —TiO 2 —P 2 O 5 ,
前記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料Aは、円盤状の平均直径が0.01μm〜10.00μmの範囲、厚みは0.01〜1.00μmの範囲の鱗片状材料であることが好ましい。さらに好ましい平均直径は0.05μm〜1.00μmの範囲である。鱗片状、すなわち扁平な円盤状の粒子であると、平面方向に配列しやすく、プロトン伝導性材料(B)と混合してキャスト成膜する際に成膜性が良好となる。また、表面に−OH基を有する無機材料には、脱水縮合による自己造膜性がある。ここで平均直径は、レーザー散乱法・回折式粒度分布計等の測定により、平均の厚みは走査電子顕微鏡を用いた測定により100個の粒子の平均値より、それぞれ算出する。 The proton conductive material A having a film-forming property by self-organization is a scaly material having a disk-like average diameter in the range of 0.01 μm to 10.00 μm and a thickness in the range of 0.01 to 1.00 μm. It is preferable. A more preferable average diameter is in the range of 0.05 μm to 1.00 μm. Scale-like, ie, flat, disk-like particles can be easily arranged in the plane direction, and the film-forming property is improved when cast-mixed with the proton conductive material (B). In addition, an inorganic material having a —OH group on the surface has a self-forming property by dehydration condensation. Here, the average diameter is calculated from the average value of 100 particles by measurement using a laser scattering method, a diffraction particle size distribution analyzer, or the like, and the average thickness is measured using a scanning electron microscope.
また、前記鱗片状、すなわち扁平な円盤状の粒子は、直径/厚みが5〜50の範囲が好ましく、とくに約10程度が好ましい。このような鱗片状、すなわち扁平な円盤状の粒子であると、平面方向に配列しやすく、プロトン伝導性材料と混合してキャスト成膜する際に成膜性が良好となる。 Further, the scale-like, ie, flat, disk-like particles preferably have a diameter / thickness in the range of 5 to 50, and particularly about 10 is preferable. Such scaly, ie, flat, disk-like particles are easy to arrange in the plane direction, and the film-forming property is improved when cast-mixed with a proton conductive material.
前記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料Aを表面修飾する分子鎖は、放射線グラフト、吸電子付加反応、脱水縮重合などの公知の手法により前記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A表面に付与された分子であり、一分子あたり一つ以上のプロトン伝導性官能基を持つ分子鎖である。例えばアルコキシド化合物を出発材料とし、加水分解により形成された−OH基の脱水縮合反応によりセラミックス材料粒子と結合していればよい。また、上記アルコキシド化合物は、炭素数が1から10程度、より好ましくは3から6程度の直鎖状もしくは側鎖を持つ炭化水素分子鎖をもち、前記炭化水素分子鎖は、その一部もしくは全ての水素原子がフッ素に置換されていてもよい。また、前記炭化水素分子鎖は、例えば、水酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのプロトン伝導性官能基からなる群から選択される1つ以上のプロトン伝導性官能基を有していればよい。 The molecular chain for modifying the surface of the proton conductive material A having a film-forming property by self-organization has a film-forming property by the self-organization by a known method such as radiation grafting, electron absorption addition reaction, dehydration condensation polymerization and the like. A molecule attached to the surface of the proton conductive material A and a molecular chain having one or more proton conductive functional groups per molecule. For example, an alkoxide compound may be used as a starting material and bonded to ceramic material particles by a dehydration condensation reaction of —OH groups formed by hydrolysis. Further, the alkoxide compound has a hydrocarbon molecular chain having a linear or side chain having about 1 to 10 carbon atoms, more preferably about 3 to 6, and the hydrocarbon molecular chain is a part or all of the hydrocarbon molecular chain. The hydrogen atom may be substituted with fluorine. The hydrocarbon molecular chain has one or more proton conductive functional groups selected from the group consisting of proton conductive functional groups such as a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group. It only has to be.
前記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料Aは、フッ素系プロトン伝導性高分子材料、炭化水素系プロトン伝導性材料、無機プロトン伝導性材料、有機−無機ハイブリッドプロトン伝導性材料、およびこれらの混合物からなる群から選択されることが好ましい。フッ素系プロトン伝導性高分子材料は、ナフィオン(商品名)、フレミオン(商品名)、アシプレックス(商品名)等がある。炭化水素系プロトン伝導性材料はリン酸含浸ポリベンズイミダゾール(PBI)、アルキルスルホン酸含浸ポリベンズイミダゾール(PBI)、スルホン化4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン(SPPBP)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)、スチレン−エチレン/ブチレン/エチレンブロック共重合体等がある。無機プロトン伝導性材料としては、酸化タングステンや酸化スズの水和物などの金属水和酸化物、SiO2−H3PO4やSiO2−TiO2−P2O5などの多元系シリカ、TiO2−H3PO4などの金属リン酸化合物、リンタングステン酸やリンモリブデン酸などのヘテロポリ酸複合体、CsHSO4やCsH2PO4、SnXIn(1-X)P2O7などの無機酸素酸塩などが例示できる。有機−無機ハイブリッド材料としては、シリカとポリエチレンオキシド(PEO)やポリプロピレンオキシド(PPO)、またはポリテトラメチレンオキシド(PTMO)などのポリエーテルポリマーからなるハイブリッド材料や、さらにこれらにタングストリン酸などの固体酸を添加したものが例として挙げられる。また、前記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料Aは、無機プロトン伝導性材料、有機−無機ハイブリッド材料、およびこれらの混合物からなる群から選択することがより好ましい。耐熱性や保水性、化学的安定性、寸法安定性、燃料もしくは酸化剤の透過抑止能に、より優れるためである。
The proton conductive material A having a film-forming property by self-organization includes a fluorine-based proton conductive polymer material, a hydrocarbon-based proton conductive material, an inorganic proton conductive material, an organic-inorganic hybrid proton conductive material, and It is preferably selected from the group consisting of these mixtures. Examples of the fluorine-based proton conductive polymer material include Nafion (trade name), Flemion (trade name), and Aciplex (trade name). Hydrocarbon proton conductive materials are phosphoric acid impregnated polybenzimidazole (PBI), alkylsulfonic acid impregnated polybenzimidazole (PBI), sulfonated 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene (SPPBP), sulfonated polyether ether Examples include ketones (SPEEK) and styrene-ethylene / butylene / ethylene block copolymers. Examples of inorganic proton conductive materials include metal hydrated oxides such as tungsten oxide and tin oxide hydrate, multi-component silica such as SiO 2 —H 3 PO 4 and SiO 2 —TiO 2 —P 2 O 5 ,
前記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料Aは、前記プロトン伝導性材料Bにより厚さ0.01μm〜1.00μmで覆われていることが好ましい。プロトン伝導性を高く維持できるからである。 It is preferable that the proton conductive material A having a film-forming property due to self-organization is covered with the proton conductive material B at a thickness of 0.01 μm to 1.00 μm. This is because high proton conductivity can be maintained.
以下、本発明に係る固体高分子形燃料電池用電解質膜及びその製造方法の実施形態について図面を参照しつつ説明する。以下の図面においては、同一符号は同一物を示す。 Hereinafter, embodiments of an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same symbols indicate the same items.
図1Aは、本発明の一実施形態における粒子間結合による自己造膜性があるセラミックス粒子材料A(2)の模式的斜視図である。このセラミックス粒子材料A(2)は鱗片状である。図1Bは、同セラミックス粒子材料A(2)の表面にプロトン伝導性官能基をもつ分子鎖(10)を化学結合させた模式的斜視図である。プロトン伝導性官能基をもつ分子鎖(10)としては、例えばR−SO3H,R−COOH(但し、Rは炭素数が1から10程度、より好ましくは3から6程度の直鎖状もしくは側鎖を持つ炭化水素分子鎖であり、前記炭化水素鎖は、その一部もしくは全ての水素原子がフッ素に置換されていてもよい。)がある。 FIG. 1A is a schematic perspective view of a ceramic particle material A (2) having self-forming properties due to interparticle bonding in an embodiment of the present invention. This ceramic particle material A (2) is scaly. FIG. 1B is a schematic perspective view in which a molecular chain (10) having a proton conductive functional group is chemically bonded to the surface of the ceramic particle material A (2). As the molecular chain (10) having a proton conductive functional group, for example, R—SO 3 H, R—COOH (where R is a straight chain having about 1 to 10 carbon atoms, more preferably about 3 to 6 carbon atoms, or It is a hydrocarbon molecular chain having a side chain, and part or all of the hydrogen atoms of the hydrocarbon chain may be substituted with fluorine.
セラミックス粒子材料A(2)の表面にプロトン伝導性官能基をもつ分子鎖(10)が存在しているか否かは、同セラミックス粒子材料A(2)を水に分散させ、pHを測定することにより確認できる。 Whether or not the molecular chain (10) having a proton conductive functional group exists on the surface of the ceramic particle material A (2) is determined by dispersing the ceramic particle material A (2) in water and measuring the pH. Can be confirmed.
図2Aは、本発明の一実施形態におけるプロトン伝導性官能基をもつ分子鎖(10)により表面修飾された自己造膜性セラミックス粒子材料A(2)のみに注目したときの自己組織した膜の模式的平面図である。図2Bは自己造膜性セラミックス粒子材料A(2)とプロトン伝導性材料B(3)からなる電解質膜(1)を平面状に配置し、自己組織化により積層することで、ガスバリヤ性のある無機材料膜を形成した後の模式的断面図である。 FIG. 2A shows a self-organized membrane when attention is paid only to the self-forming ceramic particle material A (2) surface-modified with a molecular chain (10) having a proton conductive functional group in an embodiment of the present invention. It is a typical top view. FIG. 2B shows a gas barrier property by arranging the electrolyte membrane (1) made of the self-forming ceramic particle material A (2) and the proton conductive material B (3) in a plane and laminating by self-organization. It is typical sectional drawing after forming an inorganic material film | membrane.
上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)の懸濁液と上記プロトン伝導性材料B(3)の溶液を攪拌、混合した液を図示しない基板表面上にコーティングし、乾燥することにより上記電解質膜が得られる。上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)の懸濁液と上記プロトン伝導性材料B(3)の溶液の混合、攪拌において、スターラーや超音波照射、ボールミルなどの公知の方法を用いることができる。また、上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)の懸濁液と上記プロトン伝導性材料B(3)の溶液を混合、攪拌した液の基板上へのコーティングにおいて、ナイフコートやグラビアコート、バーコート、スクリーン印刷など公知の方法を用いることができる。また、上記基板としては、ガラスやアルミナなどの公知のセラミックスからなる基材やポリエチレンフィルム、ポリテトラフルオロエチレンフィルムなど、公知のポリマーフィルムなど、上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)およびプロトン伝導性材料B(3)からなる電解質膜が乾燥後に該基材から剥離することが可能な材質であれば、いかなる材質の基材でも用いることができる。また、任意の形状の皿状の容器に上記溶液を注ぎ、加熱、乾燥させることにより成膜を行ってもよい。乾燥方法は、2段階の加熱により行うのが好ましい。第1段階の加熱は、上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料2の懸濁液とプロトン伝導性材料3の溶液を攪拌する際に、50℃から100℃の範囲で行う。これは、上記溶液の粘度をコーティングに適した状態に調整することを目的とする。第2段階の加熱は、上記手法によりコーティングされた溶液を乾燥、成膜することを目的に80℃から150℃の範囲で行う。上記加熱温度は、用いるプロトン伝導性材料の耐熱性やガラス転移点により最適値が異なるため、上記温度領域に限定するものではない。成膜処理は枚葉で行ってもよいし、長尺の基材フィルム上に連続的にコーティングすることにより任意の長さの長尺の膜に成膜してもよい。
A suspension of the proton-conductive material A (2) having a film-forming property by self-organization and a solution of the proton-conductive material B (3) are stirred and mixed, and the mixture is coated on a substrate surface (not shown). The electrolyte membrane is obtained by drying. In the mixing and stirring of the suspension of the proton conductive material A (2) having a film-forming property by the self-organization and the solution of the proton conductive material B (3), known methods such as stirrer, ultrasonic irradiation, ball mill, etc. This method can be used. In addition, in the coating on the substrate of the liquid obtained by mixing and stirring the suspension of the proton conductive material A (2) having a film-forming property by the self-assembly and the solution of the proton conductive material B (3), Known methods such as knife coating, gravure coating, bar coating, and screen printing can be used. In addition, as the substrate, a proton conductive material having a film forming property due to self-organization, such as a substrate made of a known ceramic such as glass or alumina, a known polymer film such as a polyethylene film or a polytetrafluoroethylene film, etc. Any material can be used as long as the electrolyte membrane made of A (2) and proton conductive material B (3) can be peeled off from the substrate after drying. Further, the film may be formed by pouring the above solution into a dish-shaped container having an arbitrary shape, heating and drying. The drying method is preferably performed by two-stage heating. The first stage heating is performed in the range of 50 ° C. to 100 ° C. when stirring the suspension of the proton
図3A−Bは、上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料2の表面の一部を拡大した模式図である。なお、図3A−Bは概念を示すことを主旨としており、結合手の数や結合角などは正確性に欠ける場合がある。図3A−Bでは、上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料として、SiO2−H3PO4系粒子を例示している。上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料2の表面には多数のシラノール基が存在しており、その一部が、プロトン伝導性官能基(但しXは、水酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのプロトン伝導性官能基を示す。以下同じ。)を有する分子鎖RX(但しRは、炭素数が1から10程度、より好ましくは3から6程度の直鎖状もしくは側鎖を持つ炭化水素分子鎖を示す。前記炭化水素鎖は、その一部もしくは全ての水素原子がフッ素に置換されていてもよい。以下同じ。)を持つシラン化合物とシロキサン結合を形成することにより、SiO2−H3PO4系粒子材料2が表面修飾されている。なお、分子鎖(RX)は、図1の分子鎖10に相当する。SiO2−H3PO4系粒子材料2がプロトン伝導性官能基(X)を有する分子鎖(RX)により表面修飾されていることにより、高いプロトン伝導性を発揮する。また、上記分子鎖(RX)は、例えばプロトン伝導性を示さない官能基を持つ分子鎖にてSiO2−H3PO4系粒子材料2を表面修飾した後に、酸化処理などの処置を施すことによりプロトン伝導性官能基が付与された分子鎖(RX)となってもよい。例えば、プロトン伝導性官能基(X)が−SO3H基の場合、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシシランのように末端に−SH基を持つ分子鎖を持つシランをシロキサン結合によりSiO2−H3PO4系粒子材料2の表面に付与した後に、上記−SH基を酸化処理により−SO3H基としてもよい。また、n−プロピルトリメトキシシランのようにアルキル基を持つシランをシロキサン結合によりSiO2−H3PO4系粒子材料2の表面に付与した後に、スルホン化剤により−SO3H基を付与してもよい。ここでは、プロトン伝導性官能基(X)を持つ分子鎖(RX)の付与方法に関して、シロキサン結合の形成による表面修飾について例示したが、放射線グラフト、吸電子付加反応、脱水縮重合などの公知の手法により表面修飾してもよい。
3A and 3B are schematic views in which a part of the surface of the proton
上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)は、上記プロトン伝導性材料B(3)により薄くコーティングされており、その厚さは約0.01μm〜約1.00μmである。上記プロトン伝導性材料B(3)層の厚さが約1.00μmを超えると、上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)の粒子同士の間に働く相互作用が上記プロトン伝導性材料B(3)層により阻害され造膜性が弱まり効果が抑制されてしまう。また、上記プロトン伝導性材料B(3)層の厚さが約0.01μm未満になると、上記プロトン伝導性材料B(3)中のプロトン伝導が阻害されプロトン伝導率の低減による性能低下が見られる。このように、上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)が造膜性を示し、かつ上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)を覆うプロトン伝導性材料B(3)が十分なプロトン伝導率を示すには、上記自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A(2)を覆う上記プロトン伝導性材料B(3)の厚さが、適切な領域にある必要がある。 The proton conductive material A (2) having a film-forming property due to the self-assembly is thinly coated with the proton conductive material B (3), and the thickness thereof is about 0.01 μm to about 1.00 μm. is there. When the thickness of the proton conductive material B (3) layer exceeds about 1.00 μm, the interaction between the particles of the proton conductive material A (2) having a film-forming property due to self-organization is exerted. The proton conductive material B (3) layer inhibits the film-forming property and suppresses the effect. In addition, when the thickness of the proton conductive material B (3) layer is less than about 0.01 μm, proton conduction in the proton conductive material B (3) is hindered, and a decrease in performance due to a decrease in proton conductivity is observed. It is done. Thus, the proton-conductive material A (2) having a film-forming property due to the self-organization exhibits a film-forming property and covers the proton-conductive material A (2) having a film-forming property due to the self-organization. In order for the proton conductive material B (3) to exhibit a sufficient proton conductivity, the thickness of the proton conductive material B (3) covering the proton conductive material A (2) having a film-forming property due to the self-organization. Need to be in the right area.
図4は、図2Bに示す本発明の電解質膜1を用いた電解質膜−触媒層接合体の断面を示す模式図である。図4に示すように、電解質膜1の両面に、それぞれ触媒粒子および電解質バインダーからなる触媒層4,4’が形成されている。 FIG. 4 is a schematic view showing a cross section of an electrolyte membrane-catalyst layer assembly using the electrolyte membrane 1 of the present invention shown in FIG. 2B. As shown in FIG. 4, catalyst layers 4 and 4 'made of catalyst particles and an electrolyte binder are formed on both surfaces of the electrolyte membrane 1, respectively.
図5は本発明の一実施形態における電解質膜−電極接合体の断面図である。電解質膜1の上に触媒層4と電極基材5とからなる燃料極6が配置され、前記電解質膜1の下には触媒層4’と電極基材7とからなる空気極8が配置されている。そして、これらの両外側にさらにリブ付きセパレータおよび集電体(図示せず)が配置されることによって、単セル(燃料電池)が構成される。プロトンは燃料極6から電解質膜1内を通過して空気極8に流れる。また、電子は燃料極6から外部回路を介して空気極8に流れる。これにより燃料極6と空気極8との間に電気が流れる。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an electrolyte membrane-electrode assembly in one embodiment of the present invention. A fuel electrode 6 composed of a
以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
(1)プロトン伝導性材料の表面修飾
鱗片状プロトン伝導性粒子材料として、SiO2−H3PO4系粒子材料(円盤状の平均直径0.6μm(レーザー散乱式粒度分布計による測定)、平均の厚さ0.05μm(走査電子顕微鏡による100個の粒子の平均値))を使用した。この鱗片状粒子材料をトルエンに分散し、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシシランを加えて100℃で終夜還流した。さらに、過酸化水素水を用いて酸化処理を行うことで、スルホン酸基をもつ分子鎖で上記鱗片状プロトン伝導性粒子材料を表面修飾した。上記処理を施した鱗片状粒子を水に分散させ、pH試験紙による測定を行った結果、分散液のpHは5であった。非処理鱗片状粒子を水に分散させた場合の測定結果7に比べて、酸性側にpHが変化していることから、上記処理の成功を確認した。
(1) Surface modification of proton conductive material As a scaly proton conductive particle material, SiO 2 —H 3 PO 4 particle material (disk-shaped average diameter 0.6 μm (measured with a laser scattering particle size distribution meter), average Thickness of 0.05 μm (average value of 100 particles by scanning electron microscope) was used. This scaly particle material was dispersed in toluene, (3-mercaptopropyl) trimethoxysilane was added, and the mixture was refluxed at 100 ° C. overnight. Furthermore, the scaly proton conductive particle material was surface-modified with a molecular chain having a sulfonic acid group by performing an oxidation treatment using hydrogen peroxide water. As a result of dispersing the scale-like particles subjected to the above treatment in water and measuring with a pH test paper, the pH of the dispersion was 5. Compared with the measurement result 7 when the non-treated scale-like particles were dispersed in water, the pH was changed to the acidic side, so the success of the treatment was confirmed.
(2)電解質膜の作製
無機フィラーとして、上記表面修飾した鱗片状SiO2−H3PO4粒子を使用した。プロトン伝導性材料としてDuPont社の5重量%“Nafion”(商品名)溶液を使用した。組成は、乾燥重量比で上記表面修飾した鱗片状粒子材料が10重量%、“Nafion”(商品名)が90重量%となるように仕込んだ。
(2) Production of electrolyte membrane As the inorganic filler, the surface-modified scale-like SiO 2 —H 3 PO 4 particles were used. A 5 wt% “Nafion” (trade name) solution from DuPont was used as the proton conducting material. The composition was prepared such that the surface-modified scale-like particle material was 10% by weight and “Nafion” (trade name) was 90% by weight in a dry weight ratio.
表面修飾した鱗片状粒子材料と“Nafion”(商品名)溶液を混合し、マグネチックスターラーによる撹拌と超音波攪拌を繰り返すことで均一な分散液を作製した。得られた分散液を50−80℃で加熱しながらマグネチックスターラーで攪拌し、分散媒を蒸発させながら粘度を調整した。得られた高粘度分散液をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)基板上にキャスティングし、約100℃の乾燥オーブン内で静置・乾燥することにより電解質膜を成膜した。得られた電解質膜は厚さ約100μmであった。 The surface-modified scale-like particle material and a “Nafion” (trade name) solution were mixed, and a uniform dispersion was prepared by repeating stirring with a magnetic stirrer and ultrasonic stirring. The resulting dispersion was stirred with a magnetic stirrer while heating at 50-80 ° C., and the viscosity was adjusted while evaporating the dispersion medium. The obtained high-viscosity dispersion was cast on a polytetrafluoroethylene (PTFE) substrate, and allowed to stand and dried in a drying oven at about 100 ° C. to form an electrolyte membrane. The obtained electrolyte membrane was about 100 μm thick.
(3)加湿時の寸法変化率測定
得られた膜を長方形に切り出し、室温で蒸留水に浸漬することで十分に加湿し、加湿による寸法変化率を評価した。加湿前後の長さを測定することで次式により寸法変化率を算出した。
[(加湿後の長さ)÷(加湿前の長さ)]×100(%)
室温(25℃)で蒸留水に浸漬した電解質膜の寸法変化率は、111%であった。市販品の“Nafion117”(商品名)膜について同様に測定した寸法変化率は、120%であった。
(3) Measurement of dimensional change rate during humidification The obtained film was cut into a rectangular shape and sufficiently humidified by immersion in distilled water at room temperature, and the dimensional change rate due to humidification was evaluated. The dimensional change rate was calculated by the following formula by measuring the length before and after humidification.
[(Length after humidification) ÷ (Length before humidification)] x 100 (%)
The dimensional change rate of the electrolyte membrane immersed in distilled water at room temperature (25 ° C.) was 111%. The dimensional change rate measured in the same manner for the commercially available “Nafion 117” (trade name) film was 120%.
電解質膜は、加湿時における寸法変化率が“Nafion117”膜に比べて小さく、寸法安定性に優れるといえる。無機フィラーとして用いた鱗片状粒子材料が膜内で強固なマトリックスを形成することによる効果と考える。その結果として、燃料電池の起動・停止の際の膜の湿潤・乾燥に伴う寸法変化が抑制されることにより、電極触媒層の剥離など電解質膜−電極接合体の破損を抑制する効果が期待できる。 The electrolyte membrane has a smaller dimensional change rate during humidification than the “Nafion 117” membrane, and can be said to have excellent dimensional stability. The scale-like particle material used as the inorganic filler is considered to be an effect by forming a strong matrix in the film. As a result, an effect of suppressing breakage of the electrolyte membrane-electrode assembly such as peeling of the electrode catalyst layer can be expected by suppressing the dimensional change accompanying the wet / dry of the membrane at the start / stop of the fuel cell. .
(4)加湿時のプロトン伝導率測定
得られた膜を長方形に切り出し、室温で蒸留水に浸漬することで十分に加湿し、インピーダンスアナライザーを用いて膜の伝導率を測定した。その結果、25℃−100%RHにおける電解質膜の伝導率は0.08S/cmであった。これは、“Nafion117”膜の伝導率0.08S/cmとほぼ同等である。電解質膜内の鱗片状粒子のマトリックスがプロトン伝導を阻害する要因になる可能性が懸念されたが、表面修飾された鱗片状粒子材料自身のプロトン伝導性によりプロトン伝導性低下が抑制されたと考えられる。
(4) Measurement of proton conductivity during humidification The obtained membrane was cut into a rectangle and sufficiently humidified by being immersed in distilled water at room temperature, and the conductivity of the membrane was measured using an impedance analyzer. As a result, the conductivity of the electrolyte membrane at 25 ° C.-100% RH was 0.08 S / cm. This is almost equal to the conductivity of the “Nafion 117” film of 0.08 S / cm. There was concern that the matrix of scale-like particles in the electrolyte membrane may be a factor that inhibits proton conduction, but it is thought that the decrease in proton conductivity was suppressed by the proton conductivity of the surface-modified scale-like particle material itself .
(5)発電性能評価(メタノール燃料)
電解質膜−触媒層接合体および電解質膜−電極接合体の作製:上記(1)にて作製した厚さ約110μmの電解質膜の両面に、触媒(田中貴金属製Pt/C(TEC10E50E)、Pt−Ru/C(TEC61E54))および電解質バインダー(DuPont社、5重量%“Nafion”(商品名)溶液)からなる触媒層を形成した。具体的には、一対の基材フィルム上に上記触媒および電解質バインダーからなる触媒層を形成した触媒転写フィルムで電解質膜を挟持し、熱プレス(温度:135−150℃、圧力:4−6MPa)により電解質膜上に触媒層を転写・形成した。さらに、上記電解質膜−触媒層接合体を一対のガス拡散層(東レ社製、カーボンペーパー)で挟持し、電解質膜−電極接合体を形成した。上記電解質膜−電極接合体を燃料および酸化剤を供給するための流路を持つセパレータおよび集電体で挟持し、単セルを構成した。アノード極は3mg−Pt−Ru/cm2、カソード極は1mg−Pt/cm2とした。
(5) Power generation performance evaluation (methanol fuel)
Preparation of electrolyte membrane-catalyst layer assembly and electrolyte membrane-electrode assembly: Catalyst (Tanaka Kikinzoku Pt / C (TEC10E50E), Pt-) on both sides of the electrolyte membrane having a thickness of about 110 μm prepared in (1) above. A catalyst layer composed of Ru / C (TEC61E54)) and an electrolyte binder (DuPont, 5 wt% “Nafion” (trade name) solution) was formed. Specifically, the electrolyte membrane is sandwiched by a catalyst transfer film in which a catalyst layer composed of the above catalyst and electrolyte binder is formed on a pair of base films, and hot pressing (temperature: 135-150 ° C., pressure: 4-6 MPa) Thus, the catalyst layer was transferred and formed on the electrolyte membrane. Further, the electrolyte membrane-catalyst layer assembly was sandwiched between a pair of gas diffusion layers (manufactured by Toray Industries, Inc., carbon paper) to form an electrolyte membrane-electrode assembly. The electrolyte membrane-electrode assembly was sandwiched between a separator having a flow path for supplying fuel and an oxidant and a current collector to constitute a single cell. The anode electrode was 3 mg-Pt-Ru / cm 2 , and the cathode electrode was 1 mg-Pt / cm 2 .
燃料として6重量%メタノール水溶液(4mL/min)、酸化剤として乾燥空気(80mL/min)をそれぞれ燃料極と空気極に供給し、室温(30℃)で上記電解質膜−電極接合体の直接メタノール燃料電池の発電性能を評価した。 A 6 wt% methanol aqueous solution (4 mL / min) as fuel and dry air (80 mL / min) as oxidant were supplied to the fuel electrode and air electrode, respectively, and direct methanol of the above electrolyte membrane-electrode assembly at room temperature (30 ° C.). The power generation performance of the fuel cell was evaluated.
得られた開放起電力は約640mVであり、最大出力密度は16mW/cm2が得られた。 The obtained open electromotive force was about 640 mV, and the maximum output density was 16 mW / cm 2 .
比較例として、約200μmの厚みを有する“Nafion117”膜を用いた単セルを同様に評価したところ、開放起電力が約637mV、最大出力密度が15mW/cm2であった。このように、“Nafion117”膜と同等以上の発電性能が得られる。低電流密度領域はメタノールのクロスオーバーの影響でセル電位の低下が見られる領域であるが、上記本実施例の電解質膜の厚さは約110μmで、“Nafon117”膜の厚さ(約200μm)の約半分であるにもかかわらず、比較例に対しセル電位に差異が見られなかった。これは、上記電解質膜が“Nafion117”膜に比べてメタノール透過阻止能が高いことを示している。 As a comparative example, when a single cell using a “Nafion 117” film having a thickness of about 200 μm was evaluated in the same manner, the open electromotive force was about 637 mV and the maximum output density was 15 mW / cm 2 . In this way, power generation performance equivalent to or higher than that of the “Nafion 117” film can be obtained. The low current density region is a region where the cell potential is lowered due to the influence of methanol crossover. The thickness of the electrolyte membrane of this example is about 110 μm, and the thickness of the “Nafon 117” membrane (about 200 μm). However, the cell potential was not different from that of the comparative example. This indicates that the electrolyte membrane has higher methanol permeation blocking ability than the “Nafion 117” membrane.
(6)発電性能評価(水素ガス燃料)
電解質膜−触媒層接合体および電解質膜−電極接合体の作製:上記(1)にて作製した厚さ約110μmの電解質膜の両面に、触媒(田中貴金属製Pt/C(TEC10E50E)、Pt−Ru/C(TEC62E58))および電解質バインダー(DuPont社、5重量%“Nafion”(商品名)溶液)からなる触媒層を形成した。具体的には、一対の基材フィルム上に上記触媒および電解質バインダーからなる触媒層を形成した触媒転写フィルムで電解質膜を挟持し、熱プレス(温度:135−150℃、圧力:4−6MPa)により電解質膜上に触媒層を転写・形成した。さらに、上記電解質膜−触媒層接合体を一対のガス拡散層(東レ社製、カーボンペーパー)で挟持し、電解質膜−電極接合体を形成した。そして、上記電解質膜−電極接合体を燃料および酸化剤を供給するための流路を持つセパレータおよび集電体で挟持し、単セルを構成した。アノード極は1.1mg−Pt−Ru/cm2、カソード極は0.5mg−Pt/cm2とした。
(6) Power generation performance evaluation (hydrogen gas fuel)
Preparation of electrolyte membrane-catalyst layer assembly and electrolyte membrane-electrode assembly: Catalyst (Tanaka Kikinzoku Pt / C (TEC10E50E), Pt-) on both sides of the electrolyte membrane having a thickness of about 110 μm prepared in (1) above. A catalyst layer composed of Ru / C (TEC62E58)) and an electrolyte binder (DuPont, 5 wt% “Nafion” (trade name) solution) was formed. Specifically, the electrolyte membrane is sandwiched by a catalyst transfer film in which a catalyst layer composed of the above catalyst and electrolyte binder is formed on a pair of base films, and hot pressing (temperature: 135-150 ° C., pressure: 4-6 MPa) Thus, the catalyst layer was transferred and formed on the electrolyte membrane. Further, the electrolyte membrane-catalyst layer assembly was sandwiched between a pair of gas diffusion layers (manufactured by Toray Industries, Inc., carbon paper) to form an electrolyte membrane-electrode assembly. Then, the electrolyte membrane-electrode assembly was sandwiched between a separator having a flow path for supplying fuel and an oxidant and a current collector to constitute a single cell. The anode electrode 1.1mg-Pt-Ru / cm 2 , the cathode electrode was 0.5mg-Pt / cm 2.
燃料として水素ガス(0.1NLM、露点80℃)、酸化剤として空気(0.5NLM、露点70℃)をそれぞれ燃料極と空気極に供給し、80℃で上記電解質膜−電極接合体の水素燃料電池の発電性能を評価した。得られた開放起電力は約1.01Vであった。なお、上記「NLM」とは、normal liter per minuteのことを指す。 Hydrogen gas (0.1 NLM, dew point 80 ° C.) as the fuel and air (0.5 NLM, dew point 70 ° C.) as the oxidant are supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively, and hydrogen of the above electrolyte membrane-electrode assembly at 80 ° C. The power generation performance of the fuel cell was evaluated. The obtained open electromotive force was about 1.01V. The “NLM” refers to a normal liter per minute.
比較例として、約125μmの厚みを有する“Nafion115”膜を用いた単セルを同様に評価したところ、開放起電力は0.98Vであった。上記本実施例では、電解質膜の厚さは約100μmであり、“Nafon115”膜の厚さ(約125μm)に比べて20%薄いにもかかわらず、比較例に比べ30mVも高い開放起電力が得られた。これは、上記電解質膜が“Nafion115”膜に比べて燃料ガスおよび酸化剤ガスのクロスリークに対するバリア性に優れることを示している。 As a comparative example, when a single cell using a “Nafion 115” film having a thickness of about 125 μm was evaluated in the same manner, the open electromotive force was 0.98V. In the present embodiment, the thickness of the electrolyte membrane is about 100 μm, and the open electromotive force is 30 mV higher than that of the comparative example although it is 20% thinner than the thickness of the “Nafon 115” membrane (about 125 μm). Obtained. This indicates that the electrolyte membrane has better barrier properties against cross leaks of fuel gas and oxidant gas than the “Nafion 115” membrane.
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
1 電解質膜
2 自己組織化による造膜性のあるプロトン伝導性材料A
3 プロトン伝導性材料B
4,4’ 触媒層
5,7 電極基材
6 燃料極
8 空気極
10 プロトン伝導性官能基をもつ分子鎖
1
3 Proton conductive material B
4, 4 'catalyst layer 5, 7 electrode base material 6 fuel electrode 8
Claims (8)
前記プロトン伝導性材料Aは、自己組織化による造膜性があり、かつSiO 2 −H 3 PO 4 、SiO 2 −TiO 2 −P 2 O 5 及びTiO 2 −H 3 PO 4 からなる群から選ばれる一種以上の無機プロトン伝導性材料がプロトン伝導性官能基を持つ分子鎖により表面修飾されているものであることを特徴とする固体高分子形燃料電池用電解質膜。 An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, comprising proton conductive material A and proton conductive material B as proton conductive materials,
The proton conductive material A has a film forming property due to self-organization and is selected from the group consisting of SiO 2 —H 3 PO 4 , SiO 2 —TiO 2 —P 2 O 5 and TiO 2 —H 3 PO 4. An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, wherein one or more inorganic proton conductive materials are surface-modified with molecular chains having proton conductive functional groups.
A fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 7 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007188520A JP5077658B2 (en) | 2007-07-19 | 2007-07-19 | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007188520A JP5077658B2 (en) | 2007-07-19 | 2007-07-19 | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009026603A JP2009026603A (en) | 2009-02-05 |
| JP5077658B2 true JP5077658B2 (en) | 2012-11-21 |
Family
ID=40398237
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007188520A Expired - Fee Related JP5077658B2 (en) | 2007-07-19 | 2007-07-19 | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5077658B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102119915B1 (en) | 2015-09-01 | 2020-06-05 | 주식회사 엘지화학 | Complex electrolyte membrane, enhanced complex electrolyte membrane and fuel cell comprising the same |
| JP2018106956A (en) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | 旭硝子株式会社 | Solid polymer electrolyte film, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100493171B1 (en) * | 2003-02-08 | 2005-06-02 | 삼성에스디아이 주식회사 | Composite elecrolyte membrane and fuel cell employing the same |
| JP4162083B2 (en) * | 2003-03-17 | 2008-10-08 | 日揮触媒化成株式会社 | Electrolyte membrane and fuel cell using the electrolyte membrane |
| JP4449353B2 (en) * | 2003-06-26 | 2010-04-14 | Tdk株式会社 | Proton conductive particles, solid electrolyte membrane and fuel cell |
| KR100528345B1 (en) * | 2003-08-29 | 2005-11-15 | 삼성에스디아이 주식회사 | Polymer Nano-Composite membrane and fuel cell adopting the same |
| JP2006024558A (en) * | 2004-06-10 | 2006-01-26 | Toray Ind Inc | Proton conducting membrane |
| JP2007149642A (en) * | 2005-11-02 | 2007-06-14 | Dainippon Printing Co Ltd | ELECTROLYTE MATERIAL FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL |
| JP2007141625A (en) * | 2005-11-17 | 2007-06-07 | Canon Inc | Solid electrolyte |
| JP2008065987A (en) * | 2006-09-04 | 2008-03-21 | Dainippon Printing Co Ltd | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL |
-
2007
- 2007-07-19 JP JP2007188520A patent/JP5077658B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2009026603A (en) | 2009-02-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vinothkannan et al. | Potential carbon nanomaterials as additives for state-of-the-art Nafion electrolyte in proton-exchange membrane fuel cells: A concise review | |
| CN103563143B (en) | Gas Diffusion Layers for Fuel Cells | |
| JP4390558B2 (en) | Electrocatalyst layer for fuel cells | |
| US8632701B2 (en) | Proton conductive hybrid material, and catalyst layer for fuel cell using the same | |
| CN109565058B (en) | Electrode including organofunctional metal oxide and method of making the same, membrane electrode assembly, and fuel cell including the assembly | |
| Lee et al. | Nafion based organic/inorganic composite membrane for air-breathing direct methanol fuel cells | |
| EP2144318B1 (en) | Method for producing polymer electrolyte membrane for solid polymer fuel cell, membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell | |
| Su et al. | Self-humidification of a PEM fuel cell using a novel Pt/SiO2/C anode catalyst | |
| WO2004114444A1 (en) | Membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell and method for producing same | |
| Nam et al. | Preparation of Nafion/sulfonated poly (phenylsilsesquioxane) nanocomposite as high temperature proton exchange membranes | |
| JP2008140779A (en) | Membrane-electrode assembly | |
| JP2009021198A (en) | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL | |
| JP2009026536A (en) | ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR SOLID POLYMER FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME | |
| JP5077658B2 (en) | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL | |
| JP2007149642A (en) | ELECTROLYTE MATERIAL FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL | |
| JP5328446B2 (en) | Catalyst for fuel cell, method for producing the same, and fuel cell | |
| JP2009032414A (en) | Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, electrolyte membrane-catalyst layer assembly, fuel cell using the same, and laminate for forming electrode catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell | |
| JP2008065987A (en) | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL | |
| JP2010129397A (en) | Electrode for fuel cell | |
| JP4823583B2 (en) | Polymer membrane / electrode assembly for fuel cell and fuel cell including the same | |
| JP5126578B2 (en) | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL | |
| JP2009026534A (en) | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL | |
| JP2010199061A (en) | Electrolyte membrane for fuel cell, membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell | |
| KR101112693B1 (en) | Membrane Electrode Assembly for Fuel Cell and Manufacturing Method Thereof | |
| JP2009021199A (en) | ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, ELECTROLYTE MEMBRANE-CATALYST LAYER ASSEMBLY AND ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME, AND FUEL CELL |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100422 |
|
| A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20111018 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120223 |
|
| A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20120223 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120322 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120516 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120607 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120711 |
|
| 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: 20120802 |
|
| 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: 20120815 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150907 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |