JP5283826B2 - Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池用の膜電極接合体、膜電極接合体の製造方法及び固体高分子型燃料電池に関する。特に構成部材どうしの接触状態を改善することで発電効率を向上させた膜電極接合体に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, a method for producing the membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell. In particular, the present invention relates to a membrane electrode assembly in which power generation efficiency is improved by improving a contact state between constituent members.
燃料電池とは、水素、メタノール、または化石燃料からの改質水素などの還元剤からなる燃料を酸素または空気などの酸化剤を用いて電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものである。 A fuel cell is an electrochemical oxidation of a fuel composed of a reducing agent such as hydrogen, methanol, or reformed hydrogen from fossil fuels using an oxidant such as oxygen or air, thereby converting the chemical energy of the fuel into electricity. It is converted into energy and extracted.
このうち、固体高分子型燃料電池は操作温度が低いという第一の利点と、電解質部分を薄膜化することで内部抵抗を低減できるため高効率で電流を取り出せるという第二の利点を有しており、電池サイズの小型化に適している。 Among these, the polymer electrolyte fuel cell has the first advantage that the operation temperature is low, and the second advantage that the internal resistance can be reduced by thinning the electrolyte part, so that the current can be taken out with high efficiency. It is suitable for reducing the battery size.
この固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体は、アノード(燃料極)とカソード(空気極)とが固体高分子電解質膜を挟持して接合された構造を有する。固体高分子型燃料電池はこの膜電極接合体をセパレーターで挟んで積層するなどしてセル化したものである。 The membrane electrode assembly used in this polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) are joined with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. The polymer electrolyte fuel cell is formed into a cell by stacking the membrane electrode assembly with a separator interposed therebetween.
通常、上記アノードまたはカソードと固体高分子電解質膜は、触媒と導電性炭素の混合体よりなる触媒担持導電物質と、気体や液体を非直線的に透過させる拡散層とを介して接合される。アノード側に供給された燃料は、拡散層中の細孔を通過して触媒に達し、触媒により電子を放出して水素イオンとなる。水素イオンは固体高分子電解質膜を通過してカソード側に達し、カソード側の拡散層に供給された酸素と外部回路より流れ込む電子と反応して水が生成される。燃料より放出された電子は、電極中の触媒や触媒が担持されている導電性炭素を通過してアノードから外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードへ流れ込む。この結果、外部回路ではアノードからカソードへ向かって電子が流れ電力が取り出される。 Usually, the anode or cathode and the solid polymer electrolyte membrane are joined via a catalyst-carrying conductive material made of a mixture of a catalyst and conductive carbon, and a diffusion layer that allows gas or liquid to permeate non-linearly. The fuel supplied to the anode side passes through the pores in the diffusion layer, reaches the catalyst, releases electrons by the catalyst, and becomes hydrogen ions. Hydrogen ions pass through the solid polymer electrolyte membrane and reach the cathode side, and react with oxygen supplied to the diffusion layer on the cathode side and electrons flowing from the external circuit to generate water. Electrons emitted from the fuel pass through the catalyst in the electrode and the conductive carbon on which the catalyst is supported, are led from the anode to the external circuit, and flow from the external circuit to the cathode. As a result, in the external circuit, electrons flow from the anode to the cathode and electric power is taken out.
この時、固体高分子電解質膜と電極(アノードおよびカソード)との接合が不十分であると、電極と高分子電解質膜との界面において水素イオンの移動が阻害される。その結果として膜電極接合体全体の内部抵抗は増大してしまう。また、固体高分子電解質と電極との接合界面は、触媒反応の起こる三相界面でもある。この三相界面の面積が大きいほど、水素イオンは多く発生する。つまり、膜電極接合体における固体高分子電解質膜と電極との接合状態は固体高分子型燃料電池の特性に大きく影響を及ぼす。 At this time, if the solid polymer electrolyte membrane and the electrode (anode and cathode) are insufficiently bonded, the movement of hydrogen ions is inhibited at the interface between the electrode and the polymer electrolyte membrane. As a result, the internal resistance of the whole membrane electrode assembly increases. Further, the joining interface between the solid polymer electrolyte and the electrode is also a three-phase interface where a catalytic reaction occurs. The larger the area of this three-phase interface, the more hydrogen ions are generated. That is, the joining state of the polymer electrolyte membrane and the electrode in the membrane electrode assembly greatly affects the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell.
従来の膜電極接合体の製造方法として、固体高分子電解質膜をガス拡散電極で挟んでホットプレスを行うことで、固体高分子電解質膜とガス拡散電極を接合する方法が記載されている(特許文献1参照)。 As a conventional method for producing a membrane electrode assembly, a method is described in which a solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion electrode are joined by hot pressing with the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between gas diffusion electrodes (patent) Reference 1).
また、別の膜電極接合体の製造方法として、ポリイミドを主成分とする多孔質膜に電解質成分を充填して得られた電解質膜に触媒層形成用ペーストを塗布・乾燥する方法が記載されている(特許文献2参照)。
しかしながら、従来の製造方法による膜電極接合体は電解質膜と拡散層との界面における接合および三相界面の三次元化が依然不十分である。このことは、電池の内部抵抗の増大と触媒の利用率の低下を意味する。そのため、従来の製造方法による膜電極接合体からは、充分な固体高分子型燃料電池の出力特性が得られていない。 However, the membrane electrode assembly according to the conventional manufacturing method still has insufficient bonding at the interface between the electrolyte membrane and the diffusion layer and three-dimensional interface at the three-phase interface. This means an increase in the internal resistance of the battery and a decrease in the utilization rate of the catalyst. Therefore, sufficient output characteristics of the polymer electrolyte fuel cell have not been obtained from the membrane electrode assembly according to the conventional manufacturing method.
また、電解質膜を拡散層で挟んでホットプレスを行う場合においても、多孔質膜に電解質成分を充填して得られた電解質膜に触媒層形成用ペーストを塗布・乾燥する場合においても、電解質膜と拡散層の接合界面はほぼ平坦である。つまり、発電環境下においてその界面の接着強度は充分であるとは言えず、界面が剥離する場合があった。そのため、電解質膜と拡散層の接合強度を改善する必要があった。 Even when hot pressing is performed with the electrolyte membrane sandwiched between the diffusion layers, the electrolyte membrane is also applied when the catalyst layer forming paste is applied to the electrolyte membrane obtained by filling the porous membrane with the electrolyte component and dried. The junction interface between the diffusion layer and the diffusion layer is almost flat. In other words, the adhesive strength at the interface is not sufficient in a power generation environment, and the interface may peel off. Therefore, it is necessary to improve the bonding strength between the electrolyte membrane and the diffusion layer.
本発明は、膜電極接合体を構成する部材間の接合状態を向上させて内部抵抗を低減させること、および三相界面を三次元化して反応面積を拡大させることにより、強度と高出力な発電特性が良好な膜電極接合体、膜電極接合体の製造方法、及び固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention improves strength and high power generation by improving the bonding state between members constituting the membrane electrode assembly and reducing internal resistance, and by increasing the reaction area by making the three-phase interface three-dimensional. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly having good characteristics, a method for producing the membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.
本発明の第一は、固体高分子電解質膜と、その両面に接合された拡散層からなる膜電極接合体であって、該固体高分子電解質膜が、多孔性高分子膜と、該多孔性高分子膜の孔内に設けられたプロトン導電性基と、該多孔性高分子膜の両面の少なくとも表面近傍の孔内に埋め込まれた触媒担持導電物質を有し、前記触媒担持導電物質は平均粒子径が1nm以上10nm以下の金属触媒が担持された平均粒子径が5nm以上1000nm以下の導電性炭素を含有し、且つ前記触媒担持導電物質の片面あたりの埋め込み深さが、前記多孔性高分子膜の厚さに対して6.7%以上20%以下であることを特徴とする膜電極接合体である。なお、ここで「表面近傍の孔内」とは、多孔性高分子膜の表面の開口部に連通した孔の内部の一部を意味しており、「近傍」は具体的な距離と関連付けられるものではない。 The first of the present invention is a membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane and a diffusion layer bonded on both sides thereof, the solid polymer electrolyte membrane comprising a porous polymer membrane and the porous A proton conductive group provided in the pores of the polymer membrane and a catalyst-carrying conductive material embedded in pores at least near the surface of both surfaces of the porous polymer membrane, The porous polymer contains conductive carbon having an average particle diameter of 5 nm to 1000 nm on which a metal catalyst having a particle diameter of 1 nm to 10 nm is supported, and the embedding depth per one side of the catalyst-supporting conductive material is It is a membrane electrode assembly characterized by being 6.7% or more and 20% or less with respect to the thickness of the membrane. Here, “inside the hole in the vicinity of the surface” means a part of the inside of the hole communicating with the opening on the surface of the porous polymer film, and “in the vicinity” is associated with a specific distance. It is not a thing.
前記プロトン導電性基と前記多孔性高分子膜とは化学結合していることが好ましい。なお、化学結合とは、イオン結合、共有結合、配位結合、金属結合、水素結合のいずれかの結合のことである。 The proton conductive group and the porous polymer membrane are preferably chemically bonded. The chemical bond refers to any of an ionic bond, a covalent bond, a coordination bond, a metal bond, and a hydrogen bond.
前記プロトン導電性基はスルホン酸基および/またはリン酸基であることが好ましい。
前記多孔性高分子膜の厚みは15μm以上150μm以下であることが好ましい。
前記触媒担持導電物質の埋め込み深さは、前記多孔性高分子膜の厚さに対して1%以上50%未満であることが好ましい。
The proton conductive group is preferably a sulfonic acid group and / or a phosphoric acid group.
The thickness of the porous polymer film is preferably 15 μm or more and 150 μm or less.
The embedding depth of the catalyst-carrying conductive material is preferably 1% or more and less than 50% with respect to the thickness of the porous polymer film.
前記多孔性高分子膜の表面に観測される孔の平均直径は0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。
前記多孔性高分子膜は、水に不溶であることが好ましい。
The average diameter of the pores observed on the surface of the porous polymer film is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less.
The porous polymer membrane is preferably insoluble in water.
前記多孔性高分子膜は、ポリイミド系高分子、ポリテトラフルオロエチレン系高分子、ポリアミド系高分子、ポリイミド−アミド系高分子膜、ポリオレフィン系高分子のいずれかからなる膜であることが好ましい。 The porous polymer film is preferably a film made of any one of a polyimide polymer, a polytetrafluoroethylene polymer, a polyamide polymer, a polyimide-amide polymer film, and a polyolefin polymer.
本発明の第二は、上記の膜電極接合体と該膜電極接合体で発生した電流を外部へ取り出すための電極とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池である。 A second aspect of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly and an electrode for taking out the current generated in the membrane electrode assembly to the outside.
本発明によれば、強度と高出力な発電特性が良好な膜電極接合体および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, it is possible to provide a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell having good strength and high output power generation characteristics.
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
[本発明における膜電極接合体および固体高分子型燃料電池の特徴]
本発明で得られる固体高分子型燃料電池の一般的な構成を図1に模式的に示す。101は多孔性高分子膜、102は触媒担持導電物質、103は拡散層、2はアノード、3はカソード、4は固体高分子電解質膜である。図示していないが、プロトン導電性基が多孔性高分子膜101の孔内に設けられている。
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
[Features of Membrane Electrode Assembly and Polymer Electrolyte Fuel Cell in the Present Invention]
A general configuration of a solid polymer fuel cell obtained by the present invention is schematically shown in FIG. 101 is a porous polymer membrane, 102 is a catalyst-carrying conductive material, 103 is a diffusion layer, 2 is an anode, 3 is a cathode, and 4 is a solid polymer electrolyte membrane. Although not shown, proton conductive groups are provided in the pores of the porous polymer membrane 101.
本発明では、多孔質高分子膜101、プロトン導電性基(図示せず)、触媒担持導電物質102、拡散層103からなる接合体を膜電極接合体1と称する。
以下、図1を参照して本発明の説明を進めるが、本発明の膜電極接合体および固体高分子型燃料電池の構成、形状は図1に示すものに限られるものではない。
In the present invention, the assembly comprising the porous polymer membrane 101, the proton conductive group (not shown), the catalyst-carrying
Hereinafter, the description of the present invention will be made with reference to FIG. 1, but the configurations and shapes of the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are not limited to those shown in FIG.
本発明における多孔性高分子膜101の材料は、水に不溶の高分子材料より選ばれる。具体的には、ポリイミド系(例えば、宇部興産社製のユーピレックス)、ポリテトラフルオロエチレン系(例えば、日東電工社製の多孔性PTFE膜)、ポリアミド系、ポリイミド−アミド系、ポリオレフィン系などの各種樹脂材料が使用可能である。また、本発明の膜電極接合体に対する燃料としてメタノ−ルを選択する場合、多孔性高分子膜101はメタノールと水に不溶である材料であって、かつメタノ−ルと水に対して実質的に膨潤しない材料から選択する。前記の材料のうち、メタノールと水に対する不溶性、物理強度、化学安定性の面でもっとも優れているのは、ポリイミド系材料である。なお、ポリイミド系高分子とは、ポリイミドもしくはその誘導体のことである。他の高分子も同様である。 The material of the porous polymer film 101 in the present invention is selected from polymer materials that are insoluble in water. Specifically, various types such as polyimide (for example, Upilex manufactured by Ube Industries), polytetrafluoroethylene (for example, porous PTFE film manufactured by Nitto Denko), polyamide, polyimide-amide, polyolefin, etc. Resin material can be used. When methanol is selected as the fuel for the membrane electrode assembly of the present invention, the porous polymer membrane 101 is a material that is insoluble in methanol and water, and is substantially free of methanol and water. Select from materials that do not swell. Of the above materials, the polyimide-based material is most excellent in terms of insolubility in methanol and water, physical strength, and chemical stability. The polyimide polymer is polyimide or its derivative. The same applies to other polymers.
本発明における多孔性とは、高分子膜の物質中に多数の微細な孔(あな)が存在する状態を表している。これらの孔は独立しているのではなく、適度に連結して膜の一方の面から他方の面にかけて気体や液体が透過できる通路状になっていることが好ましい。ただし、気体や液体が抵抗無く通過できると燃料のクロスオーバーを招き性能低下につながるので、これらの孔は非直線的に連結して実質的な透過距離が長くなっていることが好ましい。この透過の度合いについては、多孔性高分子膜101の膜厚や孔の大きさなどによって制御できる。 The porosity in the present invention represents a state in which a large number of fine pores exist in the material of the polymer film. It is preferable that these holes are not independent, but are connected in a suitable manner so as to form a passage through which gas or liquid can pass from one side of the membrane to the other side. However, if gas or liquid can pass without resistance, it causes fuel crossover and leads to performance degradation. Therefore, it is preferable that these holes are connected non-linearly and the substantial permeation distance is increased. The degree of permeation can be controlled by the thickness of the porous polymer film 101, the size of the pores, and the like.
多孔性高分子膜101の膜厚や孔の大きさは、その材質、目的とする膜電極接合体の強度、目的とする固体高分子型燃料電池の特性などから選ばれ、特に制限はない。しかし、一般的な固体高分子型燃料電池の使用から考えられる好適な膜厚は15μm以上150μm以下、好ましくは30μm以上100μm以下である。多孔性高分子膜101の膜厚が15μmより薄いと膜電極接合体の組み立て時や固体高分子型燃料電池としての使用時の強度に難があり、逆に150μmより厚いとプロトンの移動距離が長くなりすぎるので発電効率が低下する。 The film thickness and pore size of the porous polymer membrane 101 are selected from the material, the strength of the target membrane / electrode assembly, the characteristics of the target polymer electrolyte fuel cell, etc., and are not particularly limited. However, a suitable film thickness considered from the use of a general polymer electrolyte fuel cell is 15 μm or more and 150 μm or less, preferably 30 μm or more and 100 μm or less. If the thickness of the porous polymer membrane 101 is less than 15 μm, the strength at the time of assembling the membrane electrode assembly or use as a solid polymer fuel cell is difficult. Since it becomes too long, power generation efficiency decreases.
また、多孔性高分子膜101の表面に観測される孔の平均直径は0.1μm以上10μm以下、好ましくは0.1μm以上5μm以下であることが望ましい。多孔性高分子膜101の表面に観測される孔の平均直径が0.1μmより小さいとプロトン導電性基の存在できる場所が少なくなりすぎるので発電効率が低下し、逆に10μmより大きいと燃料のクロスオーバー量が増えてカソード側で逆反応が起こるおそれがある。 The average diameter of the pores observed on the surface of the porous polymer film 101 is 0.1 μm or more and 10 μm or less, preferably 0.1 μm or more and 5 μm or less. If the average diameter of the pores observed on the surface of the porous polymer membrane 101 is smaller than 0.1 μm, the number of places where proton conductive groups can exist becomes too small, so the power generation efficiency decreases. There is a possibility that the amount of crossover increases and a reverse reaction occurs on the cathode side.
本発明において前記多孔性高分子膜101の孔内にはプロトン導電性基が設けられている。プロトン導電性基は発電反応中に流れ出ない程度の強度で多孔性高分子膜101と物理的または化学的に吸着している必要がある。プロトン導電性基と多孔性高分子膜101とが化学結合していると、より好ましい。プロトン導電性基と多孔性高分子膜101とは直接化学結合していても良いし、プロトン導電性基を末端に持つ化合物と多孔性高分子膜101とが化学結合していても良い。 In the present invention, proton conductive groups are provided in the pores of the porous polymer membrane 101. The proton conductive group needs to be physically or chemically adsorbed to the porous polymer film 101 with a strength that does not flow out during the power generation reaction. It is more preferable that the proton conductive group and the porous polymer film 101 are chemically bonded. The proton conductive group and the porous polymer film 101 may be directly chemically bonded, or the compound having the proton conductive group at the terminal and the porous polymer film 101 may be chemically bonded.
本発明におけるプロトン導電性基とは、プロトン導電性を有する官能基を指しており、例えば、スルホン酸基、スルフィン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、ホスフィン酸基、ボロン酸基が挙げられる。このうち、本発明の膜電極接合体1に含まれるプロトン導電性基がスルホン酸基および/またはリン酸基であると、より好ましい。スルホン酸基、リン酸基のいずれも酸解離度が高いので、プロトンの輸送効率を向上させる効果が高い。
The proton conductive group in the present invention refers to a functional group having proton conductivity, for example, sulfonic acid group, sulfinic acid group, carboxylic acid group, phosphonic acid group, phosphoric acid group, phosphinic acid group, boronic acid group. Groups. Among these, it is more preferable that the proton conductive group contained in the
本発明において触媒担持導電物質102の一部または全部は、前記多孔性高分子膜101の両面の表面近傍の孔内に埋め込まれている。埋め込まれる量や深さは特に制限されないが、片面あたりのより好適な埋め込み深さは、多孔性高分子膜101の厚さに対して1%以上50%未満である。両面に埋め込まれている場合は、両面埋め込み深さの合計が多孔性高分子膜101の厚さに対して2%以上100%未満であることが好ましい。
In the present invention, part or all of the catalyst-carrying
本発明における「埋め込み深さ」という用語は、多孔性高分子膜101の表面から途切れなく存在する触媒担持導電物質102の多孔性高分子膜101の表面から測定した深さを表している。埋め込み深さが多孔性高分子膜101の厚さに対して1%より浅いと本発明の趣旨である部材間の接合状態の向上および三相界面の三次元化の効果が望めない。また逆に埋め込み深さが多孔性高分子膜101の厚さに対して50%以上であると両面埋め込みの際に触媒担持導電物質102どうしが接触して電気リークするおそれがあるし、片面埋め込みの際には発電に寄与しない部分が増えすぎてしまう。
The term “embedding depth” in the present invention represents a depth measured from the surface of the porous polymer film 101 of the catalyst-carrying
本発明における触媒担持導電物質102の構成成分は特に制限されないが、一般的な膜電極接合体と同様に導電性炭素と電極触媒を含有することが好ましい。例えば、アノード側の触媒担持導電物質は、少なくとも白金よりなる金属触媒が担持された導電性炭素によって形成される。白金の代わりに、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、およびオスミウムなどの白金族金属を用いても良いし、白金と前記金属の合金を用いても構わない。特に燃料としてメタノールを用いる場合は、白金とルテニウムの合金を用いることが好ましい。
The constituent components of the catalyst-carrying
前記金属触媒は、導電性炭素の表面に担持されていることが好ましい。担持された金属触媒の粒子の平均粒子径は1nm以上10nm以下、好ましくは2nm以上6nm以下であることが望ましい。金属触媒の粒子径が1nm未満の場合には、触媒粒子単体で活性が高くなり過ぎるので取り扱いが困難になる。逆に、金属触媒の粒子径が10nmを超えると、触媒の表面積が減少して活性が低下する恐れがある。 The metal catalyst is preferably supported on the surface of conductive carbon. The average particle diameter of the supported metal catalyst particles is 1 nm to 10 nm, preferably 2 nm to 6 nm. When the particle diameter of the metal catalyst is less than 1 nm, the activity becomes too high with the catalyst particles alone, making handling difficult. Conversely, if the particle diameter of the metal catalyst exceeds 10 nm, the surface area of the catalyst may decrease and the activity may decrease.
導電性炭素は、カーボンブラック、カーボンファイバー、グラファイト、カーボンナノチューブなどから選ぶことができる。導電性炭素の粒子の平均粒子径は5nm以上1000nm以下であることが好ましく、さらには10nm以上100nm以下であることが好ましい。また前記金属触媒を担持させるため、比表面積はある程度大きいほうが良く、50m2/g以上3000m2/g以下、さらには100m2/g以上2000m2/g以下が好ましい。 The conductive carbon can be selected from carbon black, carbon fiber, graphite, carbon nanotube, and the like. The average particle size of the conductive carbon particles is preferably 5 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 100 nm or less. In order to support the metal catalyst, the specific surface area is preferably large to some extent, and is preferably 50 m 2 / g or more and 3000 m 2 / g or less, more preferably 100 m 2 / g or more and 2000 m 2 / g or less.
カソード側の触媒担持導電物質も同様の電極触媒によって形成される。
拡散層103は、燃料と酸化剤ガスを均一に高効率で電極触媒層に導入し、かつ電極に接触させて電子を受け渡しするための構成部材である。一般的には、導電性の多孔質膜が好ましく、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンとポリテトラフルオロエチレンとの複合シートなどを用いることが出来る。この拡散層103の表面および/または内部をフッソ系塗料でコーティングし撥水化処理をして用いても構わない。
The catalyst-carrying conductive material on the cathode side is also formed by the same electrode catalyst.
The diffusion layer 103 is a constituent member for uniformly introducing the fuel and the oxidant gas into the electrode catalyst layer with high efficiency, and for transferring the electrons in contact with the electrode. In general, a conductive porous film is preferable, and carbon paper, carbon cloth, a composite sheet of carbon and polytetrafluoroethylene, and the like can be used. The surface and / or the inside of the diffusion layer 103 may be coated with a fluorine-based paint and subjected to a water repellent treatment.
拡散層103の厚みは、0.1μm以上500μm以下であることが好ましい。拡散層103の厚みが0.1μm未満の場合は、ガス拡散性、撥水性が不十分となる。逆に、拡散層103の厚みが500μmより大きいと、拡散層103の電気抵抗が上昇しオーム損失が増大するため好ましくない。さらに好ましい拡散層103の厚みは、1μm以上300μm以下である。 The thickness of the diffusion layer 103 is preferably 0.1 μm or more and 500 μm or less. When the thickness of the diffusion layer 103 is less than 0.1 μm, gas diffusibility and water repellency are insufficient. Conversely, if the thickness of the diffusion layer 103 is greater than 500 μm, the electrical resistance of the diffusion layer 103 increases and ohmic loss increases, which is not preferable. A more preferable thickness of the diffusion layer 103 is 1 μm or more and 300 μm or less.
アノード2、カソード3は膜電極接合体1で発生した電流を外部へ取り出すための電極であり、導電性の材料より構成されることが望ましい。また、アノード2、カソード3は各々、燃料や酸化剤ガスを拡散層103へ供給するための流路板を兼用していても良い。つまり、アノード2、カソード3は平板である必要は無く、電流取り出し部と流路溝にパターニングされた形状であっても良い。
The anode 2 and the cathode 3 are electrodes for taking out the current generated in the
本発明の固体高分子型燃料電池は、前記本発明の膜電極接合体を用いることで得られる。図1は本発明の固体高分子型燃料電池の最小構成の1例を示したものであるが、実際の形状は任意であるし、複数個の膜電極接合体を直列または並列に組み合わせても良い。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be obtained by using the membrane electrode assembly of the present invention. FIG. 1 shows an example of the minimum configuration of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, but the actual shape is arbitrary, and a plurality of membrane electrode assemblies may be combined in series or in parallel. good.
[本発明における膜電極接合体の製造方法]
本発明における膜電極接合体の製造方法は、少なくとも、多孔性高分子膜の両面の孔部にスルホン酸基含有化合物および/またはリン酸基含有化合物からなる機能性化合物を接触させる工程(以下、接触工程)と、電子線照射により多孔性高分子膜と機能性化合物を化学的に結合させる工程(以下、結合工程)と、多孔性高分子膜の両面の表面近傍にある余剰の機能性化合物を洗浄により除去する工程(以下、洗浄工程)と、多孔性高分子膜の両面の表面近傍に触媒担持導電物質の前駆体ペーストを塗布する工程(以下、塗布工程)と、ペーストの表面に拡散層を貼り付けてから前記ペーストを乾燥させる工程(以下、貼付乾燥工程)とを含む。
[Method for Producing Membrane / Electrode Assembly in the Present Invention]
In the method for producing a membrane / electrode assembly in the present invention, at least a step of bringing a functional compound comprising a sulfonic acid group-containing compound and / or a phosphoric acid group-containing compound into contact with the pores on both surfaces of the porous polymer membrane (hereinafter referred to as a Contact step), a step of chemically bonding the porous polymer film and the functional compound by electron beam irradiation (hereinafter referred to as a bonding step), and surplus functional compounds in the vicinity of both surfaces of the porous polymer membrane. Is removed by cleaning (hereinafter referred to as a cleaning step), a step of applying a catalyst-carrying conductive material precursor paste in the vicinity of both surfaces of the porous polymer film (hereinafter referred to as an application step), and diffusion to the surface of the paste And a step of drying the paste after applying the layer (hereinafter, a sticking drying step).
接触工程において、多孔性高分子膜と機能性化合物とを接触させる方法は特に制限されない。例えば、機能性化合物よりなる液体に多孔性高分子膜を浸漬するだけでも良い。更に接触効率を上げるために、必要に応じて超音波振動を加えたり、減圧濾過や加圧濾過の手法を併用したりしても良い。 In the contacting step, the method for bringing the porous polymer membrane into contact with the functional compound is not particularly limited. For example, the porous polymer film may be simply immersed in a liquid made of a functional compound. In order to further increase the contact efficiency, ultrasonic vibration may be applied as necessary, or a vacuum filtration or pressure filtration technique may be used in combination.
機能性化合物を構成するスルホン酸基含有化合物、リン酸基含有化合物の種類は特に制限されないが、膜電極接合体の発電効率を上げるためには化合物中におけるスルホン酸基、リン酸基の割合の大きいものを用いることが好ましい。例えば、官能基1個あたりの分子量は500以下であることが好ましい。 The type of the sulfonic acid group-containing compound and phosphoric acid group-containing compound constituting the functional compound is not particularly limited, but in order to increase the power generation efficiency of the membrane electrode assembly, the ratio of the sulfonic acid group and phosphoric acid group in the compound It is preferable to use a larger one. For example, the molecular weight per functional group is preferably 500 or less.
機能性化合物を構成するスルホン酸基含有化合物、リン酸基含有化合物は、電子線照射に活性を有する官能基を持つ化合物であると、結合工程における化学結合が更に強固になるのでより好ましい。電子線照射に活性を有する官能基としては、二重結合、三重結合などの不飽和結合が挙げられる。その中でも特に活性の高い官能基は、メタクリル酸基、アクリル酸基、ビニル基、スチレン基である。 The sulfonic acid group-containing compound and the phosphoric acid group-containing compound constituting the functional compound are more preferably a compound having a functional group having activity for electron beam irradiation because the chemical bond in the bonding step is further strengthened. Examples of the functional group having activity in electron beam irradiation include unsaturated bonds such as double bonds and triple bonds. Among them, particularly active functional groups are methacrylic acid groups, acrylic acid groups, vinyl groups, and styrene groups.
スルホン酸基と電子線に活性な官能基を有する化合物の例としては、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、スルホブチルメタクリレート類、スルホプロピルメタクリレート類、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、スルホベンゼンメタクリレート類、スルホベンジルメタクリレート類などを挙げることが出来る。これらのモノマーにフッ素を導入したモノマーを使用しても構わない。これらモノマーの複数種類を混合併用しても構わない。 Examples of compounds having a sulfonic acid group and an electron beam active functional group include vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, sulfobutyl methacrylate, sulfopropyl methacrylate, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfone. Examples include acids, sulfobenzene methacrylates and sulfobenzyl methacrylates. A monomer in which fluorine is introduced into these monomers may be used. A plurality of these monomers may be used in combination.
リン酸基と電子線に活性な官能基を有する化合物としては、側鎖にリン酸エステル基を持つ(メタ)アクリル酸エステル誘導体を好適に用いることが出来る。
結合工程における化学結合を強固にするために、機能性化合物に架橋補助材を適量添加しても良い。架橋補助材は、電子線に活性を有するものが好ましい。例えば、アクリルアミド、アクリロニトリル、N−ビニルピロリドンなどが好適な架橋補助材として挙げられる。
As the compound having a phosphate group and a functional group active on an electron beam, a (meth) acrylic acid ester derivative having a phosphate ester group in the side chain can be suitably used.
In order to strengthen the chemical bond in the bonding step, an appropriate amount of a crosslinking auxiliary material may be added to the functional compound. The cross-linking auxiliary material preferably has activity for electron beams. For example, acrylamide, acrylonitrile, N-vinylpyrrolidone and the like can be mentioned as suitable crosslinking aids.
粘度調整の目的で、機能性化合物に適当な溶剤を少量添加しても良い。
電子線の照射量は特に制限されないが、100Gy以上10MGy以下、特に5kGy以上200kGy以下に設定することが好ましい。照射量が100Gy未満では化学結合が十分に形成されない。照射量が10MGyより大きいと高分子膜やプロトン導電性基が変性するおそれがある。
For the purpose of adjusting the viscosity, a small amount of a suitable solvent may be added to the functional compound.
Although the amount of electron beam irradiation is not particularly limited, it is preferably set to 100 Gy or more and 10 MGy or less, particularly 5 kGy or more and 200 kGy or less. If the irradiation amount is less than 100 Gy, a chemical bond is not sufficiently formed. When the irradiation amount is larger than 10 MGy, the polymer film or the proton conductive group may be modified.
電子線の加速電圧は電解質膜の厚さによって異なるが、例えば15μm以上150μm以下程度のフィルムでは50kV以上2MV以下程度の加速電圧が好ましい。加速電圧の異なる複数の電子線を照射してもよい。また電子線の照射中に加速電圧を変化させてもよい。また、必要に応じて活性エネルギー線の照射中または照射直後に加熱処理を行っても良い。 Although the acceleration voltage of the electron beam varies depending on the thickness of the electrolyte membrane, for example, an acceleration voltage of about 50 kV to 2 MV is preferable for a film of about 15 μm to 150 μm. A plurality of electron beams having different acceleration voltages may be irradiated. Further, the acceleration voltage may be changed during the electron beam irradiation. Moreover, you may heat-process during the irradiation of an active energy ray or immediately after irradiation as needed.
洗浄工程において、高分子膜の表面近傍にある余剰の機能性化合物を除去する。この作業により高分子膜の表面近傍に多孔性の箇所を復元できる。洗浄の手法は、特に制限されないが、電子線照射前の機能性化合物にとって可溶である溶媒に浸漬し、その中で擦り処理を実施すると効果的な洗浄ができる。 In the washing step, excess functional compounds near the surface of the polymer film are removed. By this work, the porous portion can be restored near the surface of the polymer film. The cleaning method is not particularly limited, but effective cleaning can be performed by immersing in a solvent that is soluble in the functional compound before electron beam irradiation and performing a rubbing treatment in the solvent.
塗布工程において、高分子膜の表面に触媒担持導電物質の前駆体ペーストを塗布する。前駆体ペーストは触媒担持導電物質の他に、電解質材料や有機溶媒を含んでいても良い。本発明に好適な電解質材料の例としては、プロトン導電性基を持つフルオロポリマー、例えばナフィオン(登録商標、デュポン社)、スルホン酸フルオロオリゴマーやスルホン化ポリイミド、スルホン化オリゴマー等が挙げられる。 In the coating step, a catalyst paste conductive material precursor paste is applied to the surface of the polymer film. The precursor paste may contain an electrolyte material or an organic solvent in addition to the catalyst-carrying conductive material. Examples of the electrolyte material suitable for the present invention include fluoropolymers having proton conductive groups, such as Nafion (registered trademark, DuPont), sulfonic acid fluorooligomers, sulfonated polyimides, and sulfonated oligomers.
ペーストの塗布方法は特に限定されないが、例えば、バーコータ法、スピンコート法、スクリーン印刷法、エアドクタコータ法、ブレードコータ法、ロッドコータ法、ナイフコータ法、スクイズコータ法、含浸コータ法、コンマコータ法、ダイコータ法、リバースロールコータ法、トランスファロールコータ法、グラビアコータ法、キスロールコータ法、キャストコータ法、スプレイコータ法、カーテンコータ法、カレンダコータ法、押出コータ法等がある。 The paste application method is not particularly limited, for example, bar coater method, spin coating method, screen printing method, air doctor coater method, blade coater method, rod coater method, knife coater method, squeeze coater method, impregnation coater method, comma coater method, Examples include a die coater method, a reverse roll coater method, a transfer roll coater method, a gravure coater method, a kiss roll coater method, a cast coater method, a spray coater method, a curtain coater method, a calendar coater method, and an extrusion coater method.
ペーストの多孔性高分子膜への滲入量は特に制限されないが、片面あたりの滲入深さが多孔性高分子膜の厚さに対して1%以上50%未満であるとより好ましい。ペーストの多孔性高分子膜への滲入量の調整はペーストの粘度、塗布量によって任意に調整可能である。 The amount of penetration of the paste into the porous polymer film is not particularly limited, but the penetration depth per side is more preferably 1% or more and less than 50% with respect to the thickness of the porous polymer film. The amount of penetration of the paste into the porous polymer film can be arbitrarily adjusted according to the viscosity and the coating amount of the paste.
ペーストの多孔性高分子膜表面から測定した時の塗布厚みは固形分換算値で、1mm以下であり、好ましくは0.5μm以上50μm以下の範囲である。厚みが0.5μmより薄いと、次工程で乾燥させたときに微小なピンホール、クラックなどが発生しやすく、逆に厚みが50μmより大きいと、膜抵抗が高くなる恐れがある。 The coating thickness when measured from the surface of the porous polymer film of the paste is 1 mm or less, preferably 0.5 μm or more and 50 μm or less, in terms of solid content. If the thickness is less than 0.5 μm, minute pinholes, cracks, etc. are likely to occur when dried in the next step. Conversely, if the thickness is greater than 50 μm, the film resistance may increase.
貼付乾燥工程においては、塗布された前駆体ペーストが乾燥する前に拡散層を貼付し、大気中もしくは不活性ガス雰囲気中で、室温以上で十分に溶媒が揮発するまで乾燥させる。 In the sticking / drying step, the diffusion layer is stuck before the applied precursor paste is dried, and is dried in the air or in an inert gas atmosphere until the solvent is sufficiently evaporated at room temperature or higher.
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例により限定されるものではない。
実施例1
(本発明の膜電極接合体の製造例)
プラスチック容器中にビニルスルホン酸とメタクロイルオキシエチルホスフェート(共栄社化学製、商品名P−1M)とアクリロニトリルを等重量ずつ混合して機能性化合物の溶液を作製した。この溶液中に多孔性高分子膜として厚さ15μm、平均細孔径0.1μmのポリイミド膜を浸漬して容器ごと超音波処理を5分間施した。容器より取り出したポリイミド膜を平滑なSUS板上へ移して、電子線照射装置(岩崎電気社製、EC250/15/180L)を用いて、加速電圧200kV、線量50kGyの電子線を照射した。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.
Example 1
(Production example of membrane electrode assembly of the present invention)
In a plastic container, vinylsulfonic acid, methacryloyloxyethyl phosphate (trade name P-1M, manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) and acrylonitrile were mixed in equal weights to prepare a functional compound solution. A polyimide film having a thickness of 15 μm and an average pore diameter of 0.1 μm was immersed in this solution as a porous polymer film, and the whole container was subjected to ultrasonic treatment for 5 minutes. The polyimide film taken out from the container was transferred onto a smooth SUS plate and irradiated with an electron beam having an acceleration voltage of 200 kV and a dose of 50 kGy using an electron beam irradiation apparatus (EC250 / 15 / 180L manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.).
照射後のポリイミド膜を60℃に熱したメタノール/水混合溶液(等体積混合)に移して、その表面をスポンジで擦り洗いすることで表面を覆っていた余剰の機能性化合物を除去した。洗浄後の膜は、一旦、自然乾燥させた。 The polyimide film after irradiation was transferred to a methanol / water mixed solution (equal volume mixing) heated to 60 ° C., and the surface was scrubbed with a sponge to remove excess functional compounds covering the surface. The washed membrane was once naturally dried.
洗浄後の膜の表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ表面近傍に平均直径0.1μmの孔が多数空いている様子が見られた。
アノード側触媒担持導電物質の前駆体ペーストとして、60wt%のPt−Ru触媒(Pt:Ru=1:1、原子比)を担持したカーボン(田中貴金属社製)1gと、5wt%のナフィオン溶液(アルドリッチ社製)5gとを十分に混合したペーストを作製した。カソード側触媒担持導電物質の前駆体ペーストとしては、60wt%のPt触媒を担持したカーボン(田中貴金属社製)1gと、5wt%のナフィオン溶液5gとを十分に混合したペーストを作製した。洗浄後のポリイミド膜の両面に、これらの前駆体ペーストをバーコータ法により固形分換算で1μmの膜厚となるように塗布し、拡散層としてのカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−30、厚さ0.1mm)をその外側に貼付した。これを100℃のホットプレスを5分間、その後室温にて減圧乾燥させることで本発明の膜電極接合体を得た。
When the surface of the washed film was observed with a scanning electron microscope, it was found that many holes having an average diameter of 0.1 μm were open near the surface.
As a precursor paste of the anode-side catalyst-carrying conductive material, 1 g of carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku) carrying 60 wt% Pt-Ru catalyst (Pt: Ru = 1: 1, atomic ratio) and 5 wt% Nafion solution ( A paste fully mixed with 5 g of Aldrich was prepared. As a precursor paste of the cathode-side catalyst-carrying conductive material, a paste was prepared by sufficiently mixing 1 g of carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) carrying 60 wt% of Pt catalyst and 5 g of 5 wt% Nafion solution. These precursor pastes were applied to both surfaces of the cleaned polyimide film by a bar coater method so as to have a film thickness of 1 μm in terms of solid content, and carbon paper as a diffusion layer (TGP-H-30, manufactured by Toray Industries, Inc.) A thickness of 0.1 mm) was applied to the outside. This was dried under reduced pressure at 100 ° C. for 5 minutes and then at room temperature to obtain a membrane / electrode assembly of the present invention.
膜電極接合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、触媒担持導電物質の最大埋め込み深さはアノード側、カソード側ともに3μm程度であった。つまり、ポリイミド膜の膜厚に対して各々20%の深さであった。 When the cross section of the membrane electrode assembly was observed with a scanning electron microscope, the maximum embedding depth of the catalyst-carrying conductive material was about 3 μm on both the anode side and the cathode side. That is, the depth was 20% with respect to the thickness of the polyimide film.
実施例2
(本発明の膜電極接合体の製造例)
多孔性高分子膜としてPTFEメンブランフィルター(厚さ75μm、平均細孔径3μm)を2枚重ねたものを使用し、電子線照射の加速電圧を300kVとした他は実施例1と同様にして本発明の膜電極接合体を得た。
Example 2
(Production example of membrane electrode assembly of the present invention)
The present invention is the same as in Example 1 except that two porous PTFE membrane filters (thickness 75 μm, average pore diameter 3 μm) are used and the acceleration voltage of electron beam irradiation is 300 kV. The membrane electrode assembly was obtained.
作製途中、洗浄工程後のPTFE膜の表面には平均直径3μmの孔が多数空いている様子が見られた。
膜電極接合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、触媒担持導電物質の最大埋め込み深さはアノード側、カソード側ともに10μm程度であった。つまり、ポリイミド膜の膜厚に対して各々6.7%の深さであった。
During the production, a large number of holes having an average diameter of 3 μm were observed on the surface of the PTFE film after the cleaning step.
When the cross section of the membrane electrode assembly was observed with a scanning electron microscope, the maximum embedding depth of the catalyst-carrying conductive material was about 10 μm on both the anode side and the cathode side. That is, the depth was 6.7% with respect to the thickness of the polyimide film.
比較例1
(膜電極接合体の製造例)
水中にアクリルアミドメチルプロピルスルホン酸とメチレン−ビス−アクリルアミドと反応開始剤としての2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩(V−50、和光純薬工業社製)を重量比50:30:1の比で溶解させてモノマー水溶液を作製した。この溶液に実施例1で用いたものと同じ多孔性ポリイミド膜を浸漬した後に多孔性ポリイミド膜を取り出し、ガラス板で挟んだ。そのまま50℃の乾燥機内に12時間静置して加熱重合を行った。これを3回繰り返して、多孔性高分子膜の内部を重合物で充填させた。最後に膜の表面上に弱い力で付着する過剰なポリマーを純水で取り除いて膜を平滑化した。
Comparative Example 1
(Production example of membrane electrode assembly)
Acrylamide methylpropyl sulfonic acid, methylene-bis-acrylamide and 2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride (V-50, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a reaction initiator in water at a weight ratio of 50 : A monomer aqueous solution was prepared by dissolution at a ratio of 30: 1. The same porous polyimide film as used in Example 1 was immersed in this solution, and then the porous polyimide film was taken out and sandwiched between glass plates. As it was, it was left to stand in a dryer at 50 ° C. for 12 hours to carry out heat polymerization. This was repeated three times to fill the inside of the porous polymer membrane with the polymer. Finally, the excess polymer adhering to the surface of the membrane with a weak force was removed with pure water to smooth the membrane.
この膜の両面に実施例1と同様の手法で触媒担持導電物質と拡散層を接合することで比較用の膜電極接合体を得た。膜電極接合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、触媒担持導電物質とポリイミド膜の界面は明確であり、実質的な埋め込みは形成されていなかった。 A membrane-electrode assembly for comparison was obtained by bonding the catalyst-carrying conductive material and the diffusion layer to both surfaces of the membrane by the same method as in Example 1. When the cross section of the membrane electrode assembly was observed with a scanning electron microscope, the interface between the catalyst-carrying conductive material and the polyimide film was clear, and no substantial embedding was formed.
前記実施例1、2および比較例1で得られた膜電極接合体を評価セルに組み込んで固体高分子型燃料電池の形態にし、単セルでの運転を行った。
アノード側には、5wt%のメタノール水溶液を10ml/minで供給し、カソード側には常圧の空気を100ml/minで供給し、セル全体を80℃にて保温しながら発電を行った。
The membrane electrode assemblies obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were incorporated into an evaluation cell to form a polymer electrolyte fuel cell, and the operation was performed in a single cell.
A 5 wt% aqueous methanol solution was supplied to the anode side at 10 ml / min, and normal pressure air was supplied to the cathode side at 100 ml / min, and power generation was performed while keeping the entire cell at 80 ° C.
電流密度0.25A/cm2で放電したときの端子電圧を表1に示す。 Table 1 shows the terminal voltages when discharged at a current density of 0.25 A / cm 2 .
実施例においては、触媒担持導電物質と電解質膜の界面部の面積が大きくなっているために、膜電極接合体全体としての内部抵抗が低減しており、加えて三相界面が充分に形成されているために、固体高分子型燃料電池としての出力性能が向上していると考えられる。 In the example, since the area of the interface between the catalyst-carrying conductive material and the electrolyte membrane is large, the internal resistance of the membrane electrode assembly as a whole is reduced, and in addition, a three-phase interface is sufficiently formed. Therefore, it is considered that the output performance as a polymer electrolyte fuel cell is improved.
前記実施例1、2および比較例1で得られた膜電極接合体のアノード側の拡散層部分に2mm間隔で縦横の切れ込みを入れた。この表面に24mm幅のセロハンテープを貼り付けて45度程度の角度で強く引き剥がした。その結果、実施例1の膜電極接合体では、ランダムに5%程度の箇所で剥がれが見られた。実施例2の膜電極接合体ではほとんど剥がれは見られなかった。一方、比較例1の膜電極接合体では50%以上の箇所で剥がれが見られた。 Vertical and horizontal cuts were made at intervals of 2 mm in the diffusion layer portion on the anode side of the membrane electrode assemblies obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. A cellophane tape having a width of 24 mm was applied to this surface and strongly peeled off at an angle of about 45 degrees. As a result, in the membrane / electrode assembly of Example 1, peeling was randomly observed at about 5%. In the membrane / electrode assembly of Example 2, almost no peeling was observed. On the other hand, in the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1, peeling was observed at 50% or more.
以上実施例を挙げて説明した様に、本発明は膜電極接合体を構成する部材の構成と界面状態に特徴があるのであって、その原料の種類や製造装置に何ら限定されるものでは無い。 As described above with reference to the examples, the present invention is characterized in the structure and interface state of the members constituting the membrane electrode assembly, and is not limited to the types of raw materials or the manufacturing apparatus. .
本発明によれば、強度と高出力な発電特性との両立に適した膜電極接合体、膜電極接合体の製造方法、および固体高分子型燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of a membrane electrode assembly suitable for coexistence with intensity | strength and a high output power generation characteristic, the manufacturing method of a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell can be provided.
1 膜電極接合体
2 アノード
3 カソード
4 固体高分子電解質膜
101 多孔性高分子膜
102 触媒担持導電物質
103 拡散層
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