JP2006252967A - Solid polymer electrolyte membrane for fuel cell, and fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用固体高分子電解質膜に関し、より詳細には、機械的強度に優れる燃料電池用固体高分子電解質膜に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, and more particularly to a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell having excellent mechanical strength.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。燃料電池には、固体高分子型燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、アルカリ型燃料電池(AFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)などがある。なかでも、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動して高出力密度が得られることから、電気自動車用電源として期待されている。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), solid oxide fuel cells (SOFC), and molten carbonate fuel cells (MCFC). )and so on. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature and obtains a high output density.
固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する。)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。 The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also simply referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusion layer.
電極触媒層は、固体高分子電解質と導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒との混合物により形成された多孔性のものである。また、ガス拡散層は、カーボンクロスなどのガス拡散基材表面にカーボン粒子および撥水剤などからなるカーボン撥水層が形成されてなるものが用いられている。 The electrode catalyst layer is a porous layer formed by a mixture of a solid polymer electrolyte and an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier. In addition, a gas diffusion layer is used in which a carbon water repellent layer composed of carbon particles, a water repellent and the like is formed on the surface of a gas diffusion base material such as carbon cloth.
固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、燃料極(アノード)側電極触媒層に供給された燃料ガスに含まれる水素は、電極触媒により酸化されてプロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、燃料極側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに燃料極側電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、空気極(カソード)側電極触媒層に達する。また、燃料極側電極触媒層で生成した電子は、燃料極側電極触媒層を構成している導電性担体、さらに燃料極側電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通して空気極側電極触媒層に達する。そして、空気極側電極触媒層に達したプロトンおよび電子は、電極触媒によりカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode (anode) side electrode catalyst layer is oxidized by the electrode catalyst into protons and electrons. Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the fuel electrode side electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the fuel electrode side electrode catalyst layer, and then the air electrode (cathode) side electrode catalyst. Reach the layer. Further, the electrons generated in the fuel electrode side electrode catalyst layer are in contact with the conductive carrier constituting the fuel electrode side electrode catalyst layer, and further on the side different from the solid polymer electrolyte membrane of the fuel electrode side electrode catalyst layer. The air electrode side electrode catalyst layer is reached through the gas diffusion layer, the separator and the external circuit. The protons and electrons that have reached the air electrode side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side by the electrode catalyst to generate water. In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.
固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、高いプロトン伝導性、および、電極に挟まれたセパレータとしての機能などを有することが求められる。また、従来の固体高分子電解質膜は、電池の内部抵抗を小さくし、出力をより高くするという観点から、薄膜化、スルホン酸基濃度の増加などが試みられている。 A solid polymer electrolyte membrane used for a polymer electrolyte fuel cell is required to have high proton conductivity and a function as a separator sandwiched between electrodes. In addition, conventional solid polymer electrolyte membranes have been attempted from the viewpoint of reducing the internal resistance of the battery and increasing the output, thereby reducing the thickness and increasing the sulfonic acid group concentration.
しかしながら、スルホン酸基濃度の著しい増加は固体高分子電解質膜の耐久性を低下させる等の問題が生じる。一方、厚さの低減は、固体高分子電解質膜自体の機械的強度を低下させ、固体高分子電解質膜の製造時や長期運転時などにおいてピンホール等が発生し易くなる問題が生じる。ピンホールの発生は、プロトン伝導性の低下だけでなく、燃料ガスおよび酸化剤ガスの対極へのガスリークを招き、電池出力の低下につながる。 However, a significant increase in the sulfonic acid group concentration causes problems such as lowering the durability of the solid polymer electrolyte membrane. On the other hand, the reduction in thickness lowers the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane itself, which causes a problem that pinholes or the like are likely to occur during the production of the solid polymer electrolyte membrane or during long-term operation. The generation of pinholes causes not only a decrease in proton conductivity but also a gas leak to the counter electrode of fuel gas and oxidant gas, leading to a decrease in battery output.
そこで、特許文献1には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換層の2層以上の積層体からなり、前記陽イオン交換層の1層以上はフィブリル状のフルオロカーボン重合体からなる補強材で補強されており、前記陽イオン交換層の1層以上は実質的に補強材で補強されていない固体高分子電解質膜が開示されている。前記特許文献1によれば、補強材としてPTFEなどからなる多孔体やフィブリルを用いることにより、固体高分子電解質膜の機械的強度を向上することが可能となる。
しかしながら、上記特許文献1に記載の固体高分子電解質膜では、機械的強度は向上するものの、十分なプロトン伝導性が得られない恐れがあった。これは、固体高分子電解質膜の補強材として、絶縁体であり、プロトン伝導性を有していないPEFEなどを用いており、かような補強材を固体高分子電解質膜中に配置していることが原因であると考えられる。 However, although the solid polymer electrolyte membrane described in Patent Document 1 has improved mechanical strength, there is a fear that sufficient proton conductivity cannot be obtained. This is an insulator, such as PEFE that does not have proton conductivity, as a reinforcing material for the solid polymer electrolyte membrane, and such a reinforcing material is disposed in the solid polymer electrolyte membrane. This is considered to be the cause.
固体高分子型燃料電池は、実用化に当たって、長期に亘って高い発電性能を維持することが所望されている。従って、固体高分子電解質膜には、機械的強度だけでなく、プロトン伝導性にも優れていることが必要である。 In the practical use of solid polymer fuel cells, it is desired to maintain high power generation performance over a long period of time. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane needs to be excellent not only in mechanical strength but also in proton conductivity.
そこで、本発明は、プロトン伝導性を確保しつつ機械的強度を向上させた固体高分子電解質膜を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte membrane having improved mechanical strength while ensuring proton conductivity.
本発明者は、固体高分子電解質膜の耐久性に関して種々の検討を行った結果、補強材として導電性ナノ繊維を用い、導電性ナノ繊維を固体高分子電解質膜の外側に配置することにより上記課題を解決できることを見出した。 As a result of various studies on the durability of the solid polymer electrolyte membrane, the present inventor used conductive nanofibers as a reinforcing material and arranged the conductive nanofibers outside the solid polymer electrolyte membrane. I found that the problem could be solved.
すなわち、本発明は、燃料電池用固体高分子電解質膜であって、前記燃料電池用固体高分子電解質膜の少なくとも片面に、導電性ナノ繊維を含む補強材が配置されてなる燃料電池用固体高分子電解質膜である。 That is, the present invention provides a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell is provided with a reinforcing material containing conductive nanofibers on at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell. It is a molecular electrolyte membrane.
本発明では、補強材として導電性ナノ繊維を用い、この補強材を固体高分子電解質膜の外側に配置して補強することにより、プロトン伝導性を低下させることなく固体高分子電解質膜を補強して機械的強度を向上させることができる。 In the present invention, conductive nanofibers are used as a reinforcing material, and the reinforcing material is disposed outside the solid polymer electrolyte membrane to reinforce the solid polymer electrolyte membrane without reducing proton conductivity. And mechanical strength can be improved.
本発明の第一は、燃料電池用固体高分子電解質膜であって、前記燃料電池用固体高分子電解質膜の少なくとも片面に、導電性ナノ繊維を含む補強材が配置されてなる燃料電池用固体高分子電解質膜(以下、単に「固体高分子電解質膜」とも記載する)である。 A first aspect of the present invention is a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein a solid material for a fuel cell in which a reinforcing material containing conductive nanofibers is disposed on at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell. It is a polymer electrolyte membrane (hereinafter also simply referred to as “solid polymer electrolyte membrane”).
まず、本発明の固体高分子電解質膜の断面模式図を図1に示す。本発明の固体高分子電解質膜100は、図1に示すように、固体高分子電解質膜100中ではなく、固体高分子電解質膜100の少なくとも片面上に、導電性ナノ繊維を含む補強材101が配置される。このように、前記導電性ナノ繊維を含む補強材が固体高分子電解質膜の外側に配置されることにより、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性を確保しつつ機械的強度を向上させることが可能となる。
First, the cross-sectional schematic diagram of the solid polymer electrolyte membrane of this invention is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the solid
本発明において、補強材に用いられる導電性ナノ繊維としては、直径が1000nm以下とナノメーターサイズの直径を有する繊維を用いる。このように導電性ナノ繊維がナノメーターサイズの直径を有することでMEAなどを組立てた際に、固体高分子電解質膜と電極触媒層との接触性が高くプロトン伝導経路を確保することができる。前記導電性ナノ繊維の直径は、固体高分子電解質膜の所望する強度が得られるように適宜決定すればよいが、より好ましくは500nm以下とするのがよい。 In the present invention, as the conductive nanofiber used for the reinforcing material, a fiber having a diameter of 1000 nm or less and a nanometer-sized diameter is used. Thus, when MEA etc. are assembled because electroconductive nanofiber has a nanometer size diameter, the contact property of a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer is high, and a proton conduction path | route can be ensured. The diameter of the conductive nanofiber may be appropriately determined so that the desired strength of the solid polymer electrolyte membrane can be obtained, and more preferably 500 nm or less.
また、前記固体高分子電解質膜を用いてMEAなどを組立てた際に電気抵抗を低下させて発電性能を向上させるために、前記導電性ナノ繊維は、導電性を有しているのがよい。具体的には、前記導電性ナノ繊維の電気抵抗が、好ましくは10mΩ・cm以下、より好ましくは2mΩ・cm以下のものを用いるのがよい。 Moreover, in order to reduce electric resistance and improve power generation performance when an MEA or the like is assembled using the solid polymer electrolyte membrane, the conductive nanofibers preferably have conductivity. Specifically, an electrical resistance of the conductive nanofiber is preferably 10 mΩ · cm or less, more preferably 2 mΩ · cm or less.
前記導電性ナノ繊維は、具体的には、高い導電性が得られることから、カーボンナノ繊維が好ましく挙げられる。前記カーボンナノ繊維としては、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンシルクなどが好ましく挙げられる。 Specifically, the conductive nanofibers are preferably carbon nanofibers because high conductivity is obtained. Preferred examples of the carbon nanofiber include carbon nanofiber, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanocoil, and carbon silk.
前記カーボンナノ繊維とは上記した所定の直径を有する繊維状カーボン材料からなるものである。前記カーボンナノチューブとは上記した所定の直径を有し、繊維中心に空洞を有するチューブ状カーボン材料からなるものである。前記カーボンナノチューブは、特に制限されないが、グラファイトを円筒状に丸めたような構造を有し、前記円筒が一層の単層カーボンナノチューブ(SWNTs)と、前記円筒が同心円状に多層化した多層カーボンナノチューブ(MWNT)と、が挙げられる。また、前記カーボンナノホーンとは、単層グラファイトからなり、上記した所定の直径を有する円錐構造の集合体からなるものである。 The carbon nanofiber is made of a fibrous carbon material having a predetermined diameter as described above. The carbon nanotube is made of a tubular carbon material having the above-mentioned predetermined diameter and having a cavity at the center of the fiber. Although the carbon nanotube is not particularly limited, it has a structure in which graphite is rolled into a cylindrical shape, and the cylinder is a single-walled carbon nanotube (SWNTs) having a single layer, and the multi-walled carbon nanotube in which the cylinder is multi-layered concentrically. (MWNT). The carbon nanohorn is made of single-layer graphite, and is made of an aggregate of conical structures having the predetermined diameter described above.
前記カーボンナノ繊維として上記で列挙したもののうち、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンシルクなどは、黒鉛化度が高いカーボン材料からなり、耐食性に優れるため好ましく用いられる。 Among the carbon nanofibers listed above, carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanocoils, carbon silk, and the like are preferably used because they are made of a carbon material having a high degree of graphitization and are excellent in corrosion resistance.
さらに、前記カーボンナノ繊維として上記で列挙したもののうち、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどのチューブ状のものを用いるのが特に好ましい。これらのチューブ状のカーボンナノ繊維は、水素を吸蔵することができる。水素は、還元性を有するため、白金イオンなどを還元析出することができる。また、燃料電池の運転時では、燃料ガスとして水素ガスが供給される。従って、固体高分子電解質膜の補強材としてチューブ状のカーボンナノ繊維を用いれば、供給された水素ガスを前記カーボンナノ繊維に吸蔵することができ、これにより電極触媒層から溶出した白金イオンなどの触媒粒子成分を捕捉して微粒子状の触媒粒子として前記カーボンナノ繊維表面に還元析出させることができる。さらに、チューブ状のカーボンナノ繊維を固体高分子電解質膜の空気極側の面に配置することにより、燃料極側電極触媒層からクロスオーバーしてきた水素ガスを空気極側電極触媒層に侵入する前に前記カーボンナノ繊維内に吸蔵することができ、白金イオンなどの触媒粒子成分を還元析出させる機能だけでなく、クロスオーバーガスによる固体高分子の劣化を抑制する機能を固体高分子電解質膜に付与することが可能となる。 Further, among the carbon nanofibers listed above, it is particularly preferable to use tube-like ones such as carbon nanotubes and carbon nanohorns. These tubular carbon nanofibers can occlude hydrogen. Since hydrogen has reducibility, platinum ions and the like can be reduced and deposited. Further, during operation of the fuel cell, hydrogen gas is supplied as the fuel gas. Therefore, if tube-like carbon nanofibers are used as a reinforcing material for the solid polymer electrolyte membrane, the supplied hydrogen gas can be occluded in the carbon nanofibers, and thus platinum ions eluted from the electrode catalyst layer and the like. The catalyst particle component can be captured and reduced and deposited as fine particle catalyst particles on the surface of the carbon nanofiber. Furthermore, by disposing the tubular carbon nanofibers on the air electrode side surface of the solid polymer electrolyte membrane, before the hydrogen gas crossed over from the fuel electrode side electrode catalyst layer enters the air electrode side electrode catalyst layer. In addition to the function of reducing and precipitating catalyst particle components such as platinum ions, it is possible to occlude the carbon nanofibers, and the solid polymer electrolyte membrane has a function of suppressing deterioration of the solid polymer due to crossover gas. It becomes possible to do.
前記導電性ナノ繊維としてカーボンナノチューブなどのチューブ状のものを用いた場合には、前記導電性ナノ繊維の内径は500nm以下、特に100〜300nmのものを用いるのが好ましい。 When a tube-shaped material such as carbon nanotube is used as the conductive nanofiber, it is preferable to use a conductive nanofiber having an inner diameter of 500 nm or less, particularly 100 to 300 nm.
前記導電性ナノ繊維は長さが短すぎると固体高分子電解質膜に刺さる等して固体高分子電解質膜を破損させる恐れがあるため、導電性ナノ繊維の長さは、10μm以上、好ましくは50μm以上、より好ましくは100μm以上とするのがよい。 If the length of the conductive nanofibers is too short, the solid polymer electrolyte membrane may be damaged by piercing the solid polymer electrolyte membrane or the like. Therefore, the length of the conductive nanofibers is 10 μm or more, preferably 50 μm. More preferably, the thickness is 100 μm or more.
本発明の固体高分子電解質膜に用いられる前記補強材は、上述した導電性ナノ繊維を含む。前記補強材の長さは、用いる固体高分子電解質膜の大きさ、機械的強度を考慮して適宜決定すればよいが、100μm以上、好ましくは1cm以上とするのが望ましい。 The said reinforcing material used for the solid polymer electrolyte membrane of this invention contains the electroconductive nanofiber mentioned above. The length of the reinforcing material may be appropriately determined in consideration of the size and mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane to be used, but is desirably 100 μm or more, preferably 1 cm or more.
前記補強材は、所望する長さが得られるのであれば単独の導電性ナノ繊維のみからなってもよく、複数の導電性ナノ繊維の集合体からなるものであってもよい。例えば、導電性ナノ繊維を、絡み合わせる等して集合体としたものを補強材として用いることができる。導電性ナノ繊維を集合体として用いることにより、長さが短い導電性ナノ繊維であっても絡み合わせるなどにより全体として所望する長さを有するように調整して補強材として用いることができる。また、異なる特性を有する導電性ナノ繊維を集合体とすることで、種々の特性を兼ね備えた補強材とすることも可能である。 If the desired length is obtained, the reinforcing material may be composed of a single conductive nanofiber, or may be composed of an aggregate of a plurality of conductive nanofibers. For example, an aggregate formed by intertwining conductive nanofibers can be used as the reinforcing material. By using conductive nanofibers as an aggregate, even conductive nanofibers having a short length can be adjusted to have a desired length as a whole by entanglement or the like and used as a reinforcing material. Moreover, it can also be set as the reinforcing material which has various characteristics by making the electroconductive nanofiber which has a different characteristic into an aggregate.
前記補強材は、本発明の固体高分子電解質膜の少なくとも片面に配置されればよい。具体的には、MEAなどを組立てた際に、固体高分子電解質膜の電極触媒層と接し得る面に前記補強材が配置されるのが望ましい。また、補強材にPt捕捉機能を持たせた際には、固体高分子電解質膜中へのPt溶出抑制効果が得られることから、固体高分子電解質膜の空気極側電極触媒層と接し得る面に前記補強材が配置されるのが望ましく、より高い機械的強度を得るためには固体高分子電解質膜の電極触媒層と接し得る両面に前記補強材が配置されるのがより望ましい。 The reinforcing material may be disposed on at least one side of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention. Specifically, it is desirable that the reinforcing material is disposed on a surface of the solid polymer electrolyte membrane that can come into contact with the electrode catalyst layer when the MEA or the like is assembled. In addition, when the reinforcing material is provided with a Pt capturing function, an effect of suppressing Pt elution into the solid polymer electrolyte membrane can be obtained. Therefore, the surface of the solid polymer electrolyte membrane that can be in contact with the air electrode side electrode catalyst layer Preferably, the reinforcing material is disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane that can come into contact with the electrode catalyst layer in order to obtain higher mechanical strength.
さらに、前記補強材は、固体高分子電解質膜の少なくとも片面に規則的に配置させるのが望ましい。「規則的に配置させる」とは、前記補強材を等間隔に固体高分子電解質膜の前記補強材を配置する面全体に一定の規則性を持たせて配置させることをいう。これにより、導電性ナノ繊維などを含む補強材の使用量を低減させて固体高分子電解質膜の機械的強度を効率的に向上させることが可能となる。 Furthermore, it is desirable that the reinforcing material is regularly arranged on at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane. “Regularly arranged” means that the reinforcing material is arranged at regular intervals over the entire surface of the solid polymer electrolyte membrane on which the reinforcing material is arranged with a certain regularity. As a result, the amount of the reinforcing material containing conductive nanofibers can be reduced, and the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane can be efficiently improved.
具体的には、図2に示すように補強材101を等間隔かつ平行に配置させる、図3に示すように補強材101を格子状に配置させる、または、図4に示すように補強材101を格子状に配置させたものにさらに垂直に配置させるなどして、固体高分子電解質膜100の少なくとも片面に規則的に補強材を配置させるのが望ましい。
Specifically, the reinforcing
また、固体高分子電解質膜の両面に補強材を配置する場合、各面で補強材を異なるパターンで配置してより効率的に固体高分子電解質膜の機会的強度の向上を図ってもよい。例えば、図5に示すように、固体高分子電解質膜100の一方の面に補強材101aを平行に配置させ(図5(a))、これとは反対の向きで他方の面に補強材101bを平行に配置させる(図5(b))のが好ましい。このように補強材を配置することで、全体として補強材101aおよび101bを格子状に配置することができ(図5(c))、補強材の少ない使用量であっても固体高分子電解質膜の高い機械的強度が得られる。この他にも、固体高分子電解質膜の一方の面に補強材を格子状に配置し、他方の面に補強材を垂直に配置するなどして、全体として補強材が格子状に配置させたものにさらに垂直に配置させたパターンとなるようにしてもよい。
Moreover, when arrange | positioning a reinforcing material on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, the reinforcement | strengthening material may be arrange | positioned in a different pattern in each surface, and the improvement of the opportunity strength of a solid polymer electrolyte membrane may be aimed at more efficiently. For example, as shown in FIG. 5, the reinforcing
補強材として導電性ナノ繊維を配置する量は、多くすることで固体高分子電解質膜の強度の向上が図れるが、多くなり過ぎるとMEAを組み立てた際に固体高分子電解質膜と電極触媒層との接触性が低下して十分な発電性能が得られない恐れがある。そこで、導電性ナノ繊維は、固体高分子電解質膜の面積に対して、好ましくは0.1〜1.0mg/mm2、より好ましくは0.1〜0.5mg/mm2とするのがよい。これは、固体高分子電解質膜に配置された導電性ナノ繊維の量(mg)を、固体高分子電解質膜の導電性ナノ繊維が配置された面の面積(mm2)で除した値とする。 The amount of the conductive nanofibers disposed as the reinforcing material can be increased to increase the strength of the solid polymer electrolyte membrane. However, if the amount is too large, when the MEA is assembled, the solid polymer electrolyte membrane, the electrode catalyst layer, There is a risk that the power generation performance will be deteriorated and sufficient power generation performance may not be obtained. Therefore, the conductive nanofiber is preferably 0.1 to 1.0 mg / mm 2 , more preferably 0.1 to 0.5 mg / mm 2 with respect to the area of the solid polymer electrolyte membrane. . This is a value obtained by dividing the amount (mg) of the conductive nanofibers arranged in the solid polymer electrolyte membrane by the area (mm 2 ) of the surface of the solid polymer electrolyte membrane where the conductive nanofibers are arranged. .
固体高分子電解質膜の少なくとも片面に配置された補強材は、固体高分子電解質で被覆されているのが望ましい。これにより、MEAを組立てた際に固体高分子電解質膜と電極触媒層と間のプロトン伝導性を高く維持することができ十分な発電性能を有するMEAが得られるだけでなく、固体高分子電解質がバインダーとしての役割を果たすことができ導電性ナノ繊維同士を結着させて補強材の安定性を向上させることが可能となる。 The reinforcing material disposed on at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane is preferably coated with the solid polymer electrolyte. As a result, when the MEA is assembled, not only can the proton conductivity between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer be maintained high, and an MEA having sufficient power generation performance can be obtained, but the solid polymer electrolyte It can serve as a binder and can bind the conductive nanofibers to improve the stability of the reinforcing material.
補強材が少なくとも片側に配置された固体高分子電解質膜は、補強材が固体高分子電解質で被覆されずにそのまま燃料電池用MEAなどに用いてもよい。かような固体高分子電解質膜を用いてMEAとする際に、前記固体高分子電解質膜を電極触媒層およびガス拡散層をそれぞれ二枚用いて挟持した後にホットプレスなどすることにより、固体高分子電解質膜および/または電極触媒層に含まれる固体高分子電解質の一部が前記補強材を被覆することができる。しかしながら、プロトン伝導性、導電性ナノ繊維同士の結着性などをより向上させるために、補強材は予め固体高分子電解質で被覆されているのが望ましい。この時、前記補強材は、少なくとも一部が固体高分子電解質で被覆されていればよいが、完全に固体高分子電解質で被覆されているのがより望ましい。 The solid polymer electrolyte membrane in which the reinforcing material is disposed on at least one side may be used as it is for a fuel cell MEA or the like without the reinforcing material being coated with the solid polymer electrolyte. When an MEA is formed using such a solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two electrode catalyst layers and two gas diffusion layers, and then hot pressed or the like to obtain a solid polymer. A part of the solid polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane and / or the electrode catalyst layer can cover the reinforcing material. However, in order to further improve the proton conductivity, the binding property between the conductive nanofibers, etc., it is desirable that the reinforcing material is previously coated with a solid polymer electrolyte. At this time, it is sufficient that at least a part of the reinforcing material is covered with the solid polymer electrolyte, but it is more preferable that the reinforcing material is completely covered with the solid polymer electrolyte.
また、補強材を被覆する固体高分子電解質は、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性などを考慮して適宜選択して用いることができ、固体高分子電解質膜と同じものを用いてもよく、異なるものを用いてもよい。補強材を被覆する固体高分子電解質として具体的には、後述する固体高分子電解質膜に用いられる固体高分子電解質として列挙するものと同様のものが挙げられる。 Further, the solid polymer electrolyte covering the reinforcing material can be appropriately selected and used in consideration of the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane, and the same polymer electrolyte membrane may be used, Different ones may be used. Specific examples of the solid polymer electrolyte covering the reinforcing material include those listed as solid polymer electrolytes used for the solid polymer electrolyte membrane described later.
補強材には、電極触媒層に用いられる電極反応を促進させる触媒粒子が担持されていてもよい。従来のMEAでは、発電に使われなかった燃料ガスまたは酸化剤ガスが固体高分子電解質膜を透過(クロスオーバー)して、対極の電極触媒層内で化学反応によりラジカルを生成して固体高分子を劣化させる恐れがあった。しかしながら、補強材に前記触媒粒子を担持させることで、固体高分子電解質膜と電極触媒層との界面に前記触媒粒子を配置することができ、固体高分子電解質膜をクロスオーバーしたガスを対極の電極触媒層に入る前に前記触媒粒子により反応させて水とすることにより固体高分子の劣化を防止することができる。 The reinforcing material may carry catalyst particles that promote the electrode reaction used in the electrode catalyst layer. In conventional MEAs, fuel gas or oxidant gas that has not been used for power generation permeates (crosses over) the solid polymer electrolyte membrane and generates radicals by a chemical reaction in the electrode catalyst layer of the counter electrode, thereby producing a solid polymer. There was a risk of deterioration. However, by supporting the catalyst particles on the reinforcing material, the catalyst particles can be arranged at the interface between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, and the gas crossing over the solid polymer electrolyte membrane is used as a counter electrode. Deterioration of the solid polymer can be prevented by reacting with the catalyst particles to form water before entering the electrode catalyst layer.
前記触媒粒子として、具体的には、水素の酸化反応および/または酸素の還元反応を促進させる触媒粒子であれば特に制限されず、白金の他に、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、およびバナジウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属と白金との合金などが好ましく挙げられる。また、前記触媒粒子は、白金単独で用いてもよいが、前記触媒粒子の安定性や活性を高めるために白金を主成分とする合金などとして用いてもよい。 The catalyst particles are not particularly limited as long as they are catalyst particles that promote the oxidation reaction of hydrogen and / or the reduction reaction of oxygen. In addition to platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, iron, chromium Preferred is an alloy of platinum and at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, manganese, and vanadium. The catalyst particles may be used alone, but may be used as an alloy containing platinum as a main component in order to increase the stability and activity of the catalyst particles.
補強材に担持させる触媒粒子の平均粒径は、1〜20nm、好ましくは1〜10nmとするのがよい。目的とするクロスオーバーによる劣化の抑制効果を得るためには、上記範囲とするのが望ましい。なお、「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒粒子径の平均値により測定することができる。 The average particle diameter of the catalyst particles carried on the reinforcing material is 1 to 20 nm, preferably 1 to 10 nm. In order to obtain the desired effect of suppressing deterioration due to crossover, the above range is desirable. The “average particle diameter of catalyst particles” can be measured by the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction or the average value of the catalyst particle diameters examined from a transmission electron microscope image. it can.
前記触媒粒子の担持量は、補強材に用いられる導電性ナノ繊維の全量に対して、5〜50質量%、好ましくは10〜30質量%とするのがよい。担持量が少なすぎると所望するクロスオーバーによる劣化の抑制効果が得られない恐れがあり、担持量が多すぎても製造コストを増加させる恐れがある。 The supported amount of the catalyst particles is 5 to 50% by mass, preferably 10 to 30% by mass, based on the total amount of conductive nanofibers used for the reinforcing material. If the loading amount is too small, the desired effect of suppressing deterioration due to crossover may not be obtained, and if the loading amount is too large, the production cost may increase.
また、補強材は、白金イオンを還元して析出させる機能を有するのが望ましい。これにより、燃料電池の運転中に電極触媒層から溶出した白金イオンを析出させて電極反応を促進させる触媒として再利用することができるとともに、固体高分子電解質膜中で白金イオンが析出することによる固体高分子電解質膜の性能低下を防止することができる。 The reinforcing material desirably has a function of reducing and precipitating platinum ions. Thereby, platinum ions eluted from the electrode catalyst layer during the operation of the fuel cell can be deposited and reused as a catalyst for promoting the electrode reaction, and the platinum ions are precipitated in the solid polymer electrolyte membrane. It is possible to prevent the performance degradation of the solid polymer electrolyte membrane.
また、還元・析出させる対象は、白金イオンに特に制限されず、電極反応を促進させるものとして電極触媒層に用いられる触媒粒子から溶出し得るイオンであればよい。例えば、水素の酸化反応または酸素の還元反応を促進させる触媒粒子として上記で列挙したもののイオンなどが挙げられる。 Moreover, the object to be reduced / deposited is not particularly limited to platinum ions, and may be any ion that can be eluted from the catalyst particles used in the electrode catalyst layer to promote the electrode reaction. Examples of the catalyst particles that promote the hydrogen oxidation reaction or the oxygen reduction reaction include the ions listed above.
白金イオンを還元して析出させる機能を有する補強材として、具体的には、還元性の表面官能基を有する補強材が好ましく挙げられる。還元性の表面官能基により、電極触媒から溶出した白金イオンなどの触媒粒子成分を還元して前記補強材表面に析出させることができる。 Specific examples of the reinforcing material having a function of reducing and precipitating platinum ions include a reinforcing material having a reducing surface functional group. With the reducing surface functional group, catalyst particle components such as platinum ions eluted from the electrode catalyst can be reduced and deposited on the surface of the reinforcing material.
前記表面官能基としては、還元性を有しており、溶出した触媒粒子成分を還元析出することが可能であれば特に限定されない。例えば、カルボキシル基(−COOH)、フェノール基(−OH)、ケトン基(>C=O)等が挙げられる。かような表面官能基は、触媒粒子成分の捕捉能および還元能が高いため、還元析出した触媒粒子を微粒子状態で補強材表面に固定することができる。なかでも、カルボキシル基は、末端に容易に解離する水素イオン(H+)が存在し、触媒粒子成分の還元性能が高いため、好ましく用いられる。 The surface functional group is not particularly limited as long as it has reducibility and is capable of reducing and depositing the eluted catalyst particle component. Examples thereof include a carboxyl group (—COOH), a phenol group (—OH), and a ketone group (> C═O). Since such a surface functional group has a high capturing ability and reducing ability of the catalyst particle component, the reduced and precipitated catalyst particles can be fixed to the reinforcing material surface in a fine particle state. Among these, a carboxyl group is preferably used because a hydrogen ion (H + ) that easily dissociates exists at the terminal and the reduction performance of the catalyst particle component is high.
前記補強材が有する表面官能基の量としては、得られる固体高分子電解質膜が所望する特性を示すように適宜決定すればよいが、100〜2000μmol/g、300〜1000μmol/g程度とするのが好ましい。表面官能基の量が100μmol/g未満であると期待するほどの効果が得られない恐れがあり、2000μmol/gを超えると補強材と水との親和性が大きく変わってしまう恐れがある。本発明において、補強材が有する表面官能基を定量分析するには、昇温脱離スペクトル装置(TPD)や酸・塩基滴定を用いる。 The amount of the surface functional group that the reinforcing material has may be appropriately determined so that the obtained solid polymer electrolyte membrane exhibits desired characteristics, but is about 100 to 2000 μmol / g, 300 to 1000 μmol / g. Is preferred. The effect as expected when the amount of the surface functional group is less than 100 μmol / g may not be obtained, and if it exceeds 2000 μmol / g, the affinity between the reinforcing material and water may be greatly changed. In the present invention, a temperature-programmed desorption spectrometer (TPD) or acid / base titration is used for quantitative analysis of the surface functional groups of the reinforcing material.
白金イオンを還元して析出させる機能を有する補強材として、上述したものの他にも、白金イオンを還元して析出させる機能を有するトラップ材が担持されてなる補強材が好ましく挙げられる。これによっても、溶出した白金イオンを還元してトラップ材表面に白金粒子を析出させることができ、補強材に白金イオンを還元して析出させる機能を付与することができる。 As the reinforcing material having a function of reducing and precipitating platinum ions, a reinforcing material in which a trap material having a function of reducing and precipitating platinum ions is supported in addition to those described above. Also by this, the eluted platinum ions can be reduced to deposit platinum particles on the surface of the trap material, and the function of reducing and precipitating platinum ions can be imparted to the reinforcing material.
前記トラップ材としては、還元性化合物および/または水素吸蔵材料などが好ましく挙げられる。 Preferred examples of the trap material include reducing compounds and / or hydrogen storage materials.
還元性化合物としては、還元性を有しており、溶出した白金イオンなどを還元析出することが可能であれば特に限定されないが、例えば、次亜リン酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、シュウ酸などが挙げられる。これらは一種単独で用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。前記還元性化合物は、白金イオンの還元析出が容易に起こり易いため、触媒粒子成分の捕集効率が高く、還元析出した触媒粒子を微粒子状態で担体表面に固定することができる。 The reducing compound is not particularly limited as long as it has reducibility and is capable of reducing and depositing eluted platinum ions and the like. For example, sodium hypophosphite, sodium sulfite, sodium thiosulfate, An acid etc. are mentioned. These may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types. Since the reductive compound easily causes reductive precipitation of platinum ions, the collection efficiency of the catalyst particle component is high, and the reductively precipitated catalyst particles can be fixed on the support surface in a fine particle state.
次に、水素吸蔵材料によっても、補強材に白金イオンを析出させる機能を付与することができる。このように水素吸蔵性を有する材料を補強材に担持させれば、チューブ状の導電性ナノ繊維を用いた場合と同様の効果が得られる。すなわち、外部から供給された水素ガスを水素吸蔵材料に吸蔵することができ、電極触媒層から溶出した白金イオンなどを導電性ナノ繊維表面に還元析出させるだけでなく、クロスオーバーガスによる固体高分子の劣化を抑制することも可能となる。また、チューブ状の導電性ナノ繊維に前記水素吸蔵材料を担持させた場合には、上記効果をさらに高めることができる。 Next, the function of precipitating platinum ions on the reinforcing material can also be imparted by the hydrogen storage material. Thus, if the material having hydrogen storage properties is supported on the reinforcing material, the same effect as that obtained when the tube-shaped conductive nanofiber is used can be obtained. That is, hydrogen gas supplied from the outside can be stored in the hydrogen storage material, and not only reducing and depositing platinum ions eluted from the electrode catalyst layer on the surface of the conductive nanofibers, but also solid polymer by crossover gas. It is also possible to suppress the deterioration of the. Moreover, when the said hydrogen storage material is carry | supported by the tube-shaped electroconductive nanofiber, the said effect can be heightened further.
水素吸蔵材料として、具体的には、Ti−Ni系合金、LaNi5に代表されるLaまたはMm(ミッシュメタル:希土類元素の混合物)−Ni系合金などのAB5型合金;Ti−Mn系、Ti−Cr系、Zr−Mn系のAB2型合金などの水素吸蔵合金が挙げられる。かような材料は、水素吸蔵性を有するだけでなく、電子伝導性も有するため好ましく用いられる。 Specific examples of the hydrogen storage material include Ti-Ni alloys, AB 5 type alloys such as La or Mm (Misch metal: a mixture of rare earth elements) represented by LaNi 5 and Ni alloys, Ti-Mn alloys, Examples include hydrogen storage alloys such as Ti-Cr-based and Zr-Mn-based AB type 2 alloys. Such a material is preferably used because it has not only hydrogen storage properties but also electron conductivity.
前記トラップ材の形状は、粒子状、楕円状、立方体状などのいずれの形状を有していていてもよいが、補強材への担持のし易さ、扱い易さなどを考慮すると粒子状を有しているのが好ましい。この場合、前記トラップ材は、特に制限されないが、平均粒子径が好ましくは100nm以下、より好ましくは5〜50nm程度のものを用いるのがよい。 The shape of the trap material may have any shape such as a particle shape, an elliptical shape, a cubic shape, etc., but considering the ease of carrying on the reinforcing material and the ease of handling, the shape of the trap material is It is preferable to have it. In this case, the trap material is not particularly limited, but those having an average particle diameter of preferably 100 nm or less, more preferably about 5 to 50 nm may be used.
また、前記トラップ材の担持量は、固体高分子電解質膜が所望する特性を示すように適宜決定すればよいが、導電性ナノ繊維の全量に対して、5〜30質量%、好ましくは10〜20質量%程度とするのが好ましい。還元性化合物の量が5質量t%を未満であると期待するほどの効果が得られない恐れがあり、30質量%を超えると電極反応を阻害する恐れがある。導電性ナノ繊維表面に導入された還元性化合物を定量分析するには、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)を用いて行うことができる。 The amount of the trap material supported may be determined as appropriate so that the solid polymer electrolyte membrane exhibits the desired characteristics, but it is 5 to 30% by mass, preferably 10 to 10%, based on the total amount of the conductive nanofibers. It is preferably about 20% by mass. If the amount of the reducing compound is less than 5% by mass, the effect as expected can be not obtained, and if it exceeds 30% by mass, the electrode reaction may be inhibited. In order to quantitatively analyze the reducing compound introduced on the surface of the conductive nanofiber, inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) can be used.
次に、本発明に用いられる固体高分子電解質膜の材質は、特に制限されず、従来公知のものであれば特に制限なく用いることができる。具体的には、ポリマー骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質、または、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質、などが挙げられる。 Next, the material of the solid polymer electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited, and any conventionally known material can be used without particular limitation. Specifically, the polymer skeleton is a fluorinated polymer in which all or a part of the polymer skeleton is fluorinated and has an ion exchange group, or a polymer polymer skeleton that does not contain fluorine. And solid polymer electrolytes having ion exchange groups.
前記イオン交換基としては、特に制限されないが、−SO3H、−COOH、−PO(OH)2、−POH(OH)、−SO2NHSO2−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等の陽イオン交換基、−NH2、−NHR、−NRR’、−NRR’R’’+、−NH3 +等(R、R’、R’’は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表す)等の陰イオン交換基などが挙げられる。 Examples of the ion-exchange group is not particularly limited, -SO 3 H, -COOH, -PO (OH) 2, -POH (OH), - SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH) (Ph represents a phenyl group A cation exchange group such as —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ + , —NH 3 + and the like (R, R ′, R ″ represent an alkyl group, cycloalkyl Anion exchange groups such as a group, an aryl group, and the like.
前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン‐テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of solid polymer electrolytes that are fluorine-based polymers and have ion exchange groups include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Flemion (registered trademark). Perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Asahi Glass Co., Ltd., polytrifluorostyrene sulfonic acid polymers, perfluorocarbon phosphonic acid polymers, trifluorostyrene sulfonic acid polymers, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymers Suitable examples include polymers, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers, polytetrafluoroethylene-g-polystyrene sulfonic acid polymers, and polyvinylidene fluoride-g-polystyrene sulfonic acid polymers.
前記炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質として、具体的には、ポリサルホンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸系ポリマー、架橋ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルサルホンスルホン酸系ポリマー等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the solid polymer electrolyte having the ion exchange group as the hydrocarbon polymer include polysulfone sulfonic acid polymer, polyether ether ketone sulfonic acid polymer, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid polymer, Preferred examples include benzimidazole alkylphosphonic acid polymers, cross-linked polystyrene sulfonic acid polymers, polyethersulfone sulfonic acid polymers, and the like.
固体高分子電解質膜の材質は、高いイオン交換能を有し、化学的耐久性・力学的耐久性、などに優れることから、前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質を用いるのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)がより好ましい。 The material of the solid polymer electrolyte membrane has a high ion exchange ability, and is excellent in chemical durability and mechanical durability. Therefore, the solid polymer electrolyte having the ion exchange group is the above-mentioned fluorine-based polymer. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) are more preferable.
固体高分子電解質膜の厚さは、得られる固体高分子電解質膜のプロトン伝導性、機械的強度などを考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmとするのがよい。製膜時の強度や耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、プロトン伝導性の観点から300μm以下であることが好ましい。 The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of proton conductivity, mechanical strength, etc. of the obtained solid polymer electrolyte membrane, preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, Especially preferably, it is good to set it as 15-150 micrometers. From the viewpoint of strength and durability during film formation, the thickness is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of proton conductivity, it is preferably 300 μm or less.
以下に、本発明の固体高分子電解質膜の片面に導電性ナノ繊維を含む補強材を配置する方法を説明する。なお、下記方法は本発明の好ましい一実施形態を示すものであり、固体高分子電解質膜の片面に補強材を配置する方法が下記方法に限定されるわけではない。 Below, the method to arrange | position the reinforcing material containing electroconductive nanofiber on the single side | surface of the solid polymer electrolyte membrane of this invention is demonstrated. In addition, the following method shows one preferable embodiment of the present invention, and the method of disposing a reinforcing material on one side of the solid polymer electrolyte membrane is not limited to the following method.
固体高分子電解質膜の片面に補強材を配置するには、スクリーンプリント法、ドクターブレード法、ダイコーター法、スプレー法などを用いることもできる。なかでも、簡易な方法で所望のパターンに配置できることからスクリーンプリント法、スプレー法が好ましく用いられる。 In order to arrange the reinforcing material on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, a screen printing method, a doctor blade method, a die coater method, a spray method, or the like can also be used. Among these, the screen printing method and the spray method are preferably used because they can be arranged in a desired pattern by a simple method.
スクリーンプリント法とは、印刷する基材の上に、開口部の有無でパターンが形成されたスクリーンを置き、その開口部を利用して、開口部だけにスキージなどを用いてペーストを付着させる印刷方法をいう。 Screen printing is a printing method in which a screen on which a pattern is formed with or without openings is placed on the substrate to be printed, and paste is attached to the openings using a squeegee only. Say the method.
本発明では、前記ペーストとして少なくとも導電性ナノ繊維を含むものを用いる。前記ペーストに用いられる溶媒としては、水、低級アルコール、グリコール類などの一般的なものであれば特に制限なく用いられる。前記ペーストにおける導電性ナノ繊維の含有量は、ペーストの全質量に対して、5〜50質量%程度とすればよい。 In the present invention, a paste containing at least conductive nanofibers is used as the paste. The solvent used in the paste is not particularly limited as long as it is a common solvent such as water, lower alcohol, glycols and the like. What is necessary is just to make content of the electroconductive nanofiber in the said paste into about 5-50 mass% with respect to the total mass of a paste.
前記ペーストを塗布する際に用いられるスクリーンは、図2〜4などに示されるように固体高分子電解質膜の所望する位置に導電性ナノ繊維が配置されるように、公知の方法により開口部が形成されたものを用いればよい。前記スクリーンに用いられる材質としては、特に制限されないが、ポリエチレンなどを用いればよい。 As shown in FIGS. 2 to 4 and the like, the screen used when applying the paste has an opening by a known method so that the conductive nanofibers are disposed at a desired position of the solid polymer electrolyte membrane. What is formed may be used. The material used for the screen is not particularly limited, but polyethylene or the like may be used.
ペーストを塗布する基材としては、特に制限されないが、PETフィルム、PTFEフィルムなどを用いればよい。また、前記基材は、固体高分子電解質膜や電極触媒層に用いられる固体高分子電解質であるパーフルオロ系高分子、ハイドロカーボン系高分子などを粘着剤として予めコーティングされたものを用いてもよい。これにより、塗布性が向上する。 The substrate on which the paste is applied is not particularly limited, but a PET film, a PTFE film, or the like may be used. In addition, the base material may be pre-coated with a perfluoro polymer, a hydrocarbon polymer, or the like, which is a solid polymer electrolyte used for a solid polymer electrolyte membrane or an electrode catalyst layer, as an adhesive. Good. Thereby, applicability | paintability improves.
塗布した前記スラリーの乾燥は、特に制限されないが、大気雰囲気下または不活性雰囲気下、20〜80℃で1〜10時間程度行えばよい。これにより、基材上に所定のパターンで導電性ナノ繊維からなる補強材を配置することが可能となる。 The drying of the applied slurry is not particularly limited, and may be performed at 20 to 80 ° C. for about 1 to 10 hours in an air atmosphere or an inert atmosphere. Thereby, it becomes possible to arrange the reinforcing material made of conductive nanofibers in a predetermined pattern on the substrate.
次に、補強材が配置された前記基材を、固体高分子電解質膜に積層させた後にホットプレスなどすることにより補強材を固体高分子電解質膜上に転写し、前記基材のみを剥がす。これにより、片面に導電性ナノ繊維を含む補強材が配置された固体高分子電解質膜が得られる。前記ホットプレスは、特に制限されないが、好ましくは110〜170℃で、1〜5MPaのプレス圧力で、3〜10分、行うのがよい。 Next, after the base material on which the reinforcing material is disposed is laminated on the solid polymer electrolyte membrane, the reinforcing material is transferred onto the solid polymer electrolyte membrane by hot pressing or the like, and only the base material is peeled off. Thereby, a solid polymer electrolyte membrane in which a reinforcing material containing conductive nanofibers is arranged on one side is obtained. The hot pressing is not particularly limited, but is preferably performed at 110 to 170 ° C. and a pressing pressure of 1 to 5 MPa for 3 to 10 minutes.
また、上述の通りにして固体高分子電解質膜の補強材が配置された面に、固体高分子電解質溶液を塗布および乾燥させることにより、前記補強材表面を固体高分子電解質で被覆することができる。前記固体高分子電解質溶液は、水、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコールなどの溶媒に固体高分子電解質を分散させるなどすることにより調製できる。前記固体高分子電解質溶液を塗布する方法としては、フローコーティング法、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法などを用いて行えばよい。塗布した前記固体高分子電解質溶液を乾燥させるには、特に制限されず、公知の方法を用いて行えばよい。 Further, the surface of the reinforcing material can be coated with the solid polymer electrolyte by applying and drying the solid polymer electrolyte solution on the surface where the reinforcing material of the solid polymer electrolyte membrane is disposed as described above. . The solid polymer electrolyte solution can be prepared by dispersing the solid polymer electrolyte in a solvent such as water, ethanol, methanol, or isopropyl alcohol. As a method for applying the solid polymer electrolyte solution, a flow coating method, a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, or the like may be used. The method for drying the applied solid polymer electrolyte solution is not particularly limited, and may be performed using a known method.
また、スクリーンプリントする際に用いるペーストに、導電性ナノ繊維および溶媒の他に、固体高分子電解質を混合することにより、基材上に固体高分子電解質で被覆された導電性ナノ繊維を所望のパターンで配置することが可能となる。この時、前記ペーストの塗布および乾燥方法は上記と同様である。前記ペーストにおける固体高分子電解質の含有量は、ペーストの全重量に対して、5〜30質量%程度とすればよい。 In addition, the conductive nanofibers coated with the solid polymer electrolyte on the base material can be obtained by mixing the solid polymer electrolyte in addition to the conductive nanofibers and the solvent into the paste used for screen printing. It becomes possible to arrange in a pattern. At this time, the method of applying and drying the paste is the same as described above. The content of the solid polymer electrolyte in the paste may be about 5 to 30% by mass with respect to the total weight of the paste.
また、前記ペーストは、スクリーンプリント法により固体高分子電解質膜に直接塗布することも可能である。これにより転写工程などを省略することができる。 Further, the paste can be directly applied to the solid polymer electrolyte membrane by a screen printing method. Thereby, a transfer process etc. can be omitted.
固体高分子電解質膜の片面に補強材を配置するには、上記方法の他、導電性ナノ繊維を予めシート状に成形したものを固体高分子電解質膜の片面に配置する方法なども用いられる。その後に、固体高分子電解質溶液を、前記固体高分子電解質膜の前記前記導電性ナノ繊維からなる補強材が配置された面に塗布および乾燥させることにより、前記補強材を固体高分子電解質で被覆することができる。 In order to dispose the reinforcing material on one side of the solid polymer electrolyte membrane, in addition to the above method, a method in which conductive nanofibers are formed in a sheet shape in advance is disposed on one side of the solid polymer electrolyte membrane. Thereafter, the solid polymer electrolyte solution is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane on which the reinforcing material composed of the conductive nanofibers is disposed and dried, thereby covering the reinforcing material with the solid polymer electrolyte. can do.
本発明において、補強材は還元性の表面官能基を有するのが望ましい。従って、予め還元性表面官能基を有する導電性ナノ繊維を補強材として用いるのが好ましい。前記還元性表面官能基を有する導電性ナノ繊維の作製方法としては、特に限定されず、導電性ナノ繊維表面を酸化処理する公知の各種技術を用いればよい。酸化処理は、例えば、過マンガン酸カリウム、硝酸、塩素酸塩、過硫酸塩、過硼酸塩、過炭酸塩、過酸化水素などを含む強酸化性水溶液による液相法;オゾン、窒素酸化物、空気、酸素などによる気相法;低温プラズマによる方法などが挙げられる。なかでも、導電性ナノ繊維表面を均一に酸化し、かつ、表面官能基として好適に用いられるカルボキシル基を多く導入できることから、液相法による酸化処理を用いることが好ましい。 In the present invention, the reinforcing material preferably has a reducing surface functional group. Therefore, it is preferable to use conductive nanofibers having a reducing surface functional group in advance as a reinforcing material. A method for producing the conductive nanofiber having the reducing surface functional group is not particularly limited, and various known techniques for oxidizing the surface of the conductive nanofiber may be used. For example, the oxidation treatment is a liquid phase method using a strong oxidizing aqueous solution containing potassium permanganate, nitric acid, chlorate, persulfate, perborate, percarbonate, hydrogen peroxide, etc .; ozone, nitrogen oxide, Examples include a gas phase method using air, oxygen, etc .; a method using low temperature plasma. Among these, it is preferable to use an oxidation treatment by a liquid phase method because the surface of the conductive nanofibers can be uniformly oxidized and many carboxyl groups that are suitably used as surface functional groups can be introduced.
液相法による酸化処理として、具体的には、前記強酸化性水溶液にカーボンナノチューブなどの導電性ナノ繊維を入れて攪拌混合することにより行われる。前記強酸化性水溶液に前記導電性ナノ繊維を添加した後は、ホモジナイザー、超音波分散装置等の適当な分散手段により溶液中に導電性ナノ繊維を十分に分散させてもよく、これらの分散手段は適宜組み合わせてもよい。 Specifically, the oxidation treatment by the liquid phase method is performed by putting conductive nanofibers such as carbon nanotubes in the strong oxidizing aqueous solution and stirring and mixing them. After adding the conductive nanofibers to the strong oxidizing aqueous solution, the conductive nanofibers may be sufficiently dispersed in the solution by an appropriate dispersing means such as a homogenizer or an ultrasonic dispersing device. May be combined as appropriate.
次に、前記強酸化性水溶液により表面が酸化処理された前記導電性ナノ繊維を、吸引瀘過などの瀘別手段など公知の手段を用いて、濾取し、乾燥することにより、前記還元性表面官能基を有する導電性ナノ繊維を得ることができる。乾燥方法としては、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。乾燥時間などは、使用する方法に応じて適宜決定すればよい。 Next, the conductive nanofibers, the surface of which is oxidized with the strong oxidizing aqueous solution, are collected by filtration using a known means such as a separating means such as suction filtration, and dried, thereby reducing the reducing property. Conductive nanofibers having surface functional groups can be obtained. The drying method is not particularly limited as long as a known method such as vacuum drying, natural drying, rotary evaporator, and drying by a blower dryer is used. What is necessary is just to determine drying time etc. suitably according to the method to be used.
また、本発明においては、補強材に、水素の酸化反応または酸素の還元反応を促進させる触媒粒子、もしくは、還元性化合物または水素吸蔵材料などのトラップ材が担持されているのが望ましい。従って、前記触媒粒子または前記トラップ材などが予め担持された導電性ナノ繊維を補強材に用いるのがよい。 In the present invention, it is desirable that the reinforcing material carry catalyst particles for promoting the oxidation reaction of hydrogen or the reduction reaction of oxygen, or a trap material such as a reducing compound or a hydrogen storage material. Therefore, it is preferable to use conductive nanofibers on which the catalyst particles or the trap material is previously supported as a reinforcing material.
まず、前記触媒粒子を導電性ナノ繊維に担持させるには、特に制限されないが、触媒化合物溶液に、導電性ナノ繊維を浸漬させた後、還元剤などを添加する方法が挙げられる。かような方法によれば、導電性ナノ繊維に触媒粒子を高分散担持することができ、触媒粒子の凝集を抑制することができる。 First, the method for supporting the catalyst particles on conductive nanofibers is not particularly limited, but a method of adding a reducing agent or the like after immersing the conductive nanofibers in a catalyst compound solution can be mentioned. According to such a method, catalyst particles can be highly dispersed and supported on the conductive nanofibers, and aggregation of the catalyst particles can be suppressed.
前記触媒化合物溶液とは、触媒粒子を構成する元素を含む化合物(単に「触媒化合物」ともいう)を含む溶液のことである。具体的には、触媒粒子としてPtを用いる場合には、例えば、塩化白金酸、塩化アンミン白金、ジニトロジアンミン白金などの触媒化合物を含有する溶液を用いることができる。白金合金とするには、前記溶液に白金の他に所望する触媒粒子の硝酸塩、塩化物、硫酸塩などの化合物を分散させればよい。また、触媒化合物を添加する溶媒としては、水、および/または、エタノール、メタノールなどのアルコール類などを用いることができる。また、触媒化合物溶液における触媒粒子濃度などは、所望する触媒粒子担持量が得られるように適宜決定すればよい。 The catalyst compound solution is a solution containing a compound containing elements constituting the catalyst particles (also simply referred to as “catalyst compound”). Specifically, when Pt is used as the catalyst particles, for example, a solution containing a catalyst compound such as chloroplatinic acid, chloroplatinum chloride, or dinitrodiammineplatinum can be used. In order to obtain a platinum alloy, other than platinum, a desired catalyst particle compound such as nitrate, chloride or sulfate may be dispersed in the solution. As the solvent to which the catalyst compound is added, water and / or alcohols such as ethanol and methanol can be used. Moreover, what is necessary is just to determine suitably the catalyst particle density | concentration in a catalyst compound solution, etc. so that the desired catalyst particle load may be obtained.
還元剤としては、触媒化合物を還元できるものであれば特に限定されず、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジン、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、水素、エチレン、一酸化炭素などを用いることができる。前記還元剤を添加することにより、導電性繊維上に触媒化合物を触媒粒子として担持させることができる。上述の触媒化合物溶液に導電性繊維を浸漬させた後、前記還元剤を適量加え、還流反応装置などを用いて60〜100℃に加熱し、その後、室温まで放冷することにより触媒粒子の還元担持を行う。 The reducing agent is not particularly limited as long as it can reduce the catalyst compound. Sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, L-ascorbic acid, sodium borohydride, hydrazine, formaldehyde, methanol, ethanol, hydrogen, Ethylene, carbon monoxide and the like can be used. By adding the reducing agent, the catalyst compound can be supported as catalyst particles on the conductive fiber. After immersing the conductive fiber in the catalyst compound solution described above, an appropriate amount of the reducing agent is added, heated to 60 to 100 ° C. using a reflux reactor or the like, and then allowed to cool to room temperature to reduce the catalyst particles. Carrying on.
上述の通りにして、導電性ナノ繊維上に担持された触媒粒子を合金化させる場合には、さらに焼成を行うのが好ましい。また、焼成前に必要に応じて乾燥を行ってもよい。 As described above, when alloying the catalyst particles supported on the conductive nanofibers, it is preferable to perform further firing. Moreover, you may dry as needed before baking.
触媒粒子の還元担持後の導電性ナノ繊維の乾燥方法としては、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。乾燥時間などは、使用する方法に応じて適宜決定すればよい。 The method for drying the conductive nanofibers after the catalyst particles are reduced and supported is not particularly limited as long as a publicly known method such as vacuum drying, natural drying, rotary evaporator, and drying with a blow dryer is used. What is necessary is just to determine drying time etc. suitably according to the method to be used.
また、合金化させる場合などの焼成方法としては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性雰囲気中、または、水素などの還元雰囲気中で、焼成温度300〜1000℃、好ましくは300〜700℃の範囲で、1〜6時間程度、行えばよい。 Further, as a firing method in the case of alloying, the firing temperature is 300 to 1000 ° C., preferably 300 to 700 ° C. in an inert atmosphere such as nitrogen, helium, or argon, or in a reducing atmosphere such as hydrogen. Then, it may be performed for about 1 to 6 hours.
導電性ナノ繊維に触媒粒子を担持させる方法として、還元剤を用いる上述した方法の他、含浸法、共沈法、競争吸着法、マイクロエマルジョン(逆ミセル法)などの方法を適用することができる。触媒粒子を高分散させて導電性ナノ繊維に強固に担持させることができる観点からは、還元剤を用いる方法、マイクロエマルジョン(逆ミセル法)などが好ましく用いられる。また、スパッタ、蒸着などのPVD法を用いて触媒粒子を担持させてもよい。 In addition to the above-described method using a reducing agent, methods such as an impregnation method, a coprecipitation method, a competitive adsorption method, and a microemulsion (reverse micelle method) can be applied as a method for supporting catalyst particles on conductive nanofibers. . From the viewpoint that the catalyst particles can be highly dispersed and firmly supported on the conductive nanofibers, a method using a reducing agent, a microemulsion (reverse micelle method) and the like are preferably used. Moreover, you may carry | support catalyst particles using PVD methods, such as sputtering and vapor deposition.
次に、前記トラップ材を導電性ナノ繊維表面に担持させる方法は、特に限定されないが、例えば、前記トラップ材を含む溶液に導電性ナノ繊維を添加して攪拌混合することにより、導電性ナノ繊維表面に前記溶液を含浸させる方法などが挙げられる。 Next, a method for supporting the trap material on the surface of the conductive nanofiber is not particularly limited. For example, the conductive nanofiber is added to the solution containing the trap material and mixed by stirring. Examples include a method of impregnating the surface with the solution.
前記トラップ材を含む溶液として、具体的には、前記トラップ材を、水、アルコール、またはこれらの混合物に溶解または分散させたものなどが挙げられる。 Specific examples of the solution containing the trap material include a solution obtained by dissolving or dispersing the trap material in water, alcohol, or a mixture thereof.
前記トラップ材を含む溶液に導電性ナノ繊維を添加した後は、ホモジナイザー、超音波分散装置等の適当な分散手段により溶液中に導電性ナノ繊維を十分に分散させてもよく、これらの分散手段は適宜組み合わせてもよい。その後、前記溶液を含浸された導電性ナノ繊維を、吸引瀘過などの瀘別手段などの公知の手段を用いて、濾取し、乾燥することにより、前記トラップ材を担持させた導電性ナノ繊維を得ることができる。乾燥方法としては、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。乾燥時間などは、使用する方法に応じて適宜決定すればよい。 After adding the conductive nanofibers to the solution containing the trapping material, the conductive nanofibers may be sufficiently dispersed in the solution by a suitable dispersing means such as a homogenizer or an ultrasonic dispersing device. May be combined as appropriate. Thereafter, the conductive nanofibers impregnated with the solution are collected by filtration using a known means such as a separating means such as suction filtration, and dried to dry the conductive nanofibers carrying the trap material. Fiber can be obtained. The drying method is not particularly limited as long as a known method such as vacuum drying, natural drying, rotary evaporator, and drying by a blower dryer is used. What is necessary is just to determine drying time etc. suitably according to the method to be used.
本発明の第二は、上述した本発明の第一の固体高分子電解質膜を用いた燃料電池用MEA(以下、単に「MEA」とも記載する)である。 A second aspect of the present invention is a fuel cell MEA (hereinafter also simply referred to as “MEA”) using the above-described first solid polymer electrolyte membrane of the present invention.
本発明の第一の固体高分子電解質膜は、少なくとも片面に導電性ナノ繊維を含む補強材が配置されることにより、プロトン伝導性を確保しつつ優れた機械的強度を有する。さらに、好ましくは前記導電性ナノ繊維に触媒粒子、トラップ材などを担持することにより、電極触媒層内の固体高分子へのラジカルアタック、触媒金属の溶出などの劣化を防止することが可能となる。従って、前記固体高分子電解質膜によれば長期に亘って高い発電性能を発揮することができ、耐久性および発電性能に優れるMEAを提供することが可能となる。 The first solid polymer electrolyte membrane of the present invention has excellent mechanical strength while ensuring proton conductivity by arranging a reinforcing material containing conductive nanofibers on at least one side. Furthermore, it is possible to prevent deterioration such as radical attack on the solid polymer in the electrode catalyst layer and elution of the catalyst metal, preferably by supporting the conductive nanofibers with catalyst particles, trapping material and the like. . Therefore, according to the solid polymer electrolyte membrane, high power generation performance can be exhibited over a long period of time, and an MEA excellent in durability and power generation performance can be provided.
MEAの構成としては、固体高分子電解質膜の両側に、燃料極側電極触媒層および燃料極側ガス拡散層を有する燃料極側ガス拡散電極と、空気極側電極触媒層および空気極側ガス拡散層を有する空気極側ガス拡散電極とが、それぞれ対向して配置された構成など、従来公知のものであれば特に制限されない。 The structure of the MEA includes a fuel electrode side gas diffusion electrode having a fuel electrode side electrode catalyst layer and a fuel electrode side gas diffusion layer on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and an air electrode side electrode catalyst layer and an air electrode side gas diffusion. If it is a conventionally well-known thing, such as the structure by which the air electrode side gas diffusion electrode which has a layer is respectively arrange | positioned facing, it will not restrict | limit.
本発明のMEAは、固体高分子電解質膜として、本発明の第一の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とするものである。従って、MEAは、本発明の第一の固体高分子電解質膜を用いる以外は、特に限定されることはなく従来公知の各種技術を適宜参照すればよく、燃料極および空気極における電極触媒層およびガス拡散層に関する詳細な説明はここでは省略する。 The MEA of the present invention is characterized in that the first solid polymer electrolyte membrane of the present invention is used as the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, the MEA is not particularly limited except that the first solid polymer electrolyte membrane of the present invention is used, and various known techniques may be referred to as appropriate. The electrode catalyst layers in the fuel electrode and the air electrode and A detailed description of the gas diffusion layer is omitted here.
本発明の第三は、上述した本発明の第二のMEAを用いた燃料電池である。上述した本発明のMEAによれば、優れた発電性能を長期に亘って発揮することができる燃料電池を提供することが可能となる。これにより、移動体用電源、定置用電源として信頼性の高い燃料電池が得られる。なかでも、固体高分子電解質膜が機械的強度に優れることから、本発明による燃料電池は、自動車などの車両等の移動体用電源として用いるのが好ましい。 A third aspect of the present invention is a fuel cell using the above-described second MEA of the present invention. According to the above-described MEA of the present invention, it is possible to provide a fuel cell that can exhibit excellent power generation performance over a long period of time. Thereby, a highly reliable fuel cell can be obtained as a power source for moving bodies and a stationary power source. Among these, since the solid polymer electrolyte membrane is excellent in mechanical strength, the fuel cell according to the present invention is preferably used as a power source for moving bodies such as vehicles such as automobiles.
燃料電池の構造は、特に限定されず、MEAをセパレータなどで挟持した構造などが挙げられる。 The structure of the fuel cell is not particularly limited, and examples thereof include a structure in which MEA is sandwiched between separators.
セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、従来一般的なものであれば特に制限なく用いることができる。前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものを特に制限なく用いることができる。また、空気と燃料ガスの流路を確保するためにガス流通溝が形成されてもよく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータの形状は、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。 The separator has a function of separating air and fuel gas, and any conventional separator can be used without particular limitation. As the separator, conventionally known separators such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate and those made of metal such as stainless steel can be used without particular limitation. Moreover, in order to ensure the flow path of air and fuel gas, a gas distribution groove | channel may be formed and a conventionally well-known technique can be utilized suitably. The shape of the separator is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.
(実施例1)
(1)カーボンナノ繊維の配置
カーボンナノ繊維(昭和電工製、VGCF、直径100nm、長さ10μm)を、精製水に添加し、前記カーボンナノ繊維を10質量%含む混合液を得た。Nafion(登録商標)/n−プロピルアルコール溶液(デュポン社製、Nafion5wt%含有)をスプレーコーティングしたPETフィルム(厚さ0.1mm)からなる基材上に、前記混合液を、所定のパターンで開口部が形成されたスクリーンを用いたスクリーンプリントにより塗布し、30℃で、2時間乾燥させた。これにより、図2に示すように、前記カーボンナノ繊維を前記基材上に50μmの間隔で平行に貼り付けた。
Example 1
(1) Arrangement of carbon nanofibers Carbon nanofibers (manufactured by Showa Denko, VGCF,
次に、前記補強材が貼り付けられた基材を二枚用いて、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)111、大きさ80mm×80mm、厚さ25μm)の両面に配置した後、2.0MPaの圧力で、130℃、5分間ホットプレスした後に前記基材のみを剥がすことにより、両面に前記補強材が配置された固体高分子電解質膜を得た。この時、図5(c)に示すように固体高分子電解質膜の両面で、カーボンナノ繊維を含む補強材のパターンの向きが逆になるようにし、固体高分子電解質膜の片面におけるカーボンナノ繊維量は0.2mg/mm2であった。 Next, after using two sheets of the base material on which the reinforcing material is pasted, disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 111, size 80 mm × 80 mm, thickness 25 μm), 2 After hot pressing at 130 ° C. for 5 minutes at a pressure of 0.0 MPa, only the substrate was peeled off to obtain a solid polymer electrolyte membrane in which the reinforcing material was disposed on both sides. At this time, as shown in FIG. 5C, the direction of the pattern of the reinforcing material including the carbon nanofibers is reversed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the carbon nanofibers on one surface of the solid polymer electrolyte membrane are formed. The amount was 0.2 mg / mm 2 .
(2)電極触媒層の作製
白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E、白金含量46.5wt%)と、Nafion(登録商標)/n−プロピルアルコール溶液(デュポン社製、Nafion5wt%含有)と、純水と、イソプロピルアルコールと、を質量比で1:0.5:2.5:1として、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にてホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、触媒インクを調製した。次に、前記触媒層インクを、テフロンシート上にスクリーンプリンターを用いて塗布し、大気中で30℃で2時間乾燥させることにより、テフロンシート上に電極触媒層(面積1cm2あたりの白金重量0.40mg)を作製した。
(2) Preparation of electrode catalyst layer Platinum-supported carbon (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum content 46.5 wt%), Nafion (registered trademark) / n-propyl alcohol solution (DuPont, Nafion 5 wt% contained) Pure water and isopropyl alcohol were mixed at a mass ratio of 1: 0.5: 2.5: 1 and mixed and dispersed in a glass container in a water bath set at 25 ° C. for 3 hours using a homogenizer. Thus, a catalyst ink was prepared. Next, the catalyst layer ink was applied on a Teflon sheet using a screen printer and dried in the atmosphere at 30 ° C. for 2 hours, whereby an electrode catalyst layer (platinum weight 0 per 1 cm 2 of area 0 cm 2 was formed on the Teflon sheet. 40 mg).
(3)ガス拡散層の作製
カーボンペーパ(東レ株式会社製 カーボンペーパTGP−H−060、厚さ190μm)を50mm角に打ち抜いた基材を準備した。この基材を、PTFEのフッ素系水性ディスパージョン溶液(ダイキン工業社製 ポリフロンD−1E、PTFE60wt%含有)を純水で所定の濃度に調整した溶液中に5分浸漬させた後、オーブン内にて60℃、30分間乾燥させることにより、前記基材中にPTFEを分散させた。このとき、PTFE含有量は25wt%であった。これにより、撥水処理された基材を得た。
(3) Production of Gas Diffusion Layer A substrate was prepared by punching carbon paper (Carbon Paper TGP-H-060, thickness 190 μm, manufactured by Toray Industries, Inc.) into a 50 mm square. After immersing this base material in a PTFE fluorine-based aqueous dispersion solution (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, Ltd., containing PTFE 60 wt%) to a predetermined concentration with pure water, the substrate was immersed in an oven. The PTFE was dispersed in the substrate by drying at 60 ° C. for 30 minutes. At this time, the PTFE content was 25 wt%. As a result, a water repellent treated substrate was obtained.
続いて、カーボンブラック(CABOT社製 VULCAN(登録商標) XC−72R)5.4gと、上記で用いたのと同じPTFEのフッ素系水性ディスパージョン溶液1.0gと、水29.6gとを、ホモジナイザーにて3時間混合分散し、スラリーを調製した。このスラリーを、先に作製した撥水処理基材の一方の面にバーコーターにより均一に塗布し、オーブン内にて60℃、1時間乾燥させた後、さらにマッフル炉にて350℃、1時間熱処理を行った。これにより、前記撥水処理基材上にカーボン粒子層が形成されたガス拡散層を得た。 Subsequently, 5.4 g of carbon black (VULCAN (registered trademark) XC-72R manufactured by CABOT Co., Ltd.), 1.0 g of the same fluorine-based aqueous dispersion solution of PTFE as used above, and 29.6 g of water, A slurry was prepared by mixing and dispersing for 3 hours in a homogenizer. This slurry was uniformly applied to one surface of the water-repellent treated substrate prepared previously by a bar coater, dried in an oven at 60 ° C. for 1 hour, and further in a muffle furnace at 350 ° C. for 1 hour. Heat treatment was performed. As a result, a gas diffusion layer in which a carbon particle layer was formed on the water repellent treated substrate was obtained.
(4)MEAおよび評価用単セルの作製
上記(2)で作製した電極触媒層2枚を、上記(1)で作製した固体高分子電解質膜の両側に配置した後、ホットプレス法により130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスした後にテフロンシートを剥がして接合体とした。先に作製したガス拡散層2枚を用いてカーボン粒子層を内側にして前記接合体を挟持することによりMEAを作製した。これをカーボンセパレータ、集電板で挟み、評価用セルとした。
(4) Production of MEA and Evaluation Single Cell Two electrode catalyst layers produced in (2) above were placed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane produced in (1) above, and then 130 ° C. by hot pressing. After hot pressing at 2.0 MPa for 10 minutes, the Teflon sheet was peeled off to obtain a joined body. An MEA was produced by sandwiching the joined body using the two gas diffusion layers produced earlier with the carbon particle layer inside. This was sandwiched between a carbon separator and a current collector plate to obtain an evaluation cell.
(実施例2)
実施例1の(1)と同様にして、固体高分子電解質膜の両面にカーボンナノ繊維を含む補強材を配置した。次に、Nafion(登録商標)/イソプロピルアルコール溶液(デュポン社製、Nafion5wt%含有)を、前記固体高分子電解質膜の片面にNafionの量が0.2mg/cm2となるように塗布し、80℃で、1時間乾燥させることにより、前記補強材をNafion(登録商標)でコーティングした。これと同様にして、前記固体高分子電解質膜の他方の面の前記補強材をNafion(登録商標)でコーティングした。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1 (1), reinforcing materials containing carbon nanofibers were disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. Next, a Nafion (registered trademark) / isopropyl alcohol solution (manufactured by DuPont, containing 5 wt% Nafion) was applied to one side of the solid polymer electrolyte membrane so that the amount of Nafion was 0.2 mg / cm 2. The reinforcement was coated with Nafion® by drying at 0 ° C. for 1 hour. In the same manner, the reinforcing material on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane was coated with Nafion (registered trademark).
上記の通りにして、Nafion(登録商標)でコーティングされた導電性ナノ繊維が両面に配置された固体高分子電解質膜を用いる以外は、実施例1と同様にして評価用単セルを組立てた。 A single cell for evaluation was assembled in the same manner as in Example 1 except that a solid polymer electrolyte membrane in which conductive nanofibers coated with Nafion (registered trademark) were arranged on both sides was used as described above.
(実施例3)
カーボンナノ繊維(昭和電工製、VGCF、直径100nm、長さ10μm)10gを、濃度1mol/lの過マンガン酸カリウム水溶液500mlに添加し、60℃で3時間攪拌混合することで、カーボンナノ繊維表面の酸化処理を行った。その後、カーボンナノ繊維をろ別し、蒸留水で十分洗浄し、真空乾燥器にて80℃で3時間乾燥することにより酸化処理カーボンナノ繊維を得た。前記酸化処理カーボンナノ繊維の表面には、主としてカルボキシル基が800μmol/g導入されていた。
(Example 3)
10 g of carbon nanofibers (manufactured by Showa Denko, VGCF,
前記酸化処理カーボンナノ繊維を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例1と同様にして評価用単セルを組立てた。 A single cell for evaluation was assembled in the same manner as in Example 1 except that the oxidized carbon nanofiber was used.
(比較例1)
固体高分子電解質膜の両側にカーボンナノ繊維を配置しなかった以外は、実施例1と同様にして評価用単セルを組立てた。
(Comparative Example 1)
A single cell for evaluation was assembled in the same manner as in Example 1 except that the carbon nanofibers were not arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane.
(評価)
上記実施例1〜3および比較例1で作製した各評価用単セルを用いて、下記に示す手順に従って、耐久性を評価した。
(Evaluation)
Using each evaluation single cell produced in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, durability was evaluated according to the following procedure.
各評価用単セルのアノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は60℃、空気は55℃で飽和加湿し、燃料電池本体の温度は70℃に設定し、水素利用率は70%、空気利用率は40%として、電流密度1A/cm2で10分間運転を続けた。発電を停止する場合には取り出す電流密度をゼロにした後、アノードはエアーパージをして水素を排出した後に出口側を大気開放とし、カソードも同様に出口側を大気開放とした。このとき燃料電池本体の温度制御は行わず、停止時間は10分とした。発電停止時、実験環境は室温が20〜25℃、湿度は40〜60%RHであった。停止後、運転を再開する場合には、再び上記条件でセルにガスを導入し、発電を行った。この運転−停止サイクルを繰り返すことによって、0.4V以上の発電電圧が得られるまでのサイクル数を測定することにより、各評価用単セルの耐久性評価を行った。結果を表1に示す。 Hydrogen was supplied as a fuel to the anode side of each evaluation single cell, and air was supplied to the cathode side. Supply pressure for both gases is atmospheric pressure, hydrogen is 60 ° C, air is saturated and humidified at 55 ° C, the temperature of the fuel cell body is set to 70 ° C, hydrogen utilization is 70%, and air utilization is 40%. The operation was continued at a current density of 1 A / cm 2 for 10 minutes. When power generation was stopped, the current density to be taken out was reduced to zero, and then the anode was purged with air to discharge hydrogen, and the outlet side was opened to the atmosphere, and the cathode was similarly opened to the atmosphere. At this time, temperature control of the fuel cell main body was not performed, and the stop time was 10 minutes. When power generation was stopped, the experimental environment was a room temperature of 20-25 ° C. and a humidity of 40-60% RH. When the operation was resumed after the stop, gas was again introduced into the cell under the above conditions to generate power. By repeating this operation-stop cycle, the durability of each evaluation single cell was evaluated by measuring the number of cycles until a generated voltage of 0.4 V or more was obtained. The results are shown in Table 1.
本発明の固体高分子電解質膜によれば、発電性能および耐久性に優れる燃料電池を提供することが可能となる。 According to the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, it is possible to provide a fuel cell excellent in power generation performance and durability.
100…固体高分子電解質膜、
101,101a,101b…導電性ナノ繊維。
100: solid polymer electrolyte membrane,
101, 101a, 101b ... conductive nanofibers.
Claims (11)
前記燃料電池用固体高分子電解質膜の少なくとも片面に、導電性ナノ繊維を含む補強材が配置されてなる燃料電池用固体高分子電解質膜。 A solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell,
A solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein a reinforcing material containing conductive nanofibers is disposed on at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
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