JP2009187803A - Membrane electrode composite and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】高加湿の運転環境下でも性能が低下しない低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す膜電極複合体、およびそれを用いた燃料電池を提供する。
【解決手段】下記に示される炭化水素系ポリマー(式中、bはブロック共重合体であることを表し、mとnは繰り返し単位の数を表し、m≧5、n≧5である。)からなる電解質膜2と、上記電解質膜2の両面に配置された触媒電極層3,4とからなる膜電極複合体1であって、上記触媒電極層3,4の少なくとも一方が、ハロゲン元素を含むか又は含まないベンゼンスルホン酸を含有する。
【選択図】図1A membrane electrode assembly that exhibits high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification in which performance does not deteriorate even in a highly humid operating environment, and a fuel cell using the same.
A hydrocarbon polymer shown below (wherein, b represents a block copolymer, m and n represent the number of repeating units, and m ≧ 5 and n ≧ 5). A membrane electrode assembly 1 comprising catalyst electrode layers 3 and 4 disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 2, wherein at least one of the catalyst electrode layers 3 and 4 contains a halogen element. Contains benzene sulfonic acid with or without.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は燃料電池、特に固体高分子型燃料電池を形成するのに用いられる膜電極複合体に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly used to form a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell.
固体高分子電解質型燃料電池(以下、単に燃料電池と称する場合がある。)の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層(アノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層)が接合されている膜電極複合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。 A unit cell, which is the minimum power generation unit of a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes simply referred to as a fuel cell), generally has a catalyst electrode layer (an anode side catalyst electrode layer and a cathode side catalyst) on both sides of the solid electrolyte membrane. There is a membrane electrode assembly (MEA) to which an electrode layer is bonded, and gas diffusion layers are arranged on both sides of the membrane electrode assembly. Furthermore, a separator having a gas flow path is arranged outside thereof, and the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalyst electrode layer of the membrane electrode composite are passed through the gas diffusion layer, It works to transmit the current obtained by power generation to the outside.
このような燃料電池では、アノード側触媒電極層から電解質膜、電解質膜からカソード側触媒電極層へのプロトンの移動に際して水が必要となる。したがって、一般的には燃料ガスを加湿して、燃料電池セル内に水を供給する方法が多く採用されている。しかしながら、例えば、自動車搭載用途などに燃料電池を使用する場合には、燃料ガスを加湿する装置は、重量物であり、燃費の低下、車載スペースの低下、コストの上昇などを招く。 In such a fuel cell, water is required for proton transfer from the anode side catalyst electrode layer to the electrolyte membrane and from the electrolyte membrane to the cathode side catalyst electrode layer. Therefore, generally, a method of humidifying the fuel gas and supplying water into the fuel cell is widely used. However, for example, when a fuel cell is used for a vehicle-mounted application or the like, a device that humidifies the fuel gas is a heavy object, which causes a reduction in fuel consumption, a reduction in vehicle space, an increase in cost, and the like.
また、燃料電池セルの温度としては、反応効率の観点から40〜80℃程度が望ましいため、通常はセルに冷却水を導入して、電池反応に伴う温度上昇を抑制している。しかしながら、冷却するには冷却ファン・ラジエータなどの重量物である装置が必要となり、これも、燃費低下、車載スペースの低下、コストの上昇を招く。 Further, since the temperature of the fuel battery cell is preferably about 40 to 80 ° C. from the viewpoint of reaction efficiency, usually, cooling water is introduced into the cell to suppress the temperature rise accompanying the battery reaction. However, cooling requires a heavy device such as a cooling fan and a radiator, which also causes a reduction in fuel consumption, a reduction in in-vehicle space, and an increase in cost.
そこで、上述したような「加湿」や「冷却」を行う必要がない状態、すなわち、できるだけ高温、低加湿の状態で燃料ガスを供給することが望ましい。特に自動車用の場合、室温付近から高温(80〜100℃)域の幅広い温度領域において高い発電特性を示す必要がある。しかしながら、例えば、特許文献1で示されるような従来の燃料電池においては、常温運転時に触媒電極層中に水が滞留してしまうフラッディングを起こすことを前提として設計されている。このように、一般的には、運転時に水素(H2)と酸素(O2)とが反応して生成した生成水(H2O)を効率よく排水できるように、触媒電極層とガス拡散層との間に撥水層が設けられるなど、水を排出しやすくすることを目的としている。そのため、高温・低加湿状態のような水分の少ない環境下での燃料電池の運転を考慮したものではなく、高温・低加湿条件では、電解質膜の乾燥に伴って膜抵抗が上昇し、膜および触媒電極層中のプロトン伝導度が低下することで燃料電池の発電性能が低下するという問題があった。
Therefore, it is desirable to supply the fuel gas in a state where it is not necessary to perform “humidification” or “cooling” as described above, that is, in a state where the temperature is as high as possible and the humidity is as low as possible. In particular, in the case of automobiles, it is necessary to exhibit high power generation characteristics in a wide temperature range from near room temperature to a high temperature (80 to 100 ° C.). However, for example, a conventional fuel cell as disclosed in
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制し、出力を向上させるとともに、高加湿の運転環境下でも性能が低下しない低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す膜電極複合体、およびそれを用いた燃料電池を提供することを主目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and suppresses a decrease in power generation performance under a high-temperature / low-humidified operating environment, improves output, and decreases the performance even under a high-humidified operating environment. The main object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly that exhibits high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification, and a fuel cell using the same.
上記目的を達成するために、本発明においては、下記一般式(1)で示される炭化水素系ポリマーからなる電解質膜と、上記電解質膜の両面に配置された触媒電極層とからなる膜電極複合体であって、上記触媒電極層の少なくとも一方が、下記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有することを特徴とする膜電極複合体を提供する。 In order to achieve the above object, in the present invention, a membrane electrode composite comprising an electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer represented by the following general formula (1) and catalyst electrode layers disposed on both surfaces of the electrolyte membrane The membrane electrode assembly is characterized in that at least one of the catalyst electrode layers contains benzenesulfonic acid represented by the following general formula (2).
(式中、bはブロック共重合体であることを表し、mとnは繰り返し単位の数を表し、m≧5、n≧5、好ましくは5≦m≦200、5≦n≦1000である。) (Wherein b represents a block copolymer, m and n represent the number of repeating units, and m ≧ 5, n ≧ 5, preferably 5 ≦ m ≦ 200, and 5 ≦ n ≦ 1000. .)
(式中、XはHまたはハロゲン元素である。) (In the formula, X is H or a halogen element.)
本発明によれば、上記一般式(1)で示される炭化水素系ポリマーからなる電解質膜と、上記電解質膜の両面に配置された触媒電極層とからなる膜電極複合体であって、上記触媒電極層の少なくとも一方が、上記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有することによって、少なくとも一方の触媒電極層の保水性が向上する。したがって、燃料電池として用いた際に、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制し、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制することができる。さらに、電解質膜と触媒電極層との親和性・密着性が向上することにより、電解質膜と触媒電極層との間でのプロトン伝導性が良好となるため、出力が向上した膜電極複合体を得ることができる。また、上記ベンゼンスルホン酸はベンゼン環が一個の小さなサイズを持つ低分子化合物であるので、余剰の水分の排出性が向上し、フラッディングを防止することができ、反応ガスの拡散性が向上する。このため、高加湿の運転環境下でも発電性能が低下しない。したがって、低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す膜電極複合体を得ることができる。 According to the present invention, there is provided a membrane electrode composite comprising an electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer represented by the general formula (1) and a catalyst electrode layer disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, wherein the catalyst When at least one of the electrode layers contains the benzenesulfonic acid represented by the general formula (2), the water retention of at least one of the catalyst electrode layers is improved. Therefore, when used as a fuel cell, drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer can be suppressed, and a decrease in power generation performance under a high-temperature / low-humidity operating environment can be suppressed. Furthermore, since the proton conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is improved by improving the affinity and adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer, a membrane electrode composite with improved output can be obtained. Obtainable. In addition, since the benzenesulfonic acid is a low molecular compound having a small size of one benzene ring, excess water can be discharged, flooding can be prevented, and reaction gas diffusibility can be improved. For this reason, power generation performance does not deteriorate even in a highly humid operating environment. Therefore, it is possible to obtain a membrane electrode assembly that exhibits high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification.
また、本発明においては、上記触媒電極層の少なくとも上記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有する上記触媒電極層が、炭化フッ素系の電解質ポリマーを含有することを特徴とする請求項1に記載の膜電極複合体を提供する。 Further, in the present invention, at least the catalyst electrode layer containing the benzenesulfonic acid represented by the general formula (2) of the catalyst electrode layer contains a fluorocarbon electrolyte polymer. A membrane electrode assembly according to 1, is provided.
本発明によれば、上記触媒電極層の少なくとも上記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有する上記触媒電極層が、さらに炭化フッ素系の電解質ポリマーを含有することにより、少なくとも一方の触媒電極層の保水性がより向上する。したがって、燃料電池として用いた際に、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制し、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下をより効果的に抑制することができる。 According to the present invention, the catalyst electrode layer containing at least the benzenesulfonic acid represented by the general formula (2) in the catalyst electrode layer further contains a fluorocarbon electrolyte polymer, so that at least one of the catalysts can be obtained. The water retention of the electrode layer is further improved. Therefore, when used as a fuel cell, drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer can be suppressed, and a decrease in power generation performance under a high-temperature / low-humidified operating environment can be more effectively suppressed.
また、本発明においては、上記の膜電極複合体を用いたことを特徴とする燃料電池を提供する。 The present invention also provides a fuel cell using the membrane electrode assembly described above.
本発明によれば、触媒電極層の保水性が向上することで電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制して高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制し、さらに、電解質膜と触媒電極層との親和性・密着性が向上することにより電解質膜と触媒電極層との間でのプロトン伝導性が良好となり、出力が向上した上記の膜電極複合体を有することにより、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制し、出力が向上した燃料電池を得ることができる。また、触媒電極層中のベンゼンスルホン酸がベンゼン環一個の小さなサイズを持つ低分子化合物であるので、余剰の水分の排出性が向上し、フラッディングを防止することができ、反応ガスの拡散性が向上するため高加湿の運転環境下でも発電性能が低下しない上記の膜電極複合体を有することにより、低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す燃料電池を得ることができる。 According to the present invention, the water retention of the catalyst electrode layer is improved, so that drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is suppressed to suppress a decrease in power generation performance under a high-temperature / low-humidity operating environment. By improving the affinity / adhesion between the membrane and the catalyst electrode layer, the proton conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is improved, and by having the above membrane electrode composite with improved output, It is possible to obtain a fuel cell with improved output by suppressing a decrease in power generation performance under a high-temperature, low-humidified operating environment. In addition, since the benzenesulfonic acid in the catalyst electrode layer is a low-molecular compound having a small size of one benzene ring, it is possible to improve the discharge of excess water, prevent flooding, and improve the diffusibility of the reaction gas. In order to improve, by having the above membrane electrode assembly in which the power generation performance does not deteriorate even in a highly humid operating environment, a fuel cell exhibiting high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification can be obtained.
本発明においては、触媒電極層の保水性が向上することで、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制し、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制することができ、さらに、電解質膜と触媒電極層との親和性・密着性が向上することにより、電解質膜と触媒電極層との間でのプロトン伝導性が良好となるため、出力が向上した膜電極複合体を得ることができる。また、ガスの拡散を阻害しないため高加湿の運転環境下でも発電性能が低下しない低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す膜電極複合体を得ることができるという効果を奏する。 In the present invention, by improving the water retention of the catalyst electrode layer, it is possible to suppress drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer, it is possible to suppress a decrease in power generation performance in a high-temperature, low-humidity operating environment, Furthermore, since the proton conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is improved by improving the affinity and adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer, a membrane electrode composite with improved output can be obtained. Obtainable. Further, since the gas diffusion is not hindered, there is an effect that it is possible to obtain a membrane electrode assembly exhibiting high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification in which power generation performance does not deteriorate even in a highly humid operating environment.
本発明の膜電極複合体について、以下詳細に説明する。 The membrane electrode assembly of the present invention will be described in detail below.
A.膜電極複合体
まず、本発明の膜電極複合体について説明する。本発明の膜電極複合体は、下記一般式(1)で示される炭化水素系ポリマーからなる電解質膜と、上記電解質膜の両面に配置された触媒電極層とからなる膜電極複合体であって、上記触媒電極層の少なくとも一方が、下記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有することを特徴とするものである。
A. Membrane electrode composite First, the membrane electrode composite of the present invention will be described. The membrane electrode assembly of the present invention is a membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer represented by the following general formula (1), and catalyst electrode layers disposed on both surfaces of the electrolyte membrane. At least one of the catalyst electrode layers contains a benzenesulfonic acid represented by the following general formula (2).
(式中、bはブロック共重合体であることを表し、mとnは繰り返し単位の数を表し、m≧5、n≧5、好ましくは5≦m≦200、5≦n≦1000である。) (Wherein b represents a block copolymer, m and n represent the number of repeating units, and m ≧ 5, n ≧ 5, preferably 5 ≦ m ≦ 200, and 5 ≦ n ≦ 1000. .)
(式中、XはHまたはハロゲン元素である。) (In the formula, X is H or a halogen element.)
本発明によれば、上記一般式(1)で示される炭化水素系ポリマーからなる電解質膜と、上記電解質膜の両面に配置された触媒電極層とからなる膜電極複合体であって、上記触媒電極層の少なくとも一方が、上記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有することによって、当該の触媒電極層の保水性が向上する。したがって、燃料電池として用いた際に、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制して高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制することができる。さらに、電解質膜と触媒電極層との親和性・密着性が向上することにより、電解質膜と触媒電極層との間でのプロトン伝導性が良好となるため、出力が向上した膜電極複合体を得ることができる。また、上記ベンゼンスルホン酸はベンゼン環が一個の小さなサイズを持つ低分子化合物であるので、余剰の水分の排出性が向上し、フラッディングを防止することができ、反応ガスの拡散性が向上する。このため、高加湿の運転環境下でも発電性能が低下しない。したがって、低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す膜電極複合体を得ることができる。 According to the present invention, there is provided a membrane electrode composite comprising an electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer represented by the general formula (1) and a catalyst electrode layer disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, wherein the catalyst When at least one of the electrode layers contains the benzenesulfonic acid represented by the general formula (2), the water retention of the catalyst electrode layer is improved. Therefore, when used as a fuel cell, drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer can be suppressed to prevent a decrease in power generation performance under a high temperature / low humid operating environment. Furthermore, since the proton conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is improved by improving the affinity and adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer, a membrane electrode composite with improved output can be obtained. Obtainable. In addition, since the benzenesulfonic acid is a low molecular compound having a small size of one benzene ring, excess water can be discharged, flooding can be prevented, and reaction gas diffusibility can be improved. For this reason, power generation performance does not deteriorate even in a highly humid operating environment. Therefore, it is possible to obtain a membrane electrode assembly that exhibits high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification.
また、本発明においては、上記触媒電極層の少なくとも上記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有する上記触媒電極層が、炭化フッ素系の電解質ポリマーを含有することが好ましい。上記触媒電極層の少なくとも上記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有する上記触媒電極層が、さらに炭化フッ素系の電解質ポリマーを含有することにより、少なくとも一方の触媒電極層の保水性がより向上するからである。したがって、燃料電池として用いた際に、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制し、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下をより効果的に抑制することができる。 In the present invention, it is preferable that at least the catalyst electrode layer containing the benzenesulfonic acid represented by the general formula (2) in the catalyst electrode layer contains a fluorocarbon electrolyte polymer. When the catalyst electrode layer containing at least the benzenesulfonic acid represented by the general formula (2) in the catalyst electrode layer further contains a fluorocarbon electrolyte polymer, water retention of at least one of the catalyst electrode layers is improved. It is because it improves more. Therefore, when used as a fuel cell, drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer can be suppressed, and a decrease in power generation performance under a high-temperature / low-humidified operating environment can be more effectively suppressed.
以下、本発明の膜電極複合体について、図を用いて説明する。
図1は本発明の膜電極複合体の構成の一例を示す概略断面図である。図1に示すように、膜電極複合体1は、電解質膜2が中心に配置され、アノード側触媒電極層3とカソード側触媒電極層4とで挟持されている。
以下、本発明における膜電極複合体について、構成ごとに詳細に説明する。
Hereinafter, the membrane electrode assembly of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the configuration of the membrane electrode assembly of the present invention. As shown in FIG. 1, the
Hereinafter, the membrane electrode assembly according to the present invention will be described in detail for each constitution.
1.電解質膜
本発明に用いられる電解質膜は、下記一般式(1)で示される炭化水素系ポリマーからなるものである。
1. Electrolyte membrane The electrolyte membrane used in the present invention is composed of a hydrocarbon-based polymer represented by the following general formula (1).
(式中、bはブロック共重合体であることを表し、mとnは繰り返し単位の数を表し、m≧5、n≧5、好ましくは5≦m≦200、5≦n≦1000である。)
このような炭化水素系ポリマーとしては、特開2007−177197号公報に記載されているもの等を好適に使用することができる。
(Wherein b represents a block copolymer, m and n represent the number of repeating units, and m ≧ 5, n ≧ 5, preferably 5 ≦ m ≦ 200, and 5 ≦ n ≦ 1000. .)
As such a hydrocarbon-based polymer, those described in JP 2007-177197 A can be suitably used.
上記一般式(1)で示される炭化水素系ポリマーは、下記一般式(3)で表されるポリエーテルスルホンと、ベンゼンスルホン酸ポリマーとの2種類のポリマー分子鎖からなるブロック共重合体である。本発明においては、上記電解質膜が上記ベンゼンスルホン酸ポリマーを有することにより、出力が向上した膜電極複合体を得ることができる。これは、後述する触媒電極層が上記電解質膜のプロトン導伝部位であるベンゼンスルホン酸を含んでいるため、上記電解質膜と後述する触媒電極層との親和性・密着性が向上し、電解質膜と触媒電極層との間でのプロトン伝導性が良好となるからであると推定される。 The hydrocarbon polymer represented by the general formula (1) is a block copolymer composed of two types of polymer molecular chains of a polyethersulfone represented by the following general formula (3) and a benzenesulfonic acid polymer. . In the present invention, when the electrolyte membrane has the benzenesulfonic acid polymer, a membrane electrode assembly with improved output can be obtained. This is because the later-described catalyst electrode layer contains benzenesulfonic acid, which is a proton conducting site of the electrolyte membrane, so that the affinity and adhesion between the electrolyte membrane and the later-described catalyst electrode layer are improved, and the electrolyte membrane This is presumably because the proton conductivity between the catalyst electrode layer and the catalyst electrode layer becomes good.
上記一般式(1)で示されるブロック共重合体においては、上記2種類のポリマー分子鎖をそれぞれ1個以上持つものである。また、それぞれのポリマー分子鎖を2個以上有していても良い。上記ブロック共重合体の分子量としては、ポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)が、通常5000〜1000000が好ましい。さらに好ましくは、15000〜400000であることが好ましい。上記数平均分子量(Mn)が5000以下だと、膜強度が弱くなり、1000000以上だと成膜加工処理が行いにくいおそれがあるからである。 The block copolymer represented by the general formula (1) has one or more of each of the two types of polymer molecular chains. Moreover, you may have 2 or more of each polymer molecular chain. As the molecular weight of the block copolymer, the number average molecular weight (Mn) in terms of polystyrene is usually preferably 5,000 to 1,000,000. More preferably, it is 15000-400000. This is because if the number average molecular weight (Mn) is 5000 or less, the film strength becomes weak, and if it is 1000000 or more, the film forming process may be difficult.
上記一般式(1)で示される炭化水素系ポリマーのイオン交換容量は、0.5〜4.0meq/gが好ましく、中でも1.0〜3.0meq/gであることが好ましい。イオン交換容量は公知の方法を用いることができ、例えば滴定法などにより求めることができる。
また、上記一般式(1)で示される炭化水素系ポリマーのイオン伝導度は、例えば、80℃、90%RHにおいて0.01S/cm以上であり、より好ましくは0.1S/cm以上である。イオン伝導度の測定方法は、公知の方法に従って測定することができる。
The ion exchange capacity of the hydrocarbon-based polymer represented by the general formula (1) is preferably 0.5 to 4.0 meq / g, and more preferably 1.0 to 3.0 meq / g. The ion exchange capacity can be determined by a known method, for example, by titration.
The ionic conductivity of the hydrocarbon polymer represented by the general formula (1) is, for example, 0.01 S / cm or more at 80 ° C. and 90% RH, and more preferably 0.1 S / cm or more. . The measuring method of ionic conductivity can be measured according to a known method.
また、電解質膜の膜厚としては、特に限定されるものではなく、通常の燃料電池に用いられる電解質膜の厚さと同様の厚さのものを用いることができる。好ましくは、10〜100μmの範囲内であり、さらに好ましくは、15〜50μmの範囲内である。 In addition, the thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, and a membrane having the same thickness as that of an electrolyte membrane used in a normal fuel cell can be used. Preferably, it exists in the range of 10-100 micrometers, More preferably, it exists in the range of 15-50 micrometers.
本発明に用いられる電解質膜の製造方法は、電解質膜の製造方法として一般的に用いられているものであれば特に限定されるものではなく、例えば、上記式(1)で示される炭化水素系ポリマーをキャスト法や溶融押し出し法などで成膜する方法等を挙げることができる。中でも、溶液キャスト法を用いることが好ましい。 The method for producing an electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited as long as it is generally used as a method for producing an electrolyte membrane. For example, the hydrocarbon system represented by the above formula (1) is used. Examples thereof include a method of forming a polymer film by a casting method or a melt extrusion method. Among these, it is preferable to use a solution casting method.
2.触媒電極層
本発明に用いられる触媒電極層はアノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層の少なくとも一方が、下記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有するものである。
2. Catalyst electrode layer In the catalyst electrode layer used in the present invention, at least one of the anode side catalyst electrode layer and the cathode side catalyst electrode layer contains benzenesulfonic acid represented by the following general formula (2).
(式中、XはHまたはハロゲン元素である。)
本発明においては、上記ベンゼンスルホン酸として、例えばベンゼンスルホン酸(Aldrich社製)等を用いることができる。
(In the formula, X is H or a halogen element.)
In the present invention, as the benzenesulfonic acid, for example, benzenesulfonic acid (manufactured by Aldrich) or the like can be used.
本発明においては、上記ベンゼンスルホン酸を触媒電極層中の電解質材料として用いることにより、触媒電極層の保水性が向上する。したがって、燃料電池として用いた際に、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制して高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制することができる。さらに、電解質膜と触媒電極層との親和性・密着性が向上することにより、電解質膜と触媒電極層との間でのプロトン伝導性が良好となるため、出力が向上した膜電極複合体を得ることができる。また、上記ベンゼンスルホン酸はベンゼン環が一個の小さなサイズを持つ低分子化合物であるので、余剰の水分の排出性が向上し、フラッディングを防止することができ、反応ガスの拡散性が向上する。このため、高加湿の運転環境下でも発電性能が低下しない。したがって、低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す膜電極複合体を得ることができる。 In the present invention, the water retention of the catalyst electrode layer is improved by using the benzenesulfonic acid as an electrolyte material in the catalyst electrode layer. Therefore, when used as a fuel cell, drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer can be suppressed to prevent a decrease in power generation performance under a high temperature / low humid operating environment. Furthermore, since the proton conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is improved by improving the affinity and adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer, a membrane electrode composite with improved output can be obtained. Obtainable. In addition, since the benzenesulfonic acid is a low molecular compound having a small size of one benzene ring, excess water can be discharged, flooding can be prevented, and reaction gas diffusibility can be improved. For this reason, power generation performance does not deteriorate even in a highly humid operating environment. Therefore, it is possible to obtain a membrane electrode assembly that exhibits high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification.
上記一般式(2)において、XはHまたはハロゲン元素であるとされているが、中でも、Hが好ましい。 In the above general formula (2), X is considered to be H or a halogen element, and among these, H is preferable.
本発明に用いられるベンゼンスルホン酸の添加量は、触媒電極層における通常添加される電解質の質量に対する比で0.1〜90質量%の範囲内、中でも1〜8質量%の範囲内、特に2〜6質量%の範囲内であることが好ましい。ベンゼンスルホン酸が多すぎる場合、触媒電極層の細孔を塞いでしまい、ガスの反応およびプロトン伝達を阻害する可能性があるからである。一方、ベンゼンスルホン酸が少なすぎる場合には、水分保持効果が得られない可能性があるからである。 The addition amount of benzenesulfonic acid used in the present invention is in the range of 0.1 to 90% by mass, particularly in the range of 1 to 8% by mass, particularly 2 in terms of the ratio to the mass of electrolyte that is usually added in the catalyst electrode layer. It is preferable to be within a range of ˜6% by mass. This is because when the amount of benzenesulfonic acid is too large, the pores of the catalyst electrode layer are blocked, and there is a possibility of inhibiting gas reaction and proton transfer. On the other hand, if the amount of benzenesulfonic acid is too small, the moisture retention effect may not be obtained.
また、上記ベンゼンスルホン酸は2つの触媒電極層の少なくとも一方に含有されていれば良いが、本発明においては、2つの触媒電極層の両方に含有されていることが好ましい。 The benzenesulfonic acid may be contained in at least one of the two catalyst electrode layers, but in the present invention, it is preferably contained in both of the two catalyst electrode layers.
また、本発明においては、上記触媒電極層の少なくとも上記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有する上記触媒電極層が、炭化フッ素系の電解質ポリマーを含有することが好ましい。上記触媒電極層の少なくとも上記一般式(2)で示されるベンゼンスルホン酸を含有する上記触媒電極層が、さらに炭化フッ素系の電解質ポリマーを含有することにより、少なくとも一方の触媒電極層の保水性がより向上するからである。このため、燃料電池として用いた際に、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制し、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下をより効果的に抑制することができる。 In the present invention, it is preferable that at least the catalyst electrode layer containing the benzenesulfonic acid represented by the general formula (2) in the catalyst electrode layer contains a fluorocarbon electrolyte polymer. When the catalyst electrode layer containing at least the benzenesulfonic acid represented by the general formula (2) in the catalyst electrode layer further contains a fluorocarbon electrolyte polymer, water retention of at least one of the catalyst electrode layers is improved. It is because it improves more. For this reason, when used as a fuel cell, drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer can be suppressed, and a decrease in power generation performance under a high-temperature, low-humidity operating environment can be more effectively suppressed.
本発明に用いられる上記炭化フッ素系の電解質ポリマー溶液(パーフルオロスルホン酸樹脂)としては、例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成社製)等を挙げることができる。 Examples of the fluorocarbon electrolyte polymer solution (perfluorosulfonic acid resin) used in the present invention include Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), and Aciplex (trade name). , Manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.).
上記の触媒電極層は、触媒を担持した導電性材料と電解質材料とからなるのが一般的であり、上記触媒としては、触媒としての機能を有するものであれば、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられる材料と同様のものを使用することができる。例えば、白金等を挙げることができる。 The catalyst electrode layer is generally composed of a conductive material carrying a catalyst and an electrolyte material, and the catalyst is not particularly limited as long as it has a function as a catalyst. The same materials as those used for general fuel cells can be used. For example, platinum etc. can be mentioned.
また、触媒を担持する上記導電性材料としては、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられる材料と同様のものを使用することができる。例えば、カーボンブラック等を用いることができる。 Further, the conductive material supporting the catalyst is not particularly limited as long as it has conductivity, and the same materials as those used in general fuel cells can be used. For example, carbon black or the like can be used.
また、本発明に用いられる触媒電極層の製造方法としては、所望の触媒電極層を得ることができる方法であれば特に限定されるものではないが、具体的には、上記の電解質材料、および触媒が担持された導電性材料等を溶媒に溶解、分散させることにより塗工液を作製し、電解質膜上に塗布し、乾燥させる塗布方法等が挙げられる。 Further, the method for producing the catalyst electrode layer used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining a desired catalyst electrode layer. Specifically, the electrolyte material described above, and Examples thereof include a coating method in which a conductive material carrying a catalyst is dissolved and dispersed in a solvent to prepare a coating liquid, which is coated on an electrolyte membrane and dried.
3.膜電極複合体の製造方法
本発明の膜電極複合体の製造方法としては、上記の膜電極複合体を得ることができる方法であれば、特に限定されるものではないが、例えば、白金担持カーボン粉末等の触媒を水およびアルコール系溶剤(粘度調整用)中に分散させた後に、上記のベンゼンスルホン酸を添加・攪拌分散後、炭化フッ素系高分子電解質溶液(パーフルオロスルホン酸樹脂溶液)を添加・攪拌分散し、電極用インクを得る。得られた電極用インクを用いて、「1.電解質膜」で記載した電解質膜に直接塗布する方法、拡散層に塗布する方法、あるいはテフロン(登録商標)シートなどに塗布したのちに電解質膜に加熱プレスして転写する方法などの製造方法により得ることができる。
3. Production method of membrane electrode composite The production method of the membrane electrode composite of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the above membrane electrode composite. After a catalyst such as powder is dispersed in water and an alcohol solvent (for viscosity adjustment), the above benzenesulfonic acid is added and stirred and dispersed, and then a fluorocarbon polymer electrolyte solution (perfluorosulfonic acid resin solution) is added. Add and stir and disperse to obtain electrode ink. Using the obtained electrode ink, apply directly to the electrolyte membrane described in “1. Electrolyte membrane”, apply to the diffusion layer, or apply to the Teflon (registered trademark) sheet, etc. It can be obtained by a production method such as a method of transferring by heat pressing.
B.燃料電池
次に、本発明の燃料電池について説明する。本発明の燃料電池は、上記の膜電極複合体を有することを特徴とするものである。
B. Fuel Cell Next, the fuel cell of the present invention will be described. The fuel cell of the present invention is characterized by having the above membrane electrode assembly.
本発明によれば、触媒電極層の保水性が向上することで電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制して高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制し、さらに、電解質膜と触媒電極層との親和性・密着性が向上することにより電解質膜と触媒電極層との間でのプロトン伝導性が良好となり、出力が向上した上記の膜電極複合体を有することにより、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制し、出力が向上した燃料電池を得ることができる。また、触媒電極層中のベンゼンスルホン酸がベンゼン環一個の小さなサイズを持つ低分子化合物であるので、余剰の水分の排出性が向上し、フラッディングを防止することができ、反応ガスの拡散性が向上するため高加湿の運転環境下でも発電性能が低下しない上記の膜電極複合体を有することにより、低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す燃料電池を得ることができる。 According to the present invention, the water retention of the catalyst electrode layer is improved, so that drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is suppressed to suppress a decrease in power generation performance under a high-temperature / low-humidity operating environment. By improving the affinity / adhesion between the membrane and the catalyst electrode layer, the proton conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is improved, and by having the above membrane electrode composite with improved output, It is possible to obtain a fuel cell with improved output by suppressing a decrease in power generation performance under a high-temperature, low-humidified operating environment. In addition, since the benzenesulfonic acid in the catalyst electrode layer is a low-molecular compound having a small size of one benzene ring, it is possible to improve the discharge of excess water, prevent flooding, and improve the diffusibility of the reaction gas. In order to improve, by having the above membrane electrode assembly in which the power generation performance does not deteriorate even in a highly humid operating environment, a fuel cell exhibiting high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification can be obtained.
本発明に用いられる膜電極複合体は、上記「A.膜電極複合体」の項目で記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。本発明の燃料電池の最小単位である燃料電池セルは、上述したような、触媒電極層(アノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層)、固体電解質膜から構成される膜電極複合体がガス拡散層で挟持され、さらには、セパレータで挟持されており、このような燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタックが構成されている。この際に用いられるガス拡散層およびセパレータは、特に限定されるものではなく、通常用いられるものを用いることができる。 The membrane electrode assembly used in the present invention is the same as that described in the above-mentioned item “A. Membrane electrode composite”, and thus the description thereof is omitted here. The fuel cell which is the minimum unit of the fuel cell according to the present invention has a membrane electrode assembly composed of a catalyst electrode layer (anode side catalyst electrode layer and cathode side catalyst electrode layer) and a solid electrolyte membrane as described above. It is sandwiched between diffusion layers and further sandwiched between separators, and a plurality of such fuel cells are stacked to form a fuel cell stack. The gas diffusion layer and separator used at this time are not particularly limited, and those usually used can be used.
また、本発明においては、上記触媒電極層はアノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層の少なくとも一方が、上記ベンゼンスルホン酸を含有するものであるが、どちらか一方が含有するような場合には、アノード側触媒電極層が含有する方が好ましい。低加湿で作動する場合、カソード側は生成水が生成するため、比較的乾きにくいのに対し、アノード側は生成水が生成しないため、アノード側から乾きやすくなるからである。 In the present invention, the catalyst electrode layer includes at least one of the anode-side catalyst electrode layer and the cathode-side catalyst electrode layer containing the benzenesulfonic acid, but when either of them contains Is preferably contained in the anode catalyst electrode layer. This is because, when the operation is performed with low humidification, the generated water is generated on the cathode side, which is relatively difficult to dry. On the other hand, the generated water is not generated on the anode side, so that it is easily dried from the anode side.
本発明の燃料電池の製造方法は、上記「A.膜電極複合体」により得られる膜電極複合体を用いる方法であれば、特に限定されるものではない。本発明の燃料電池の製造方法の一例としては、例えば、上記膜電極複合体の外側にカーボン繊維等を成型してなるガス拡散層を設置し、さらに、ガス拡散層の外側に金属製あるいはカーボン製のセパレータを設置する方法等を挙げることができる。 The method for producing a fuel cell of the present invention is not particularly limited as long as it is a method using a membrane electrode composite obtained by the above “A. Membrane electrode composite”. As an example of the manufacturing method of the fuel cell of the present invention, for example, a gas diffusion layer formed by molding carbon fibers or the like is installed outside the membrane electrode assembly, and a metal or carbon is further formed outside the gas diffusion layer. And a method of installing a separator made of metal.
本発明の燃料電池の用途としては、特に限定されるものではないが、例えば、自動車用の燃料電池等として、用いることができる。 Although it does not specifically limit as a use of the fuel cell of this invention, For example, it can use as a fuel cell etc. for motor vehicles.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[実施例]
(膜電極複合体作製)
Pt/C触媒(Pt担持率50wt%)粉末1gに、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液(Aldrich社製)10wt%溶液4mlを、カーボンブラック:パーフルオロスルホン酸樹脂=1:1となるように混合した。これに、ベンゼンスルホン酸粉末(Aldrich社製)をパーフルオロスルホン酸樹脂に対して40wt%となるように添加した。ついで、エタノール5mlを添加し、超音波洗浄装置を用いて所定時間分散させ、触媒インクを作成した。
上記の触媒電極作製で得られた電極用インクを用いて、特開2007−177197号公報中の実施例1に準じて合成した電解質膜(IEC 2.2meq/g、Mw 2.7×105、膜厚 30μm)上にスプレー塗布し、乾燥させることによって、電解質膜上に触媒電極層を作製し、膜電極複合体を得た。
[Example]
(Membrane electrode composite production)
To 1 g of Pt / C catalyst (Pt loading 50 wt%) powder, 4 ml of 10 wt% solution of perfluorosulfonic acid resin solution (manufactured by Aldrich) was mixed so that carbon black: perfluorosulfonic acid resin = 1: 1. . To this, benzenesulfonic acid powder (manufactured by Aldrich) was added to 40 wt% with respect to the perfluorosulfonic acid resin. Next, 5 ml of ethanol was added and dispersed for a predetermined time using an ultrasonic cleaning device to prepare a catalyst ink.
An electrolyte membrane (IEC 2.2 meq / g, Mw 2.7 × 10 5) synthesized according to Example 1 in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-177197 using the electrode ink obtained in the above-described catalyst electrode production. The catalyst electrode layer was produced on the electrolyte membrane by spray coating on a film thickness of 30 μm and drying to obtain a membrane electrode composite.
[比較例]
上記の膜電極複合体作製において、ベンゼンスルホン酸粉末(Aldrich社製)ではなく、下記一般式(4)で表されるベンゼンスルホン酸ポリマー
[Comparative example]
In the preparation of the membrane electrode assembly described above, a benzenesulfonic acid polymer represented by the following general formula (4), not benzenesulfonic acid powder (manufactured by Aldrich)
(式中、nは繰り返し単位の数を表し、2〜10000の範囲、XはHまたはハロゲン元素である。)を添加したこと以外は、実施例と同様にして、電極用インクを得た。得られた電極用インクを用いて、電解質膜上にスプレーと付し、乾燥させることによって、電解質膜上に触媒電極層を作製し、膜電極複合体を得た。なお、上記一般式(4)で表されるベンゼンスルホン酸ポリマーは、特開2005−248143中の実施例1に示される方法に準じて得られた。 (In the formula, n represents the number of repeating units and is in the range of 2 to 10,000, and X is H or a halogen element.) Ink for electrodes was obtained in the same manner as in Examples. The obtained electrode ink was sprayed on the electrolyte membrane and dried to produce a catalyst electrode layer on the electrolyte membrane to obtain a membrane electrode composite. In addition, the benzenesulfonic acid polymer represented by the general formula (4) was obtained according to the method shown in Example 1 in JP-A-2005-248143.
[評価]
実施例および比較例で得られた膜電極複合体を用い、セル温度80℃、燃料ガスとしては、アノード側にH2ガス、カソード側に空気を用い、バブラー方式によって高加湿条件の場合はアノードガス加湿露点80℃/カソードガス加湿露点80℃の条件で、低加湿条件の場合はアノードガス加湿露点45℃/カソードガス加湿露点55℃の条件で、それぞれ発電試験を行った。背圧は0.1MPaとし、ガス流量は、アノード側で0.272l/min、カソード側では0.866l/minとした。また、セル面積は13cm2とした。得られた電流密度(A/cm2)−電圧曲線(V)を図2(実施例、高加湿条件)、図3(実施例、低加湿条件)、図4(比較例、高加湿条件)、図5(比較例、低加湿条件)に示す。なお、図2〜図5のグラフ中において、細線で示された曲線はベンゼンスルホン酸またはベンゼンスルホン酸ポリマーを添加していない場合のIV特性を示すものであり、太線で示された曲線はこれらを添加した場合のIV特性を示すものである。図2〜5から明らかなように、ベンゼンスルホン酸を添加した実施例で得られた膜電極複合体は、低加湿条件での性能は向上し、高加湿条件でも大きな性能低下は見られなかった。一方、ベンゼンスルホン酸ポリマーを添加した比較例では、低加湿条件、高加湿条件において性能低下が見られた。特に、高加湿条件では、実施例に比べ性能低下量が大きかった。これは、分子サイズが大きいために排水性及びガス拡散性が低下したためであると推測される。
[Evaluation]
Using the membrane electrode assemblies obtained in the examples and comparative examples, the cell temperature is 80 ° C., the fuel gas is H 2 gas on the anode side, the air is on the cathode side, and the anode is used in the case of high humidification conditions by the bubbler method. A power generation test was performed under the conditions of a gas humidification dew point of 80 ° C./cathode gas humidification dew point of 80 ° C. and, in the case of low humidification conditions, an anode gas humidification dew point of 45 ° C./cathode gas humidification dew point of 55 ° C., respectively. The back pressure was 0.1 MPa, and the gas flow rate was 0.272 l / min on the anode side and 0.866 l / min on the cathode side. The cell area was 13 cm 2 . The obtained current density (A / cm 2 ) -voltage curve (V) is shown in FIG. 2 (Example, high humidification condition), FIG. 3 (Example, low humidification condition), and FIG. 4 (Comparative example, high humidification condition). FIG. 5 (Comparative example, low humidification conditions). In the graphs of FIGS. 2 to 5, the curves indicated by thin lines indicate the IV characteristics when benzenesulfonic acid or benzenesulfonic acid polymer is not added, and the curves indicated by bold lines are these. Shows the IV characteristics when is added. As is apparent from FIGS. 2 to 5, the membrane electrode composite obtained in the example to which benzenesulfonic acid was added improved in performance under low humidification conditions, and no significant performance degradation was observed under high humidification conditions. . On the other hand, in the comparative example to which the benzenesulfonic acid polymer was added, performance degradation was observed under low and high humidification conditions. In particular, under high humidification conditions, the amount of performance degradation was large compared to the examples. This is presumably because the drainage and gas diffusibility decreased due to the large molecular size.
以上の結果から、実施例で得られた膜電極複合体は、触媒電極層にベンゼンスルホン酸を添加することによって、触媒電極層の保水性が向上する。したがって、燃料電池として用いた際に、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制し、高温・低加湿の運転環境下での発電性能の低下を抑制することができる。さらに、電解質膜と触媒電極層との親和性・密着性が向上することにより、電解質膜と触媒電極層との間でのプロトン伝導性が良好となるため、出力が向上した膜電極複合体を得ることができた。また、上記ベンゼンスルホン酸はベンゼン環が一個の小さなサイズを持つ低分子化合物であるので、余剰の水分の排出性が向上し、フラッディングを防止することができ、反応ガスの拡散性が向上する。このため、特に、生成水量の多い高加湿の運転環境下でも発電性能が低下しない。したがって、低加湿から高加湿まで幅広い運転領域で高い発電特性を示す膜電極複合体を得ることができた。 From the above results, the membrane electrode assembly obtained in the example improves the water retention of the catalyst electrode layer by adding benzenesulfonic acid to the catalyst electrode layer. Therefore, when used as a fuel cell, drying of the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer can be suppressed, and a decrease in power generation performance under a high-temperature / low-humidity operating environment can be suppressed. Furthermore, since the proton conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer is improved by improving the affinity and adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer, a membrane electrode composite with improved output can be obtained. I was able to get it. In addition, since the benzenesulfonic acid is a low molecular compound having a small size of one benzene ring, excess water can be discharged, flooding can be prevented, and reaction gas diffusibility can be improved. For this reason, in particular, the power generation performance does not deteriorate even in a highly humid operating environment with a large amount of generated water. Therefore, it was possible to obtain a membrane electrode assembly exhibiting high power generation characteristics in a wide range of operation from low humidification to high humidification.
1 … 膜電極複合体
2 … 固体電解質膜
3 … アノード側触媒電極層
4 … カソード側触媒電極層
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Claims (3)
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