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JP5870495B2 - POLYMER ELECTROLYTE, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY USING THE POLYMER ELECTROLYTE, AND FUEL CELL - Google Patents

POLYMER ELECTROLYTE, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY USING THE POLYMER ELECTROLYTE, AND FUEL CELL Download PDF

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JP5870495B2
JP5870495B2 JP2011053385A JP2011053385A JP5870495B2 JP 5870495 B2 JP5870495 B2 JP 5870495B2 JP 2011053385 A JP2011053385 A JP 2011053385A JP 2011053385 A JP2011053385 A JP 2011053385A JP 5870495 B2 JP5870495 B2 JP 5870495B2
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Description

本発明は、高分子電解質および該高分子電解質を用いた膜電極接合体ならびに燃料電池に関する。さらに詳しくは、低加湿条件において高いプロトン伝導性を示し、耐水性に優れた高分子電解質および該高分子電解質を用いた膜電極接合体ならびに燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte, a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte, and a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a polymer electrolyte that exhibits high proton conductivity under low humidification conditions and is excellent in water resistance, a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte, and a fuel cell.

近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池の使用が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を酸素などの酸化剤ガスを用いて酸化し、酸化に伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。   In recent years, the use of fuel cells has attracted attention as an effective solution to environmental and energy problems. A fuel cell is a cell that oxidizes a fuel such as hydrogen using an oxidant gas such as oxygen and converts chemical energy associated with the oxidation into electrical energy.

燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類される。固体高分子形燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度を特徴とし、小型化および軽量化が可能であるため、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての種々の応用が期待されている。   Fuel cells are classified into alkaline, phosphoric acid, solid polymer, molten carbonate, solid oxide, etc., depending on the type of electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is characterized by low-temperature operation and high output density, and can be reduced in size and weight. Therefore, it can be used as a portable power source, a household power source, and an in-vehicle power source. Expected.

PEFCの電解質としては、実用的な安定性を有するナフィオン(Nafion, デュポン社の登録商標。以下同様)に代表されるパーフルオロ系の電解質が用いられている。しかし、これらの電解質は、高いプロトン伝導性を示すが、コストが高いという問題がある。   As a PEFC electrolyte, a perfluoro electrolyte represented by Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont, which has practical stability) having practical stability is used. However, these electrolytes exhibit high proton conductivity but have a problem of high cost.

かかる問題を解決するために、安価な炭化水素系電解質が検討されている。たとえば、特許文献1および2では、スルホン化エンジニアリングプラスチックが安価な炭化水素系電解質として開示されている。しかし、これら特許文献1および2に記載の電解質は、高湿度条件では高いプロトン伝導性を示すが、低湿度条件ではプロトン伝導性が低下するという問題がある。そこで、低湿度条件下でも高いプロトン伝導性を示す方法として、プロトン酸基の濃度を増加させる方法が試みられているが、プロトン酸基の濃度を増加させると電解質膜の耐水性が低下し、実用化に耐えられる機械的強度が得られなくなるという問題がある。   In order to solve this problem, inexpensive hydrocarbon electrolytes are being studied. For example, Patent Documents 1 and 2 disclose sulfonated engineering plastics as inexpensive hydrocarbon electrolytes. However, the electrolytes described in Patent Documents 1 and 2 exhibit high proton conductivity under high humidity conditions, but have a problem that proton conductivity decreases under low humidity conditions. Therefore, as a method of showing high proton conductivity even under low humidity conditions, a method of increasing the concentration of proton acid groups has been tried, but increasing the concentration of proton acid groups reduces the water resistance of the electrolyte membrane, There is a problem that the mechanical strength that can withstand practical use cannot be obtained.

一方、炭化水素系電解質膜の耐久性、耐水性および機械強度を向上させるために、電解質を架橋する方法が提案されている(特許文献3)。しかし、特許文献3に記載の架橋電解質は、架橋反応がプロトン伝導性高分子に結合しているプロトン酸基を介して進行する。そのため、架橋密度を向上させると、架橋電解質の水素イオン交換容量が低下し、プロトン伝導度が低下するという問題がある。また、特許文献4で提案されている架橋電解質においては、電解質に架橋基を導入する必要があり、容易に架橋電解質を得ることができないという問題がある。   On the other hand, in order to improve the durability, water resistance and mechanical strength of the hydrocarbon electrolyte membrane, a method of crosslinking the electrolyte has been proposed (Patent Document 3). However, in the crosslinked electrolyte described in Patent Document 3, the crosslinking reaction proceeds via a protonic acid group bonded to the proton conducting polymer. Therefore, when the crosslinking density is improved, there is a problem that the hydrogen ion exchange capacity of the crosslinked electrolyte is lowered and the proton conductivity is lowered. Moreover, in the crosslinked electrolyte proposed in Patent Document 4, it is necessary to introduce a crosslinking group into the electrolyte, and there is a problem that the crosslinked electrolyte cannot be easily obtained.

特開平11−116679号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-116679 特開2007−329120号公報JP 2007-329120 A 特開2007−70563号公報JP 2007-70563 A 特開2004−10677号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-10777

本発明は、かかる従来の問題に鑑みてなされたものであり、イオン交換容量を低下させずに電解質を架橋し、低加湿条件において高いプロトン伝導性を示し、耐水性に優れた電解質および該高分子電解質を用いた膜電極接合体ならびに燃料電池を低コストで提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a conventional problem. The electrolyte is cross-linked without lowering the ion exchange capacity, exhibits high proton conductivity in a low humidified condition, and has an excellent water resistance. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly using a molecular electrolyte and a fuel cell at low cost.

本発明の高分子電解質は、プロトン伝導性高分子と架橋剤とを、プロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を主成分として形成された架橋高分子電解質において、上記プロトン伝導性高分子が下記一般式(1)で示される構成単位を有することを特徴とする。

Figure 0005870495
(一般式(1)中、Aは−(CH2m−、−O−(CH2m−、−S−(CH2m−、−NH−(CH2m−から選択される連結基であり、mは3または4であり、Yはスルホン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基から選択されるプロトン酸基であり、kは1〜4の整数である) The polymer electrolyte of the present invention is a crosslinked polymer electrolyte formed mainly of a crosslinked polymer obtained by crosslinking a proton conducting polymer and a crosslinking agent via a portion other than a proton acid group. The proton conductive polymer has a structural unit represented by the following general formula (1).
Figure 0005870495
(In the formula (1), A is - (CH 2) m -, - O- (CH 2) m -, - S- (CH 2) m -, - NH- (CH 2) m - is selected from M is 3 or 4, Y is a protonic acid group selected from a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, and a carboxyl group, and k is an integer of 1 to 4)

本発明は、かかる構成を有することにより、イオン交換容量を低下させずに電解質を架橋し、低加湿条件において高いプロトン伝導性を示し、耐水性に優れた電解質および該高分子電解質を用いた膜電極接合体ならびに燃料電池を低コストで提供することができる。また、電解質と架橋材料とが、プロトン酸基以外の部分を介して化学結合させているため、水素イオン交換容量を低下させずに架橋することができ、プロトン伝導性の低下が抑制される。   By having such a configuration, the present invention crosslinks an electrolyte without reducing the ion exchange capacity, exhibits high proton conductivity under low humidification conditions, and has excellent water resistance and a membrane using the polymer electrolyte An electrode assembly and a fuel cell can be provided at low cost. In addition, since the electrolyte and the cross-linking material are chemically bonded via a portion other than the proton acid group, the cross-linking can be performed without reducing the hydrogen ion exchange capacity, and a decrease in proton conductivity is suppressed.

上記プロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量が、1meq/g以上6meq/g以下であることが好ましい。かかる構成を有することにより、高いプロトン伝導性を示し、燃料電池の内部抵抗を低下させて高い出力密度を得ることができる。 The proton conductive polymer preferably has a hydrogen ion exchange capacity of 1 meq / g or more and 6 meq / g or less. By having such a configuration, high proton conductivity is exhibited, and the internal resistance of the fuel cell can be reduced to obtain a high output density.

上記架橋剤が、分子内に少なくとも2つのメチロール基を有することが好ましい。かかる構成を有することにより、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基を介さずに反応が進行するので、反応によってプロトン伝導性が損なわれない、というさらなる顕著な効果を奏することができる。   The crosslinking agent preferably has at least two methylol groups in the molecule. By having such a configuration, the reaction proceeds without going through the protonic acid group contained in the proton conductive polymer, and therefore, it is possible to achieve a further remarkable effect that the proton conductivity is not impaired by the reaction.

上記プロトン伝導性高分子と上記架橋剤とが、加熱により化学結合をすることが好ましい。かかる構成を有することにより、反応を加熱により容易に進行させることができるので、装置やプロセスなどが簡単になり、容易に経済的に反応を行うことができるというさらなる顕著な効果を奏することができる。   It is preferable that the proton conductive polymer and the crosslinking agent are chemically bonded by heating. By having such a configuration, since the reaction can be easily advanced by heating, the apparatus and the process are simplified, and a further remarkable effect that the reaction can be easily performed economically can be achieved. .

上記加熱温度が60℃以上250℃以下であることが好ましい。かかる構成を有する子ことにより、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基の離脱や分解反応を抑えて、反応を容易に進行させることができるというさらなる顕著な効果を奏することができる。   The heating temperature is preferably 60 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. By using the child having such a configuration, it is possible to obtain a further remarkable effect that the reaction can be easily advanced while suppressing the separation and decomposition reaction of the proton acid group contained in the proton conductive polymer.

また、本発明は、上記高分子電解質を用いた膜電極接合体である。本発明は、かかる構成を有することにより、電解質の劣化を抑制でき、燃料電池の長時間運転において高い発電特性および発電安定性を確保でき信頼性が向上するという顕著な効果を奏することができる。   Moreover, this invention is a membrane electrode assembly using the said polymer electrolyte. By having such a configuration, the present invention can suppress the deterioration of the electrolyte, and can achieve remarkable effects that high power generation characteristics and power generation stability can be ensured during long-time operation of the fuel cell and reliability can be improved.

さらに、本発明は、上記高分子電解質を用いた燃料電池である。本発明は、かかる構成を有することにより、電解質の劣化を抑制でき、さらに燃料電池の長時間運転において高い発電特性および発電安定性を確保でき信頼性が向上するという顕著な効果を奏することができる。   Furthermore, the present invention is a fuel cell using the above polymer electrolyte. By having such a configuration, the present invention can suppress the deterioration of the electrolyte, and can achieve a remarkable effect that high power generation characteristics and power generation stability can be ensured during long-time operation of the fuel cell and reliability can be improved. .

本発明の高分子電解質および該高分子電解質を用いた膜電極接合体ならびに燃料電池によれば、イオン交換容量を低下させずに電解質を架橋し、低加湿条件において高いプロトン伝導性を示し、耐水性に優れた電解質および該高分子電解質を用いた膜電極接合体ならびに燃料電池を低コストで提供することができる。   According to the polymer electrolyte of the present invention, the membrane electrode assembly using the polymer electrolyte, and the fuel cell, the electrolyte is cross-linked without decreasing the ion exchange capacity, exhibits high proton conductivity under low humidification conditions, It is possible to provide an electrolyte excellent in performance, a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte, and a fuel cell at low cost.

本発明の一実施形態にかかる高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極接合体の断面図Sectional drawing of the membrane electrode assembly which formed the electrode catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane concerning one Embodiment of this invention 本発明の一実施形態にかかる膜電極接合体を装着した燃料電池の単セルの構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the single cell of the fuel cell equipped with the membrane electrode assembly concerning one Embodiment of this invention.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の高分子電解質は、プロトン伝導性高分子と架橋剤とを、プロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を主成分として形成された架橋高分子電解質において、上記プロトン伝導性高分子が下記一般式(1)で示される構成単位を有することを特徴とする。

Figure 0005870495
(一般式(1)中、Aは−(CH2m−、−O−(CH2m−、−S−(CH2m−、−NH−(CH2m−から選択される連結基であり、mは3または4であり、Yはスルホン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基から選択されるプロトン酸基であり、kは1〜4の整数である) The polymer electrolyte of the present invention is a crosslinked polymer electrolyte formed mainly of a crosslinked polymer obtained by crosslinking a proton conducting polymer and a crosslinking agent via a portion other than a proton acid group. The proton conductive polymer has a structural unit represented by the following general formula (1).
Figure 0005870495
(In the formula (1), A is - (CH 2) m -, - O- (CH 2) m -, - S- (CH 2) m -, - NH- (CH 2) m - is selected from M is 3 or 4, Y is a protonic acid group selected from a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, and a carboxyl group, and k is an integer of 1 to 4)

上記一般式(1)に示される構成単位を有するプロトン伝導性高分子は、他の芳香族環などとの共重合体であっても特に問題はない。当該他の芳香族環の例としては、ベンゼン環やナフタレン環、フルオレン環、チオフェン環など、電子密度が高く本発明における架橋剤との反応性が高い芳香族環やその誘導体を例示することができる。また、本発明にかかる高分子電解質を得るための重合方法としては特に限定されず、たとえばランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合等の公知の重合方法を採用することができる。   The proton conductive polymer having the structural unit represented by the general formula (1) is not particularly problematic even if it is a copolymer with another aromatic ring or the like. Examples of the other aromatic rings include aromatic rings having high electron density and high reactivity with the crosslinking agent in the present invention, such as benzene rings, naphthalene rings, fluorene rings, and thiophene rings, and derivatives thereof. it can. Moreover, it does not specifically limit as a polymerization method for obtaining the polymer electrolyte concerning this invention, For example, well-known polymerization methods, such as random copolymerization, alternating copolymerization, and block copolymerization, are employable.

上記プロトン伝導性高分子におけるプロトン酸基の種類としては特に限定されず、たとえば、スルホン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基などを例示することができる。これらの中でも、解離定数、水への安定性などの観点から、スルホン酸基であることが好ましい。   The type of proton acid group in the proton conductive polymer is not particularly limited, and examples thereof include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, and a carboxyl group. Among these, a sulfonic acid group is preferable from the viewpoints of dissociation constant, stability to water, and the like.

本発明で用いるプロトン伝導性を有するプロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量としては、イオン伝導性の観点から、1meq/g以上6meq/g以下が好ましい。水素イオン交換容量が1meq/g未満の場合、プロトン伝導性が劣り、燃料電池に使用の際に内部抵抗が大きく出力密度が低下する傾向がある。一方、6meq/gを超える場合、プロトン伝導性高分子膜の耐水性が損なわれる傾向がある。   The hydrogen ion exchange capacity of the proton conductive polymer having proton conductivity used in the present invention is preferably 1 meq / g or more and 6 meq / g or less from the viewpoint of ion conductivity. When the hydrogen ion exchange capacity is less than 1 meq / g, the proton conductivity is inferior, and when used in a fuel cell, the internal resistance tends to be large and the output density tends to decrease. On the other hand, when it exceeds 6 meq / g, the water resistance of the proton conducting polymer membrane tends to be impaired.

なお、本発明のプロトン伝導性高分子は、機械的強度および耐水性を向上させるために、他の高分子と組み合わせて使用することが好ましい。他の高分子の具体例としては、たとえば、芳香族ポリエーテル、芳香族ポリエーテルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエーテルスルホン、芳香族ポリスルホン、芳香族ポリエーテルニトリル、芳香族ポリエーテルピリジン、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリアゾール、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネートなどを挙げることができる。これらの高分子はスルホン化されていても良く、スルホン化されていなくても良い。   The proton conductive polymer of the present invention is preferably used in combination with other polymers in order to improve mechanical strength and water resistance. Specific examples of other polymers include, for example, aromatic polyethers, aromatic polyether ketones, aromatic polyether ether ketones, aromatic polyether sulfones, aromatic polysulfones, aromatic polyether nitriles, aromatic polyethers. Examples thereof include pyridine, aromatic polyimide, aromatic polyamide, aromatic polyamideimide, aromatic polyazole, aromatic polyester, and aromatic polycarbonate. These polymers may be sulfonated or not sulfonated.

本発明で使用する架橋剤は、プロトン伝導性高分子のプロトン酸基を介さずにプロトン酸基以外の部分で反応を進行させることができる。架橋剤としては、反応前後においてプロトン伝導性材料のプロトン伝導性に変化を及ぼさないものであれば良く、特に限定されない。その中でも、芳香環に−CH2OHで示されるメチロール基が結合した構造を有する架橋剤(以下、「メチロール基を有する架橋剤」ともいう)は、加熱により容易にプロトン伝導性材料と反応が進行して化学結合するため、好ましい。 The crosslinking agent used in the present invention can cause the reaction to proceed at a portion other than the proton acid group without passing through the proton acid group of the proton conductive polymer. The crosslinking agent is not particularly limited as long as it does not change the proton conductivity of the proton conductive material before and after the reaction. Among them, a crosslinking agent having a structure in which a methylol group represented by —CH 2 OH is bonded to an aromatic ring (hereinafter also referred to as “crosslinking agent having a methylol group”) can easily react with a proton conductive material by heating. It is preferable because it proceeds and chemically bonds.

メチロール基を有する架橋剤の中でも、メチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物は、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基を介さずに反応が進行し、当該反応によってプロトン伝導性が損なわれず、かつ加熱により容易に反応が進行する点で好適に使用できる。   Among the cross-linking agents having a methylol group, a compound having at least two aromatic rings having a methylol group in the molecule proceeds without involving a protonic acid group contained in the proton-conducting polymer. Proton conductivity is not impaired, and it can be suitably used in that the reaction proceeds easily by heating.

上記反応方法としては、光照射法、加熱法、pH調整法などを用いることができるが、本発明で用いるプロトン伝導性高分子の溶液が酸性であるため、酸性下で反応するpH調整法が好ましい。   As the reaction method, a light irradiation method, a heating method, a pH adjustment method, and the like can be used. However, since the proton conductive polymer solution used in the present invention is acidic, a pH adjustment method that reacts under acidic conditions is used. preferable.

図1は、本発明の一実施形態にかかる高分子電解質膜12の両面に電極触媒層(空気極側)2および電極触媒層(燃料極側)3を形成した膜電極接合体の断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer (air electrode side) 2 and an electrode catalyst layer (fuel electrode side) 3 are formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 12 according to an embodiment of the present invention. is there.

図1に示されるように、高分子電解質膜1の両面に、常法により電極触媒層2(空気極側)および電極触媒層3(燃料極側)を接合、積層して膜電極接合体12が形成される。電極触媒層2および電極触媒層3は、それぞれ導電剤としてのカーボンブラック粒子と、反応触媒と、上記プロトン伝導性高分子または上記プロトン伝導性高分子と架橋剤とを反応させて上記プロトン伝導性高分子のプロトン酸基以外の部分を介して化学結合して得られる高分子電解質とから構成されている。なお、上記した空気極および燃料極は、それぞれ酸化剤ガスを供給する電極および燃料ガスを供給する電極をいい、図2において、それぞれ空気極6および燃料極7として示している。   As shown in FIG. 1, an electrode catalyst layer 2 (air electrode side) and an electrode catalyst layer 3 (fuel electrode side) are bonded and laminated on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 1 by a conventional method to form a membrane electrode assembly 12. Is formed. The electrode catalyst layer 2 and the electrode catalyst layer 3 respectively react with the carbon black particles as a conductive agent, a reaction catalyst, the proton conductive polymer, or the proton conductive polymer and a crosslinking agent to react with the proton conductive material. And a polymer electrolyte obtained by chemical bonding through a portion other than the protonic acid group of the polymer. The air electrode and the fuel electrode described above refer to an electrode for supplying an oxidant gas and an electrode for supplying a fuel gas, respectively, and are shown as an air electrode 6 and a fuel electrode 7 in FIG.

反応触媒としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属またはこれらの合金、または酸化物、複酸化物等を使用することができる。また、これらの反応触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下する傾向があるため、0.5〜20nm程度が好ましく、1〜5nm程度であることがより好ましい。   As reaction catalysts, platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or these metals An alloy, an oxide, a double oxide, or the like can be used. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of these reaction catalysts is too large, and there exists a tendency for the stability of a catalyst to fall when too small, about 0.5-20 nm is preferable, About 1-5 nm More preferably.

これらの反応触媒を担持する導電剤としては、一般的にはカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類としては、微粒子状で導電性を有し、触媒に侵されないものであれば特に限定されず、たとえばカーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等を使用することができる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりする傾向があるため、10〜1000nm程度が好ましく、10〜100nm程度であることがより好ましい。   Generally, carbon particles are used as the conductive agent supporting these reaction catalysts. The type of carbon particles is not particularly limited as long as it is in the form of fine particles and has conductivity and is not affected by the catalyst. For example, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene, etc. are used. be able to. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer tends to decrease or the utilization factor of the catalyst tends to decrease. About -1000 nm is preferable and it is more preferable that it is about 10-100 nm.

図2は、本発明の一実施形態にかかる膜電極接合体12を装着した燃料電池の単セルの構成を示す断面図である、図2に示されるように、膜電極接合体12の電極触媒層2(空気極側)および電極触媒層3(燃料極側)と対向して、それぞれカーボンペーパーにカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の混合物を塗布した構造を持つガス拡散層4(空気極側)およびガス拡散層5(燃料極側)が配置されている。これにより、それぞれ空気極6および燃料極7が構成されてなる。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of a single cell of a fuel cell equipped with the membrane electrode assembly 12 according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the electrode catalyst of the membrane electrode assembly 12 is shown. Gas diffusion layer 4 (air) having a structure in which a mixture of carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) is applied to carbon paper, facing layer 2 (air electrode side) and electrode catalyst layer 3 (fuel electrode side). (Electrode side) and gas diffusion layer 5 (fuel electrode side) are arranged. Thereby, the air electrode 6 and the fuel electrode 7 are comprised, respectively.

図2に示されるように、セパレータ10は、ガス拡散層4(空気極側)およびガス拡散層5(燃料極側)に面して反応ガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えており、導電性を有し、かつ、ガス不透過性の材料よりなる。単セル11は、一対の上記セパレータ10により、膜電極接合体12が挟持された構成を有する。単セル11において、空気や酸素などの酸化剤ガスは、空気極6より供給され、水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料は、燃料極7より供給される。   As shown in FIG. 2, the separator 10 includes a gas flow path 8 for reaction gas distribution facing the gas diffusion layer 4 (air electrode side) and the gas diffusion layer 5 (fuel electrode side). A cooling water flow path 9 for circulating cooling water is provided on the surface, and it is made of a material that is electrically conductive and impermeable to gas. The single cell 11 has a configuration in which a membrane electrode assembly 12 is sandwiched between a pair of the separators 10. In the single cell 11, an oxidant gas such as air or oxygen is supplied from the air electrode 6, and a fuel gas containing hydrogen or an organic fuel is supplied from the fuel electrode 7.

本発明の膜電極接合体12の製造方法について説明する。まず、燃料ガスを均一に電極触媒層2および電極触媒層3に供給するための上記導電性多孔質体などからなるガス拡散層4およびガス拡散層5上に、反応触媒と、上記導電剤およびプロトン酸基を有するプロトン伝導性高分子からなるインキとを塗布し、その後、乾燥させることにより触媒電極層2および触媒電極層3を積層する。その後、この触媒電極層2および触媒電極層3により高分子電解質膜1を挟持して、熱圧着により接合して膜電極接合体12を製造する。ガス拡散層4およびガス拡散層5上に、上記インキを塗布する方法としては、特に限定されず、たとえばドクターブレード法、スクリーン印刷法、スプレー法などを採用することができる。   The manufacturing method of the membrane electrode assembly 12 of this invention is demonstrated. First, on the gas diffusion layer 4 and the gas diffusion layer 5 made of the conductive porous body for uniformly supplying the fuel gas to the electrode catalyst layer 2 and the electrode catalyst layer 3, the reaction catalyst, the conductive agent, The catalyst electrode layer 2 and the catalyst electrode layer 3 are laminated | stacked by apply | coating with the ink which consists of a proton conductive polymer which has a proton acid group, and drying after that. Thereafter, the polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched between the catalyst electrode layer 2 and the catalyst electrode layer 3 and joined by thermocompression bonding to produce a membrane electrode assembly 12. The method for applying the ink on the gas diffusion layer 4 and the gas diffusion layer 5 is not particularly limited, and for example, a doctor blade method, a screen printing method, a spray method, or the like can be employed.

また、膜電極接合体12の製造方法としては、高分子電解質膜1の両面に触媒電極層2および触媒電極層3を、転写やスプレー噴霧により作製し、その後、ガス拡散層4およびガス拡散層5で挟持する方法を用いても良い。   The membrane electrode assembly 12 is produced by producing the catalyst electrode layer 2 and the catalyst electrode layer 3 on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 by transfer or spray spraying, and then the gas diffusion layer 4 and the gas diffusion layer. Alternatively, a method of holding at 5 may be used.

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明は、これら実施例により何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited at all by these Examples.

(実施例1)
まず、下記一般式(2)で示されるプロトン伝導性高分子1gと、架橋剤の1、4−ベンゼンジメタノール(東京化成工業株式会社製)0.20gを有機溶媒中で混合させた。

Figure 0005870495
Example 1
First, 1 g of a proton conductive polymer represented by the following general formula (2) and 0.20 g of 1,4-benzenedimethanol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) as a crosslinking agent were mixed in an organic solvent.
Figure 0005870495

次に、作製した溶液をポリイミド基材上にキャスト法により成膜し、乾燥させた後、得られた膜を加熱プレスすることにより、反応を進行させて実施例1にかかるプロトン伝導性高分子電解質膜を得た。上記加熱プレスの条件は、プレス温度120℃、プレス時間3時間、プレス圧力60kgf/cm2とした。得られた高分子電解質膜を、水、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)に浸したところ、いずれも溶解しなかったことから、架橋していることを確認した。得られた高分子電解質膜のプロトン伝導度を測定した。結果を表1に示す。 Next, the produced solution is formed on a polyimide base material by a casting method, dried, and then the obtained film is heated and pressed to advance the reaction so that the proton conductive polymer according to Example 1 is used. An electrolyte membrane was obtained. The heating press conditions were a press temperature of 120 ° C., a press time of 3 hours, and a press pressure of 60 kgf / cm 2 . When the obtained polymer electrolyte membrane was immersed in water, dimethyl sulfoxide (DMSO), and dimethylformamide (DMF), none of them was dissolved, so that the polymer electrolyte membrane was confirmed to be crosslinked. The proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane was measured. The results are shown in Table 1.

(プロトン伝導度の測定)
電解質膜の交流抵抗は、10mm幅の短冊状のプロトン伝導膜試料の表面に、白金線を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求める。温度80℃、相対湿度95%および60%の環境下でインピーダンスを測定する。実施例1で得られた高分子電解質膜およびナフィオンの上記それぞれの湿度におけるプロトン伝導度の値を測定する。
(Measurement of proton conductivity)
The AC resistance of the electrolyte membrane is obtained from the measurement of AC impedance between platinum wires by pressing a platinum wire against the surface of a 10 mm-wide strip-shaped proton conducting membrane sample, holding the sample in a constant temperature and humidity device. Impedance is measured in an environment of temperature 80 ° C., relative humidity 95% and 60%. The proton conductivity values of the polymer electrolyte membrane and Nafion obtained in Example 1 at the respective humidity are measured.

Figure 0005870495
Figure 0005870495

実施例1で得られた高分子電解質膜は、温度80℃、相対湿度95%および60%の環境下でナフィオンとほぼ同等またはそれ以上の高いプロトン伝導度を示すことが判った。   It was found that the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1 exhibited a proton conductivity almost equal to or higher than that of Nafion in an environment of a temperature of 80 ° C., a relative humidity of 95% and 60%.

(比較例1)
架橋剤を添加しなかった以外は、実施例1と同様の方法で高分子電解質を調製した。得られた高分子電解質を上記の溶媒に浸したところ、溶解したことから架橋していないことを確認した。
(Comparative Example 1)
A polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1 except that no crosslinking agent was added. When the obtained polymer electrolyte was immersed in the above-mentioned solvent, it was confirmed that it was not crosslinked because it was dissolved.

本発明にかかる高分子電解質および該高分子電解質を用いた膜電極接合体ならびに燃料電池は、イオン交換容量を低下させずに電解質を架橋し、低加湿条件において高いプロトン伝導性を示し、耐水性に優れているため、たとえば燃料電池等の分野で好適に使用することができる。   The polymer electrolyte according to the present invention, the membrane electrode assembly using the polymer electrolyte, and the fuel cell crosslink the electrolyte without lowering the ion exchange capacity, exhibit high proton conductivity under low humidification conditions, For example, it can be suitably used in the field of fuel cells and the like.

1 高分子電解質
2、3 電極触媒層
4、5 ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレータ
11 単セル
12 膜電極接合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte 2, 3 Electrode catalyst layer 4, 5 Gas diffusion layer 6 Air electrode 7 Fuel electrode 8 Gas flow path 9 Cooling water flow path 10 Separator 11 Single cell 12 Membrane electrode assembly

Claims (8)

芳香環を有するプロトン伝導性高分子の芳香環が架橋剤により架橋された架橋高分子を主成分とする架橋高分子電解質において、
前記プロトン伝導性高分子が下記一般式(1)で示される構成単位を有することを特徴とする高分子電解質。
Figure 0005870495
(一般式(1)中、Aは−(CH2m−、−S−(CH2m−、−NH−(CH2m−から選択される連結基であり、mは3または4であり、Yはホスホン酸基、カルボキシル基から選択されるプロトン酸基であり、kは1〜4の整数である)
In a crosslinked polymer electrolyte mainly composed of a crosslinked polymer in which an aromatic ring of a proton conductive polymer having an aromatic ring is crosslinked by a crosslinking agent ,
The proton conductive polymer has a structural unit represented by the following general formula (1).
Figure 0005870495
(In General Formula (1), A is a linking group selected from — (CH 2 ) m —, —S— (CH 2 ) m —, and —NH— (CH 2 ) m —, and m is 3 or is 4, Y is a protonic acid group selected from a phosphonic acid group, mosquitoes carboxyl group, k is an integer from 1 to 4)
芳香環を有するプロトン伝導性高分子の芳香環が架橋剤により架橋された架橋高分子を主成分とする架橋高分子電解質において、
前記プロトン伝導性高分子が下記一般式(2)で示される構成単位を有することを特徴とする高分子電解質。
Figure 0005870495
In a crosslinked polymer electrolyte mainly composed of a crosslinked polymer in which an aromatic ring of a proton conductive polymer having an aromatic ring is crosslinked by a crosslinking agent ,
The proton conductive polymer has a structural unit represented by the following general formula (2).
Figure 0005870495
前記プロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量が、1meq/g以上6meq/g以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the proton-conductive polymer has a hydrogen ion exchange capacity of 1 meq / g or more and 6 meq / g or less. 前記架橋剤が、分子内に少なくとも2つのメチロール基を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the crosslinking agent has at least two methylol groups in the molecule. 前記プロトン伝導性高分子と前記架橋剤とが、加熱により化学結合をする性質を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の高分子電解質。 The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein the proton conductive polymer and the cross-linking agent have a property of being chemically bonded by heating. 加熱温度が60℃以上250℃以下であることを特徴とする請求項5記載の高分子電解質。   6. The polymer electrolyte according to claim 5, wherein the heating temperature is 60 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の高分子電解質を用いた膜電極接合体。   The membrane electrode assembly using the polymer electrolyte of any one of Claims 1-6. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の高分子電解質を用いた燃料電池。   The fuel cell using the polymer electrolyte of any one of Claims 1-6.
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