JP2006092810A - Electrolyte material, electrolyte membrane, catalyst paste, membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】耐酸化性に優れると共に、高い性能を発揮できる電解質材料を提供すること。
【解決手段】一般式:(XSiO1.5)n…(1):{nは6以上の整数;Xはアルキル基、スルホ基、フェニル基、カルボキシ基、アルコキシ基、−(OCmH2m)p−OCmH2m+1(mは自然数、Pは0以上の整数)並びにこれら置換基の一部水素がイオン交換基で置換された置換基から任意に選択される;Xは互いに独立して選択可能であり、少なくとも分子全体で一以上のイオン交換基を含む}で表される構造をもつポリシロキサン化合物を含有することを特徴とする。シルセスキオキサン骨格をもつ有機−無機のハイブリッド型の化合物は高い耐酸化性を示すことが判明し本発明を完成した。
【選択図】図1Disclosed is an electrolyte material having excellent oxidation resistance and high performance.
SOLUTION: General formula: (XSiO 1.5 ) n (1): {n is an integer of 6 or more; X is an alkyl group, a sulfo group, a phenyl group, a carboxy group, an alkoxy group, — (OC m H 2m ) p -OC m H 2m + 1 (m is a natural number, P is an integer of 0 or more) and a substituent in which a part of hydrogens of these substituents are replaced by an ion exchange group; And a polysiloxane compound having a structure represented by at least one molecule including one or more ion-exchange groups. The organic-inorganic hybrid compound having a silsesquioxane skeleton was found to exhibit high oxidation resistance, and the present invention was completed.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電解質材料並びにその電解質材料を採用した電解質膜、触媒ペースト、膜電極接合体及び燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte material and an electrolyte membrane, a catalyst paste, a membrane electrode assembly, and a fuel cell that employ the electrolyte material.
燃料電池に好適な電解質材料としてはパーフルオロ系電解質材料がある。パーフルオロ系電解質材料はナフィオン(商標)に代表され、燃料電池に一般的に採用される材料であり、耐酸化性に優れる材料である。燃料電池はその電極反応過程において、アノードで生成したプロトンが電解質膜を通してカソードに達したときに、カソード側に供給される酸素により酸化されて水を生成しているが、副反応としてヒドロキシラジカルを生成することが考えられ、そのヒドロキシラジカルは拡散して燃料電池の構成要素を分解するおそれがある。 An electrolyte material suitable for a fuel cell is a perfluoro-based electrolyte material. The perfluoro-based electrolyte material is represented by Nafion (trademark), and is a material generally employed in fuel cells, and is a material excellent in oxidation resistance. In the fuel cell, when protons produced at the anode reach the cathode through the electrolyte membrane during the electrode reaction process, they are oxidized by oxygen supplied to the cathode to produce water. The hydroxyl radicals may diffuse and decompose fuel cell components.
また、その樹脂骨格の性質上、撥水性構造をもつセグメントと親水性構造をもつセグメントとが混在しており撥水層と親水層とが相分離構造を採っている。このために、保水性及びガスの拡散性の機能をバランスよくもつ構造になっている。
しかしながら、パーフルオロ系電解質材料は燃料電池に適用した場合の性能は高いものの、複雑なプロセスを経て合成される材料であること及びフッ素含有量が高いことから非常にコストが高くなっており、燃料電池普及の障害になっている。 However, although perfluoro-based electrolyte material has high performance when applied to a fuel cell, it is a material synthesized through a complicated process and has a high fluorine content, so the cost is very high. It is an obstacle to the spread of batteries.
本発明は上記実状に鑑み為されたものであり、耐酸化性に優れると共に、高い性能を発揮できる電解質材料を提供することを解決すべき課題とする。また、その電解質材料を採用した電解質膜、触媒ペースト、膜電極接合体及び燃料電池を提供することも解決すべき課題とする。 This invention is made | formed in view of the said actual condition, and makes it the subject which should be solved to provide the electrolyte material which can exhibit high performance while being excellent in oxidation resistance. Another object to be solved is to provide an electrolyte membrane, a catalyst paste, a membrane electrode assembly, and a fuel cell that employ the electrolyte material.
上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意検討を行った結果、以下の発明を完成した。すなわち、本発明の電解質材料は、一般式:(XSiO1.5)n…(1):{nは6以上の整数;Xはアルキル基、スルホ基、フェニル基、カルボキシ基、アルコキシ基、−(OCmH2m)p−OCmH2m+1(mは自然数、Pは0以上の整数)並びにこれら置換基の一部水素がイオン交換基で置換された置換基から任意に選択される;Xは互いに独立して選択可能であり、少なくとも分子全体で一以上のイオン交換基を含む}で表される構造をもつポリシロキサン化合物を含有することを特徴とする。なお、前記nが8、Xがフェニル基又はスルホ化されたフェニル基であって、イオン交換容量が6.14meq/g未満であることが望ましい。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied and, as a result, completed the following invention. That is, the electrolyte material of the present invention has a general formula: (XSiO 1.5 ) n (1): {n is an integer of 6 or more; X is an alkyl group, a sulfo group, a phenyl group, a carboxy group, an alkoxy group, — (OC m H 2m ) p -OC m H 2m + 1 (m is a natural number, P is an integer of 0 or more) and a substituent in which a part of hydrogens of these substituents are substituted with an ion exchange group; Can be selected independently from each other, and is characterized by containing a polysiloxane compound having a structure represented by at least one molecule including one or more ion-exchange groups. It is desirable that n is 8, X is a phenyl group or a sulfonated phenyl group, and the ion exchange capacity is less than 6.14 meq / g.
また、上記課題を解決する本発明のその他の電解質材料は、一般式:(YSiO1.5)n…(2):{nは6以上の整数;Yはアルキル基、スルホ基、フェニル基、カルボキシ基、アルコキシ基、−(OCmH2m)p−OCmH2m+1(mは自然数、Pは0以上の整数)並びにこれら置換基の一部水素がイオン交換基で置換された置換基から任意に選択される;Yは互いに独立して選択可能であり、一以上のイオン交換基を含み且つ一以上の重合性基を分子全体で含む}で表される構造をもつポリシロキサン単量体と、該ポリシロキサン単量体が備える該重合性基と重合しうる重合性基をもち任意に添加される一種以上の添加単量体と、を共重合させることで合成し得る重合体材料を含有することを特徴とする。ここで、添加単量体の添加は任意である。 The other electrolyte material of the present invention that solves the above problems is represented by the general formula: (YSiO 1.5 ) n (2): {n is an integer of 6 or more; Y is an alkyl group, a sulfo group, a phenyl group, a carboxy group , An alkoxy group, — (OC m H 2m ) p —OC m H 2m + 1 (m is a natural number, P is an integer of 0 or more) and a substituent in which a part of hydrogens of these substituents are substituted with ion exchange groups. A polysiloxane monomer having a structure represented by: Y can be independently selected from each other, and includes one or more ion-exchange groups and one or more polymerizable groups in the whole molecule} And a polymer material that can be synthesized by copolymerizing the polymerizable group included in the polysiloxane monomer and one or more additive monomers that are optionally added and have a polymerizable group that can be polymerized. It is characterized by containing. Here, the addition of the additional monomer is optional.
本発明者らは耐酸化性の高い材料を探索した結果、シルセスキオキサン骨格をもつ有機−無機のハイブリッド型の化合物に着目した。シルセスキオキサン骨格をもつ有機−無機のハイブリッド型の化合物は高い耐酸化性を示すことが判明した。なお、本明細書中、「イオン交換基」とは酸性基であり、本発明のイオン伝導性材料の使用条件においてイオン交換能を発揮できる官能基である。特に強酸性基が好ましい。 As a result of searching for a material having high oxidation resistance, the present inventors focused on an organic-inorganic hybrid type compound having a silsesquioxane skeleton. It has been found that an organic-inorganic hybrid compound having a silsesquioxane skeleton exhibits high oxidation resistance. In the present specification, the “ion exchange group” is an acidic group and is a functional group that can exhibit ion exchange ability under the use conditions of the ion conductive material of the present invention. Particularly strongly acidic groups are preferred.
そして、上記課題を解決する本発明の電解質膜は前述した本発明の電解質材料と、その電解質材料を含浸する多孔質膜とを有することを特徴とする。前述の電解質材料は多孔質膜中に含浸されることで充分な機械的強度が与えられる。多孔質膜としてはポリイミドから構成されることが好ましい。また、上記課題を解決する本発明の触媒ペーストは前述した本発明の電解質材料と、触媒とを有することを特徴とする。 And the electrolyte membrane of this invention which solves the said subject has the electrolyte material of this invention mentioned above, and the porous membrane which impregnates the electrolyte material, It is characterized by the above-mentioned. Sufficient mechanical strength is given by impregnating the above-mentioned electrolyte material in the porous membrane. The porous membrane is preferably composed of polyimide. Moreover, the catalyst paste of the present invention that solves the above-described problems includes the above-described electrolyte material of the present invention and a catalyst.
更に、上記課題を解決する本発明の膜電極接合体は、電解質膜と、該電解質膜の両面に積層される触媒層と、該触媒層の該電解質膜の反対側に積層される拡散層とを有する燃料電池用の膜電極接合体であって、前記電解質膜が前述した本発明の電解質膜であること及び/又は前記触媒層が前述した本発明の触媒ペーストから形成される層であることを特徴とする。そして、上記課題を解決する本発明の燃料電池は、この本発明の膜電極接合体を有することを特徴とする。 Furthermore, the membrane electrode assembly of the present invention that solves the above problems includes an electrolyte membrane, a catalyst layer laminated on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion layer laminated on the opposite side of the catalyst layer to the electrolyte membrane. A membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the electrolyte membrane is the electrolyte membrane of the present invention described above and / or the catalyst layer is a layer formed from the catalyst paste of the present invention described above. It is characterized by. And the fuel cell of this invention which solves the said subject has this membrane electrode assembly of this invention, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の電解質材料及び触媒ペーストは、耐酸化性とプロトン伝導性とを両立することができる。本発明の電解質膜及び膜電極接合体は、耐酸化性とプロトン伝導性とを両立できると共に充分な強度を付与することができる。本発明の燃料電池は高い耐久性と性能とを両立できる。 The electrolyte material and catalyst paste of the present invention can achieve both oxidation resistance and proton conductivity. The electrolyte membrane and membrane electrode assembly of the present invention can achieve both oxidation resistance and proton conductivity and can provide sufficient strength. The fuel cell of the present invention can achieve both high durability and performance.
(電解質材料)
(第1実施形態)
本実施形態の電解質材料はポリシロキサン化合物とその他必要に応じて混合される材料とを含有することを特徴とする。
(Electrolyte material)
(First embodiment)
The electrolyte material of this embodiment is characterized in that it contains a polysiloxane compound and other materials mixed as necessary.
ポリシロキサン化合物は前記一般式(1)で表される構造をもつ化合物である。一般式(1)で表されるポリシロキサン化合物は(XSiO1.5)で表される繰り返し単位がn個結合した化合物である。つまり、理想的な化学構造としては、ケイ素原子がもつ4つの共有結合のうち、3つが酸素原子を介して他のケイ素原子と結合し、残りの一つにXで表される官能基が結合した化合物であり、ケイ素原子間の結合様式によっては種々の構造を採りうる。 The polysiloxane compound is a compound having a structure represented by the general formula (1). The polysiloxane compound represented by the general formula (1) is a compound in which n repeating units represented by (XSiO 1.5 ) are bonded. In other words, as an ideal chemical structure, of the four covalent bonds of a silicon atom, three are bonded to other silicon atoms through oxygen atoms, and the functional group represented by X is bonded to the remaining one. Depending on the bonding mode between silicon atoms, various structures can be adopted.
一般式(1)で表されるポリシロキサン化合物の骨格としては、ケイ素原子間の結合に明確な規則性を示さないランダム構造、下記一般式(3)で表される化合物にて代表できるラダー構造、一般式(4)で表される化合物(T3 8)にて代表できる完全縮合ケージ構造、不完全縮合ケージ構造が挙げられる。不完全縮合ケージ構造としては完全縮合ケージ構造における一部のケイ素原子間の結合が加水分解されている構造(一般式(4):T3 6T2 2)や、一部のケイ素原子が欠損している構造(一般式(5):T3 4T2 3)が例示できる。 As a skeleton of the polysiloxane compound represented by the general formula (1), a random structure that does not show a clear regularity in the bond between silicon atoms, or a ladder structure that can be represented by a compound represented by the following general formula (3) And a fully condensed cage structure and an incompletely condensed cage structure which can be represented by the compound (T 3 8 ) represented by the general formula (4). Incompletely condensed cage structures include structures in which the bonds between some silicon atoms in the fully condensed cage structure are hydrolyzed (general formula (4): T 3 6 T 2 2 ), and some silicon atoms are missing. The structure (general formula (5): T 3 4 T 2 3 ) can be illustrated.
不完全縮合ケージ構造は一般式(1)で表されるポリシロキサン化合物には厳密には当てはまらないとも考えられるが、この程度の構造欠陥は想定内である。つまり、一般式(1)は、前述したように、それぞれのケイ素原子の4つの共有結合のうちの3つで酸素原子を介して他のケイ素原子に結合するとともに残りの1つでXと結合している繰り返し構造をもつことを規定しているが、一般的に重合体の末端部などの境界部分の構造は一般式で表される化学構造がそのまま妥当しないことが多いからである。このことは、後述する一般式(2)で表されるポリシロキサン単量体についても妥当する。 Although it is considered that the incomplete condensation cage structure does not strictly apply to the polysiloxane compound represented by the general formula (1), such a structural defect is within the assumption. That is, in general formula (1), as described above, three of the four covalent bonds of each silicon atom are bonded to another silicon atom via an oxygen atom, and the remaining one is bonded to X. This is because the chemical structure represented by the general formula is often not valid as it is for the structure of the boundary portion such as the terminal portion of the polymer in general. This also applies to the polysiloxane monomer represented by the general formula (2) described later.
Xはアルキル基、スルホ基、フェニル基、カルボキシ基、アルコキシ基、−(OCmH2m)p−OCmH2m+1(mは自然数、Pは0以上の整数)並びにこれら置換基の一部水素がイオン交換基で置換された置換基から任意に選択される。そして、Xは互いに独立して選択可能であり、少なくとも分子全体で一以上のイオン交換基を含んでいる。イオン交換基としてはスルホ基、カルボキシ基、リン酸基などが例示でき、特に強酸性のスルホ基が好ましい。イオン交換基の導入量はプロトン伝導性向上の観点からは多いことが好ましく、電解質材料の安定性(水への溶解性など)の観点からは少ないことが好ましい。例えば、イオン交換基がスルホ基の場合に、イオン交換基の導入量の平均値として、ケイ素原子1つあたり0.125〜1.625程度が好ましい。 X is an alkyl group, a sulfo group, a phenyl group, a carboxy group, an alkoxy group, - (OC m H 2m) p -OC m H 2m + 1 (m is a natural number, P is an integer of 0 or more) of as well as their substituent one Partial hydrogen is arbitrarily selected from substituents substituted with ion exchange groups. X can be selected independently from each other, and contains at least one ion exchange group in the whole molecule. Examples of the ion exchange group include a sulfo group, a carboxy group, and a phosphate group, and a strongly acidic sulfo group is particularly preferable. The amount of ion exchange groups introduced is preferably large from the viewpoint of improving proton conductivity, and is preferably small from the viewpoint of the stability (solubility in water, etc.) of the electrolyte material. For example, when the ion exchange group is a sulfo group, the average value of the introduction amount of the ion exchange group is preferably about 0.125 to 1.625 per silicon atom.
また、イオン交換容量を基準にすると、 0.8meq/g以上、6.2meq/g以下が好ましい。特に一般式(1)におけるnが8、Xがフェニル基又はスルホ化されたフェニル基である場合には、イオン交換容量が6.14meq/g未満にすることが望ましい。一般式(1)におけるnが8、Xがフェニル基又はスルホ化されたフェニル基である場合のイオン交換容量の上限値としては、更に5.5meq/g以下、5.0meq/g以下、4.5meq/g以下、4.0meq/g以下、3.9meq/g以下などの値が好ましい値として採用できる。下限としては1.0meq/g以上、1.17meq/g超などの値が好ましい値として採用できる。なお、上限値及び下限値の組み合わせは任意である。 Further, based on the ion exchange capacity, 0.8 meq / g or more and 6.2 meq / g or less is preferable. In particular, when n in the general formula (1) is 8, and X is a phenyl group or a sulfonated phenyl group, the ion exchange capacity is preferably less than 6.14 meq / g. As the upper limit of the ion exchange capacity when n in the general formula (1) is 8, and X is a phenyl group or a sulfonated phenyl group, it is further 5.5 meq / g or less, 5.0 meq / g or less, 4 A value such as 0.5 meq / g or less, 4.0 meq / g or less, 3.9 meq / g or less can be adopted as a preferable value. As the lower limit, a value such as 1.0 meq / g or more and more than 1.17 meq / g can be adopted as a preferable value. The combination of the upper limit value and the lower limit value is arbitrary.
具体的なポリシロキサン化合物としては、C48H40O12Si8(一般式(1)及び(4)におけるXがすべてフェニル基であり、nが8である化合物)において、X(フェニル基)の一部をスルホ化した化合物や、C72H60O18Si12(一般式(1)及び(4)におけるXがすべてフェニル基であり、nが12である化合物)において、X(フェニル基)の一部をスルホ化した化合物が例示できる。両者共に完全縮合ケージ構造をもつポリシロキサン化合物である。 Specific examples of polysiloxane compounds include C 48 H 40 O 12 Si 8 (compounds in which X in the general formulas (1) and (4) are all phenyl groups and n is 8), and X (phenyl group) And a compound obtained by sulfonation of a part thereof, or C 72 H 60 O 18 Si 12 (a compound in which X in the general formulas (1) and (4) is all a phenyl group and n is 12), And a compound obtained by sulfonating a part of). Both are polysiloxane compounds having a fully condensed cage structure.
一般式(1)のポリシロキサン化合物の製造方法は特に限定しない。例えば、対応するXの官能基を有する3官能性シラン(SiX(OH)3)を混合して脱水反応を行うことにより合成できる。シランへのXの官能基の導入は常法が採用できる。 The manufacturing method of the polysiloxane compound of General formula (1) is not specifically limited. For example, it can be synthesized by mixing a trifunctional silane (SiX (OH) 3 ) having a corresponding X functional group and performing a dehydration reaction. A conventional method can be adopted for introducing the functional group of X into silane.
更に本実施形態の電解質材料は一般式(1)で表されるポリシロキサン化合物のほか、その他必要に応じて混合される材料として、他の電解質材料を含有することができる。例えば、パーフルオロ系電解質材料(ナフィオンなど)、炭化水素系電解質材料(一部の水素原子がフッ素に置換されているものも含む。例.スルホ基が導入されたポリスチレン)及びその他の無機系電解質材料(ケイタングステン酸などのヘテロポリ酸など)などである。これらの他の電解質材料は一般式(1)で表されるポリシロキサン化合物と均一に分散・混合されていることが好ましい。 Furthermore, in addition to the polysiloxane compound represented by the general formula (1), the electrolyte material of the present embodiment can contain other electrolyte materials as materials to be mixed as necessary. For example, perfluoro-based electrolyte materials (such as Nafion), hydrocarbon-based electrolyte materials (including those in which some hydrogen atoms are replaced by fluorine, eg, polystyrene having a sulfo group introduced), and other inorganic electrolytes Materials (heteropoly acids such as silicotungstic acid) and the like. These other electrolyte materials are preferably uniformly dispersed and mixed with the polysiloxane compound represented by the general formula (1).
(第2実施形態)
本実施形態の電解質材料は重合体材料とその他必要に応じて混合される材料とを含有することを特徴とする。
(Second Embodiment)
The electrolyte material of the present embodiment is characterized by containing a polymer material and other materials mixed as necessary.
重合体材料はポリシロキサン単量体と、そのポリシロキサン単量体が備える重合性基と重合しうる重合性基をもち任意に添加される一種以上の添加単量体と、を共重合させることで合成し得る重合体材料を含有する。 The polymer material is obtained by copolymerizing a polysiloxane monomer and one or more additive monomers optionally added having a polymerizable group and a polymerizable group included in the polysiloxane monomer. It contains a polymeric material that can be synthesized by
ポリシロキサン単量体は一般式(2)で表される構造をもつ化合物である。一般式(2)で表されるポリシロキサン化合物は(YSiO1.5)で表される繰り返し単位がn個結合した化合物である。本構造は、Yがそのうちの少なくとも1つに重合性基を有する点が異なっている以外には、一般式(1)で表されるポリシロキサン化合物{(XSiO1.5)n}と概略同一であるので更なる説明は省略する。重合体にした結果、水に対する安定性を一般式(2)におけるポリシロキサン骨格の部分のイオン交換基の導入量に拘わらず向上させることができる。特に後述する添加単量体などを選択することで3次元網目構造などを採用することで水に対する安定性を大きく向上できる。 The polysiloxane monomer is a compound having a structure represented by the general formula (2). The polysiloxane compound represented by the general formula (2) is a compound in which n repeating units represented by (YSiO 1.5 ) are bonded. This structure is substantially the same as the polysiloxane compound {(XSiO 1.5 ) n } represented by the general formula (1) except that Y has a polymerizable group in at least one of them. Therefore, further explanation is omitted. As a result of forming a polymer, the stability to water can be improved regardless of the amount of ion exchange groups introduced into the polysiloxane skeleton portion in the general formula (2). In particular, the stability to water can be greatly improved by adopting a three-dimensional network structure or the like by selecting an additive monomer described later.
重合基としてはビニル基、カルボキシ基、OH基などの通常の官能基が選択できる。ビニル基を採用した場合にはラジカル重合などを行うことができ、カルボキシ基、OH基などではホスゲン、ジイソシアネートなどを添加することで重合させることができる。カルボキシ基、OH基などは一般式(2)で表されるポリシロキサン単量体単位が1つあたり2以上導入する。例えば本実施形態の電解質材料は一般式(7)で表されるような化学構造をもつ。 Usual functional groups such as vinyl group, carboxy group, and OH group can be selected as the polymerizing group. When a vinyl group is employed, radical polymerization or the like can be performed, and carboxy or OH group can be polymerized by adding phosgene, diisocyanate, or the like. Two or more polysiloxane monomer units represented by the general formula (2) are introduced per carboxyl group or OH group. For example, the electrolyte material of this embodiment has a chemical structure represented by the general formula (7).
添加単量体は、前述したように、本実施形態の電解質材料の水に対する安定性を調節したり、電解質材料の疎水性−親水性のバランスを調節したり、物理的特性を向上するなどの目的で選択されて添加される。添加単量体はポリシロキサン単量体がもつ重合性基に対応する重合性基が導入された化合物である。ポリシロキサン単量体がビニル基を有する場合にはスチレン、ジビニルベンゼンなどのビニル単量体が例示でき、重合性基がOH基やカルボキシ基の場合には、グリコールや二価のフェノール、ジカルボン酸などが挙げられる。添加単量体はランダム共重合、ブロック共重合などでポリシロキサン単量体とともに重合体を構成する。例えば添加単量体(CH2=CHZ)を含む場合の本実施形態の電解質材料は一般式(8)で表されるような化学構造をもつ。 As described above, the additive monomer adjusts the stability of the electrolyte material of the present embodiment with respect to water, adjusts the hydrophobic-hydrophilic balance of the electrolyte material, and improves physical properties. Selected for purpose and added. The additive monomer is a compound in which a polymerizable group corresponding to the polymerizable group of the polysiloxane monomer is introduced. When the polysiloxane monomer has a vinyl group, vinyl monomers such as styrene and divinylbenzene can be exemplified. When the polymerizable group is an OH group or a carboxy group, glycol, divalent phenol, or dicarboxylic acid is used. Etc. The added monomer forms a polymer together with the polysiloxane monomer by random copolymerization or block copolymerization. For example, when the additive monomer (CH 2 = CHZ) is included, the electrolyte material of this embodiment has a chemical structure represented by the general formula (8).
(電解質膜)
本実施形態の電解質膜は電解質材料と多孔質膜とを有する。電解質材料は前述した本実施形態の電解質材料をそのまま採用できるので、ここでの更なる説明は省略する。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane of this embodiment has an electrolyte material and a porous membrane. Since the electrolyte material of the present embodiment described above can be employed as it is as the electrolyte material, further explanation is omitted here.
多孔質膜は膜の表裏面を連通する多数の孔をもつ薄膜である。この孔内に電解質材料が含浸されている。多孔質膜の空孔率はプロトン伝導性の観点からは高いことが好ましい。また、膜の強度の観点からはある程度以下の値に制限することが好ましい。例えば、多孔質膜の空孔率は20%〜90%程度にすることが好ましく、40%〜70%程度にすることがより好ましい。 The porous film is a thin film having a large number of pores communicating with the front and back surfaces of the film. The pores are impregnated with an electrolyte material. The porosity of the porous membrane is preferably high from the viewpoint of proton conductivity. Further, from the viewpoint of the strength of the film, it is preferable to limit it to a value below to some extent. For example, the porosity of the porous film is preferably about 20% to 90%, and more preferably about 40% to 70%.
多孔質膜は有機、無機を問わず高分子材料から構成されることが好ましい。高分子材料としては燃料電池内の環境下で化学的及び物理的安定性の高い材料が望ましい。例えばエンジニアリングプラスチック(ポリイミド、フッ素樹脂など)、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレンなど)などの有機高分子材料、炭素材料(カーボンペーパー、多孔質カーボンなど)、セラミクス材料(ガラス、アルミナなど)を採用することができる。特に膜の強度に優れ且つ可撓性の高い有機高分子材料(ポリイミドなど)を採用することが好ましい。 The porous membrane is preferably composed of a polymer material regardless of organic or inorganic. As the polymer material, a material having high chemical and physical stability under the environment in the fuel cell is desirable. For example, organic polymer materials such as engineering plastics (polyimide, fluororesin, etc.), polyolefins (polyethylene, polypropylene, etc.), carbon materials (carbon paper, porous carbon, etc.), ceramic materials (glass, alumina, etc.) may be adopted. it can. In particular, it is preferable to employ an organic polymer material (such as polyimide) having excellent film strength and high flexibility.
これらの材料に孔を形成する方法としては常法が採用できる。例えば、孔のない膜を延伸する方法(高分子材料など)、繊維状にした後に不織布若しくは織布にする方法(高分子材料、炭素材料、セラミクス材料など)、溶解除去できる微粉末を混練などして分散させた後に製膜し微粉末を溶解除去する方法(高分子材料、炭素材料、セラミクス材料など)、機械的方法などが例示できる。 As a method for forming holes in these materials, conventional methods can be employed. For example, a method of stretching a film without pores (polymer material, etc.), a method of forming a non-woven fabric or woven fabric after making it into a fiber (polymer material, carbon material, ceramic material, etc.), kneading fine powder that can be dissolved and removed, etc. Examples thereof include a method of forming a film after dispersion and dissolving and removing fine powder (polymer material, carbon material, ceramic material, etc.), a mechanical method, and the like.
電解質材料は固体状の材料を採用することが好ましい。固体状の電解質材料を加熱により溶融した状態乃至は溶媒により溶解した状態にて多孔質膜中に浸透乃至は圧入することで孔内に含浸させ、その後、液状にした電解質材料は冷却乃至は乾燥により固体状に戻すことで安定した膜が形成できる。 The electrolyte material is preferably a solid material. The solid electrolyte material is impregnated into the pores by permeating or press-fitting into the porous membrane in a state melted by heating or dissolved in a solvent, and then the liquid electrolyte material is cooled or dried. Thus, a stable film can be formed by returning to a solid state.
(触媒ペースト及び膜電極接合体)
本実施形態の触媒ペーストは電解質材料と触媒とを有する。触媒ペーストは適正な溶媒などを含有させることが好ましい。本触媒ペーストを電解質膜や拡散層に塗布することで触媒層を形成できる。電解質材料は前述した本実施形態の電解質材料をそのまま採用できるので、ここでの更なる説明は省略する。触媒は、一般的に担持粉末に触媒を担持させた触媒担持粉末として使用される。触媒としては白金や白金に他の元素(ルテニウム、パラジウムなど)を合金化させた貴金属触媒などが使用される。担持粉末としてはカーボン粉末などが使用される。担持粉末としてカーボン粉末、触媒として白金を使用した白金担持カーボンが汎用される。白金担持カーボンの白金は他の元素と合金化されていても良く、また、他の元素と混合して用いることもできる。触媒は、担持粉末を使用せずに、触媒自身を粉末として使用しても良い。
(Catalyst paste and membrane electrode assembly)
The catalyst paste of this embodiment has an electrolyte material and a catalyst. The catalyst paste preferably contains an appropriate solvent. A catalyst layer can be formed by applying this catalyst paste to an electrolyte membrane or a diffusion layer. Since the electrolyte material of the present embodiment described above can be employed as it is as the electrolyte material, further explanation is omitted here. The catalyst is generally used as a catalyst-supported powder in which a catalyst is supported on a supported powder. As the catalyst, platinum or a noble metal catalyst obtained by alloying platinum with another element (ruthenium, palladium, etc.) is used. Carbon powder or the like is used as the support powder. Platinum-supported carbon using carbon powder as the support powder and platinum as the catalyst is widely used. Platinum of the platinum-supporting carbon may be alloyed with other elements, or may be used by mixing with other elements. The catalyst itself may be used as a powder without using the supported powder.
本実施形態の膜電極接合体は電解質膜と触媒層と拡散層とを有する。ここで、電解質膜は主に膜厚方向でのプロトン伝導性を示す部材であり、触媒層は酸化還元反応を触媒する部材であり、そして拡散層は燃料ガスや空気などの気体及び水分の透過性に優れ、電気及び熱の伝導性をも発揮できる部材である。拡散層は表面処理したカーボンペーパーなどから構成されるものが知られている。触媒層は電解質膜及び/又は拡散層の表面に触媒ペーストを塗布することで形成することができる。本膜電極接合体は、電解質膜に対して本実施形態の電解質膜を採用するか、及び/又は触媒層に対して本実施形態の触媒ペーストから形成される層を採用している。 The membrane electrode assembly of this embodiment has an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a diffusion layer. Here, the electrolyte membrane is a member that mainly exhibits proton conductivity in the film thickness direction, the catalyst layer is a member that catalyzes the oxidation-reduction reaction, and the diffusion layer is permeable to gases such as fuel gas and air and moisture. It is a member that has excellent properties and can also exhibit electrical and thermal conductivity. The diffusion layer is known to be composed of surface-treated carbon paper or the like. The catalyst layer can be formed by applying a catalyst paste on the surface of the electrolyte membrane and / or the diffusion layer. The membrane electrode assembly employs the electrolyte membrane of the present embodiment for the electrolyte membrane and / or a layer formed from the catalyst paste of the present embodiment for the catalyst layer.
(燃料電池)
本実施形態の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池である。本実施形態の燃料電池としては燃料電池セルを単独で用いているか又は複数積層したスタックを形成しているものである。燃料電池セルは、前述の本実施形態の膜電極接合体を有し、その膜電極接合体をセパレータで狭持している。
(Fuel cell)
The fuel cell of this embodiment is a solid polymer electrolyte fuel cell. As the fuel cell of this embodiment, a fuel cell is used alone or a stack in which a plurality of layers are stacked is formed. The fuel cell has the membrane electrode assembly of the present embodiment described above, and the membrane electrode assembly is sandwiched between separators.
セパレータは一般的に使用されている材質、形態のものが使用できる。セパレータには燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路が形成され、ガス供給装置が接続される。 The separator can be of a generally used material and form. A flow path through which the fuel gas or oxidant gas flows is formed in the separator, and a gas supply device is connected to the separator.
(合成例1〜5)
C48H40O12Si8:(C6H5SiO1.5)8(オクタフェニルPOSS(オリゴシルセスキオキサン;poly oligomeric silsesquioxane)、アルドリッチ製、品番52,682-7)7g(合成例1、2、4及び5)又はC72H60O18Si12:(C6H5SiO1.5)12(ドデカフェニルPOSS、アルドリッチ製、品番54,420-5)7g(合成例3)を1,2−ジクロロエタン150mLで分散懸濁した溶液を撹拌しながら60℃に加温し、表1に示す量のクロロスルホン酸を添加した後、60℃で2時間加温した。
(Synthesis Examples 1-5)
C 48 H 40 O 12 Si 8 : (C 6 H 5 SiO 1.5 ) 8 (octaphenyl POSS (poly oligomeric silsesquioxane), manufactured by Aldrich, product number 52,682-7) 7 g (Synthesis Examples 1, 2 4 and 5) or C 72 H 60 O 18 Si 12 : (C 6 H 5 SiO 1.5 ) 12 (Dodecaphenyl POSS, manufactured by Aldrich, product number 54,420-5) 7 g (Synthesis Example 3) in 150 mL of 1,2-dichloroethane The dispersed and suspended solution was heated to 60 ° C. with stirring, and after adding an amount of chlorosulfonic acid shown in Table 1, the solution was heated at 60 ° C. for 2 hours.
その後、室温になるまで放置冷却して生成した沈殿をろ取後、1,2−ジクロロエタンにて洗浄して真空乾燥させることで一般式(1)で表されるポリシロキサン化合物(Xがフェニル(一部スルホ化されている);nは合成例1、2、3及び5が8、合成例3が12)を得た。この生成物のイオン交換容量は合成例1:3.88meq/g、合成例2:2.11meq/g、合成例3:.75meq/g、合成例4:6.14meq/g及び合成例5:1.17meq/gであった。 Thereafter, the precipitate formed by allowing to cool to room temperature is collected by filtration, washed with 1,2-dichloroethane and vacuum-dried, whereby the polysiloxane compound represented by the general formula (1) (X is phenyl ( Partially sulfonated); n was 8 in Synthesis Examples 1, 2, 3, and 5 and 12) in Synthesis Example 3. The product has ion exchange capacities of Synthesis Example 1: 3.88 meq / g, Synthesis Example 2: 2.11 meq / g, Synthesis Example 3:. The results were 75 meq / g, Synthesis Example 4: 6.14 meq / g, and Synthesis Example 5: 1.17 meq / g.
イオン交換容量の測定は、以下の方法で行った。まず、試験試料についてイオン交換基をH型に置換した後、100mlビーカーに、評価試料を0.05gを精密天秤で秤量し、20mLのエタノールに溶解した。 The ion exchange capacity was measured by the following method. First, after replacing the ion exchange group with the H type for the test sample, 0.05 g of the evaluation sample was weighed with a precision balance in a 100 ml beaker and dissolved in 20 mL of ethanol.
指示薬としてフェノールフタレインを1滴を溶解液中に滴下して0.05mol/L水酸化ナトリウム水溶液にて滴定を行った。滴定の終点は溶解液が赤く変色した状態が数秒間保持した時点とした。水酸化ナトリウム水溶液の滴定量から下式にてイオン交換容量を算出した。 One drop of phenolphthalein as an indicator was dropped into the solution and titrated with a 0.05 mol / L sodium hydroxide aqueous solution. The end point of the titration was the time when the state of the dissolved solution turned red was held for several seconds. The ion exchange capacity was calculated from the titration of the aqueous sodium hydroxide solution using the following formula.
(イオン交換容量)(meq/g)=(0.05×滴定量(ml))/(溶解させた試験試料の乾燥質量(g)) (Ion exchange capacity) (meq / g) = (0.05 × Titration volume (ml)) / (Dry mass of dissolved test sample (g))
(合成例6)
窒素雰囲気下、過酸化ベンゾイル0.2gを200mLのスチレンに溶解した溶液を90℃に加熱したキシレン200mL中に3時間要して撹拌しながら滴下した。滴下終了後、更に1時間90℃で保持した。次に、室温まで冷却させ、この溶液を大量のメタノール中に滴下し、生成した沈殿物をろ過精製後、110℃で3時間乾燥して、乾燥した粉末状の炭化水素系重合体(スチレン重合体)を得た。
(Synthesis Example 6)
Under a nitrogen atmosphere, a solution of 0.2 g of benzoyl peroxide dissolved in 200 mL of styrene was added dropwise to 200 mL of xylene heated to 90 ° C. with stirring for 3 hours. After completion of dropping, the mixture was further maintained at 90 ° C. for 1 hour. Next, the solution is cooled to room temperature, this solution is dropped into a large amount of methanol, and the resulting precipitate is purified by filtration, dried at 110 ° C. for 3 hours, and dried powdery hydrocarbon polymer (styrene heavy polymer). Combined) was obtained.
このスチレン重合体の分子量をGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)にて測定したところ、Mw115000であった。このスチレン重合体150gを1,2−ジクロロエタン500mL中に溶解させた溶液を60℃で加熱攪拌しながら、クロロスルホン酸30mLを滴下した後、更に60℃で1時間保持した。ここで得られたクロロスルホン化されたスチレン重合体を1,2−ジクロロエタン及びイオン交換水で洗浄した後、室温で1時間イオン交換水に浸漬しスルホ基を水素化した。その後、真空凍結乾燥により粉末状のスルホン化したスチレン重合体を得た。イオン交換容量は3.92meq/gであった。 It was Mw115000 when the molecular weight of this styrene polymer was measured by GPC (gel permeation chromatography). A solution prepared by dissolving 150 g of this styrene polymer in 500 mL of 1,2-dichloroethane was dropwise added with 30 mL of chlorosulfonic acid while heating and stirring at 60 ° C., and further maintained at 60 ° C. for 1 hour. The chlorosulfonated styrene polymer obtained here was washed with 1,2-dichloroethane and ion exchange water, and then immersed in ion exchange water at room temperature for 1 hour to hydrogenate the sulfo group. Thereafter, a powdered sulfonated styrene polymer was obtained by vacuum freeze-drying. The ion exchange capacity was 3.92 meq / g.
(電解質膜の製造)
合成例1〜6のポリシロキサン化合物をジメチルホルムアミドに10質量%の濃度で溶解させた溶液を膜厚40μm、空孔率60%の多孔質ポリイミド膜に含浸させ、90℃で1時間加熱乾燥した膜を真空乾燥することで乾燥した電解質膜である各試験例の試験試料を得た。乾燥後の膜厚及び電解質材料の含浸量を表2に併せて示す。なお、膜厚は乾燥状態で50μm程度、含浸量は多孔質ポリイミド膜に対して乾燥質量で100%程度になるように調製した。得られた電解質膜の性状を表2に併せて示す。プロトン伝導性は交流インピーダンス法にて測定した。
(Manufacture of electrolyte membrane)
A solution obtained by dissolving the polysiloxane compounds of Synthesis Examples 1 to 6 in dimethylformamide at a concentration of 10% by mass was impregnated into a porous polyimide film having a film thickness of 40 μm and a porosity of 60%, and was heated and dried at 90 ° C. for 1 hour. The test sample of each test example which is an electrolyte membrane dried by vacuum-drying the membrane was obtained. Table 2 shows the film thickness after drying and the amount of electrolyte material impregnated. The film thickness was adjusted to about 50 μm in a dry state, and the impregnation amount was adjusted to about 100% by dry mass with respect to the porous polyimide film. The properties of the obtained electrolyte membrane are also shown in Table 2. Proton conductivity was measured by the AC impedance method.
(耐酸化性の評価)
各試験例の電解質膜について、フェントン試験により耐酸化性を評価した。フェントン試験は、2ppmのFe2+及び3%の過酸化水素を含む水溶液を60℃に保持し、その中に電解質膜を浸漬した場合の質量変化を測定することで行った。ここで、耐酸化性が高い材料ほど、フェントン試験における質量変化が小さくなる。
(Evaluation of oxidation resistance)
About the electrolyte membrane of each test example, oxidation resistance was evaluated by the Fenton test. The Fenton test was carried out by maintaining an aqueous solution containing 2 ppm of Fe 2+ and 3% hydrogen peroxide at 60 ° C., and measuring the mass change when the electrolyte membrane was immersed therein. Here, the higher the oxidation resistance, the smaller the mass change in the Fenton test.
結果を図1に示す。図1より明らかなように、電解質膜の耐酸化性は含浸させた電解質材料のイオン交換容量の低下に従って向上していることが判った。これはイオン交換基がラジカル攻撃の起点になりうると予想されること、及びイオン交換容量の増加が水溶性の増加につながって形態安定性が充分でなくなったことなどが原因であると予想される。 The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 1, it was found that the oxidation resistance of the electrolyte membrane was improved as the ion exchange capacity of the impregnated electrolyte material decreased. It is expected that this is due to the fact that ion exchange groups can be the starting point of radical attack, and that the increase in ion exchange capacity has led to an increase in water solubility, resulting in insufficient form stability. The
(触媒ペーストの製造)
合成例1〜6の電解質材料の10質量%溶液を50gに対して触媒としての白金を含む白金担持カーボン(白金担持量50質量%)20gを加えてスラリー状にした。その後、イオン交換水60g及びエタノール60gを加えて白金担持カーボンの粒径が1.0μm以下になるまで混合分散した。最終的な混合分散は高速ホモジナイザーにて行い、各試験例の触媒ペーストを得た。
(Manufacture of catalyst paste)
20 g of platinum-supporting carbon containing platinum as a catalyst (
(膜電極接合体の製造)
各試験例の触媒ペーストを、ガス拡散基材(拡散層)になる撥水処理したカーボンペーパー(厚み180μm、気孔率65%)に白金担持量が1mg/cm2になるようにバーコータにより塗工した。塗工後、80℃で30分間加熱乾燥を行い触媒層を形成した電極膜を得た。対応する各試験例の電解質膜を触媒層側で接する向きにそれぞれ配した2枚の電極膜にて挟持した後、170℃、8MPaで3分間ホットプレスして接合し、各試験例の膜電極接合体を得た。
(Manufacture of membrane electrode assembly)
The catalyst paste of each test example was coated on a water-repellent treated carbon paper (thickness 180 μm, porosity 65%) as a gas diffusion base material (diffusion layer) with a bar coater so that the amount of platinum supported was 1 mg / cm 2. did. After coating, heating and drying were performed at 80 ° C. for 30 minutes to obtain an electrode film on which a catalyst layer was formed. The corresponding electrolyte membrane of each test example was sandwiched between two electrode membranes arranged so as to be in contact with each other on the catalyst layer side, and then joined by hot pressing at 170 ° C. and 8 MPa for 3 minutes. A joined body was obtained.
(電池性能の評価)
各試験例の膜電極接合体を燃料電池評価用単セルに組み込んで評価した。評価は電流密度変化させた場合の出力電圧の変化を測定した。燃料電池評価用単セルの評価(運転)条件は電極面積9cm2、セル内温度75℃、供給するガスは、アノード側が90%の利用率に相当する純水素、カソード側が40%の利用率に相当する空気とした。ガスに対する加湿量はそれぞれのガス1モルに対するモル比で0.2molの水を用いた。
(Evaluation of battery performance)
The membrane electrode assembly of each test example was incorporated into a single cell for fuel cell evaluation and evaluated. Evaluation was made by measuring the change in output voltage when the current density was changed. The evaluation (operation) conditions of the single cell for fuel cell evaluation are electrode area 9 cm 2 , cell internal temperature 75 ° C., supplied gas is pure hydrogen corresponding to 90% utilization on the anode side, and 40% utilization on the cathode side. The corresponding air. As the humidification amount for the gas, 0.2 mol of water was used in a molar ratio with respect to 1 mol of each gas.
結果を図2に示す。図2より明らかなように、電池性能は電解質膜のプロトン伝導性の増加に伴い向上していることが判った。 The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 2, it was found that the battery performance was improved as the proton conductivity of the electrolyte membrane increased.
また、試験例1及び3の結果を比較すると、両者の間に大きな差異は認められなかった。前述の耐酸化性の値についても大差なかったことから、一般式(1)におけるnの値の変動は、少なくとも8〜12程度においては電池性能(出力特性、耐酸化性)に大きな影響を与えないことが判った。 Moreover, when the results of Test Examples 1 and 3 were compared, no significant difference was observed between them. Since there was no great difference in the above-mentioned oxidation resistance value, the fluctuation of the value of n in the general formula (1) has a great influence on the battery performance (output characteristics, oxidation resistance) at least about 8-12. I found that there was no.
Claims (11)
{nは6以上の整数;Xはアルキル基、スルホ基、フェニル基、カルボキシ基、アルコキシ基、−(OCmH2m)p−OCmH2m+1(mは自然数、Pは0以上の整数)並びにこれら置換基の一部水素がイオン交換基で置換された置換基から任意に選択される;Xは互いに独立して選択可能であり、少なくとも分子全体で一以上のイオン交換基を含む}
で表される構造をもつポリシロキサン化合物を含有することを特徴とする電解質材料。 General formula: (XSiO 1.5 ) n (1)
{N is an integer of 6 or more; X is an alkyl group, a sulfo group, a phenyl group, a carboxy group, an alkoxy group, — (OC m H 2m ) p —OC m H 2m + 1 (m is a natural number, P is 0 or more An integer) as well as a substituent in which part of hydrogen of these substituents is optionally substituted with an ion exchange group; X can be selected independently of each other and contains at least one ion exchange group in the whole molecule }
An electrolyte material comprising a polysiloxane compound having a structure represented by:
{nは6以上の整数;Yはアルキル基、スルホ基、フェニル基、カルボキシ基、アルコキシ基、−(OCmH2m)p−OCmH2m+1(mは自然数、Pは0以上の整数)並びにこれら置換基の一部水素がイオン交換基で置換された置換基から任意に選択される;Yは互いに独立して選択可能であり、一以上のイオン交換基を含み且つ一以上の重合性基を分子全体で含む}
で表される構造をもつポリシロキサン単量体と、
該ポリシロキサン単量体が備える該重合性基と重合しうる重合性基をもち任意に添加される一種以上の添加単量体と、を共重合させることで合成し得る重合体材料を含有することを特徴とする電解質材料。 General formula: (YSiO 1.5 ) n (2)
{N is an integer of 6 or more; Y is an alkyl group, a sulfo group, a phenyl group, a carboxy group, an alkoxy group, — (OC m H 2m ) p —OC m H 2m + 1 (m is a natural number, P is 0 or more Integer) as well as those substituents in which part of the hydrogens are substituted with ion exchange groups; Y can be selected independently of each other, contains one or more ion exchange groups and contains one or more Contains polymerizable group throughout molecule}
A polysiloxane monomer having a structure represented by:
Contains a polymer material that can be synthesized by copolymerizing the polymerizable group provided in the polysiloxane monomer and one or more additive monomers that are optionally added and have a polymerizable group. An electrolyte material characterized by that.
前記電解質材料を含浸する多孔質膜とを有することを特徴とする電解質膜。 The electrolyte material according to any one of claims 1 to 6,
An electrolyte membrane comprising a porous membrane impregnated with the electrolyte material.
前記電解質膜が請求項7又は8に記載の電解質膜であること及び/又は前記触媒層が請求項9の触媒ペーストから形成される層であることを特徴とする膜電極接合体。 A membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising an electrolyte membrane, a catalyst layer laminated on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion layer laminated on the catalyst layer opposite to the electrolyte membrane,
The membrane electrode assembly, wherein the electrolyte membrane is the electrolyte membrane according to claim 7 and / or the catalyst layer is a layer formed from the catalyst paste according to claim 9.
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