JP2003086193A - Method of manufacturing gas diffusion electrode - Google Patents

Method of manufacturing gas diffusion electrode

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing an ion conductivity imparting agent capable of providing a gas diffusion electrode having a good ion conductivity inside an electrode and therefore stably usable over a long period in a solid polymer fuel cell having a hydrocarbon type negative ion exchange membrane as an electrolyte membrane. SOLUTION: The gas diffusion electrode for a solid polymer fuel cell is manufactured by obtaining a molding made of a composition containing an electrode catalyst and not less than two kinds of organic compounds capable of forming an ion-exchange resin by means of crosslink with each other upon contact, such as in a combination of polychloromethylstyrene and tetramethylhexamethylenediamine, and then by performing heat treatment or the like to crosslink the not less than two kinds of organic compounds contained in the molding.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池用のガス拡散電極を製造する方法、該方法により製
造されたガス拡散電極を固体高分子電解質膜に接合した
固体高分子型燃料電池用部材、及び該部材を具備する固
体高分子型燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel in which the gas diffusion electrode produced by the method is joined to a polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a cell member and a polymer electrolyte fuel cell including the member.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、イオン交換樹
脂等の固体高分子を電解質として用いた燃料電池電池で
あり、動作温度が比較的低いという特徴を有する。該固
体高分子型燃料電池は、図1に示されるように、それぞ
れ外部と連通する燃料ガス流通孔2及び酸化剤ガス流通
孔3を有する電池隔壁1内の空間を、固体高分子電解質
膜6の両面にそれぞれ燃料室側ガス拡散電極4及び酸化
剤室側ガス拡散電極5が接合した接合体で仕切って、燃
料ガス流通孔2を通して外部と連通する燃料室7、及び
酸化剤ガス流通孔3を通して外部と連通する酸化剤室8
が形成された基本構造を有している。そして、このよう
な基本構造の固体高分子型燃料電池では、前記燃料室7
に燃料流通孔2を通して水素ガスあるいはメタノール等
からなる燃料を供給すると共に酸化剤室8に酸化剤ガス
流通孔3を通して酸化剤となる酸素や空気等の酸素含有
ガスを供給し、更に両ガス拡散電極間に外部負荷回路を
接続することにより次のような機構により電気エネルギ
ー発生させている。即ち、燃料室側ガス拡散電極4にお
いて該電極内に含まれる触媒と燃料とが接触することに
より生成したプロトン(水素イオン)は固体高分子電解
質膜6内を伝導して酸化剤室8に移動し、酸化剤室側ガ
ス拡散電極5で酸化剤ガス中の酸素と反応して水を生成
する。一方、燃料室側ガス拡散電極4においてプロトン
と同時に生成した電子は外部負荷回路を通じて酸化剤室
側ガス拡散電極5へと移動するので上記反応のエネルギ
ーを電気エネルギーとして利用することができる。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell cell using a solid polymer such as an ion exchange resin as an electrolyte, and has a characteristic that the operating temperature is relatively low. As shown in FIG. 1, the solid polymer electrolyte fuel cell has a solid polymer electrolyte membrane 6 in which a space in a cell partition 1 having a fuel gas passage 2 and an oxidant gas passage 3 respectively communicating with the outside is formed. A fuel chamber 7 communicating with the outside through a fuel gas flow hole 2 and a oxidant gas flow hole 3 which are partitioned by a joined body in which a fuel chamber side gas diffusion electrode 4 and an oxidant chamber side gas diffusion electrode 5 are bonded to both surfaces of Oxidant chamber 8 communicating with outside through
Has a basic structure formed. In the polymer electrolyte fuel cell having such a basic structure, the fuel chamber 7
To the oxidant chamber 8 through the oxidant gas flow hole 3 and oxygen-containing gas such as oxygen or air, and further diffuse both gases. By connecting an external load circuit between the electrodes, electric energy is generated by the following mechanism. That is, in the fuel chamber side gas diffusion electrode 4, protons (hydrogen ions) generated by the contact between the catalyst and the fuel contained in the electrode are conducted in the solid polymer electrolyte membrane 6 and moved to the oxidant chamber 8. Then, the gas diffusion electrode 5 on the oxidant chamber side reacts with oxygen in the oxidant gas to generate water. On the other hand, the electrons generated at the same time as the protons in the fuel chamber side gas diffusion electrode 4 move to the oxidant chamber side gas diffusion electrode 5 through the external load circuit, so that the energy of the above reaction can be used as electric energy.

【0003】上記のような構造の固体高分子型燃料電池
においては、電解質膜として陽イオン交換樹脂膜である
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜が最も一般的に
用いられている。また、このようなパーフルオロカーボ
ンスルホン酸樹脂膜を用いた場合のガス拡散電極として
は、必要に応じてカーボンブラック等の導電剤に担持さ
れた白金等の金属粒子からなる電極触媒を多孔性材料か
らなる電極基材で支持したものが一般的に用いられてお
り、通常、該ガス拡散電極はパーフルオロカーボンスル
ホン酸樹脂膜に熱圧着することにより接合させられてい
る。そして、このような方法で接合を行なう場合には、
ガス拡散電極内部の触媒上で発生したプロトンの利用率
を高めるため(換言すれば、該プロトンが効率よく酸化
剤室に移動するようにするため)にガス拡散電極の接合
面にイオン伝導性付与剤としてパーフルオロカーボンス
ルホン酸樹脂の有機溶液を塗布したり、或いは電極内部
にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を配合させるこ
とが行われている(特開平3−208260号公報およ
び特開平4−329264号公報)。なお、上記パーフ
ルオロカーボンスルホン酸樹脂は、固体高分子電解質膜
とガス拡散電極との接合性を向上させる機能も有してい
る。
In the polymer electrolyte fuel cell having the above structure, a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane which is a cation exchange resin membrane is most commonly used as the electrolyte membrane. Further, as a gas diffusion electrode in the case of using such a perfluorocarbon sulfonic acid resin film, an electrode catalyst composed of metal particles such as platinum supported on a conductive agent such as carbon black is formed from a porous material, if necessary. What is supported by the electrode base material is generally used, and the gas diffusion electrode is usually bonded to the perfluorocarbon sulfonic acid resin film by thermocompression bonding. Then, when joining is performed by such a method,
In order to increase the utilization rate of the protons generated on the catalyst inside the gas diffusion electrode (in other words, in order for the protons to efficiently move to the oxidant chamber), ion conductivity is imparted to the joint surface of the gas diffusion electrode. As an agent, an organic solution of a perfluorocarbon sulfonic acid resin is applied, or a perfluorocarbon sulfonic acid resin is blended inside the electrode (JP-A-3-208260 and JP-A-4-329264). . The perfluorocarbon sulfonic acid resin also has a function of improving the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion electrode.

【0004】ところが、このようなパーフルオロカーボ
ンスルホン酸樹脂膜を用いた固体高分子型燃料電池にお
いては、主としてパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂
膜に起因する問題点として(i)保水力が充分でないため
水の補給が必要となる、(ii)物理的な強度が低いため薄
膜化による電気抵抗の低減が困難である、(iii)高価で
ある、(iv)燃料にメタノールを用いた場合にメタノール
の透過性が高く、酸化剤側ガス拡散電極に到達したメタ
ノールがその表面で酸素または空気と反応するため過電
圧が増大し、出力電圧が低下するという問題が指摘され
ている。そしてこのような問題、特に上記(iv)の問題を
解決するためにパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜
に替えて炭化水素系陰イオン交換膜を用いることが検討
されており、そのような固体高分子型燃料電池が幾つか
提案されている(特開平11−273695号公報、特
開平11−135137号公報、及び特開2000−3
31693号公報)。これら炭化水素系陰イオン交換膜
を用いた固体高分子型燃料電池における発電機構も基本
的には陽イオン交換膜を用いた場合と同様であるが、通
電時には酸化剤室側から燃料室側に水酸化物イオン等の
アニオンが移動するためメタノールの移動が起り難くな
り、上記(iv)の問題を解決することができると言われて
いる。また、炭化水素系のイオン交換膜を用いているの
で、上記(i)〜(iii)の問題についても解決可能となって
いる。
However, in the polymer electrolyte fuel cell using such a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, the main problems due to the perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane are (i) the water retention capacity is not sufficient and Replenishment is required, (ii) it is difficult to reduce the electrical resistance by thinning due to low physical strength, (iii) expensive, (iv) methanol permeability when methanol is used as fuel It has been pointed out that the methanol having reached the oxidant side gas diffusion electrode reacts with oxygen or air on the surface thereof, so that the overvoltage increases and the output voltage decreases. Then, in order to solve such a problem, especially the problem of the above (iv), it has been studied to use a hydrocarbon-based anion exchange membrane in place of the perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, and such a solid polymer type Several fuel cells have been proposed (Japanese Patent Laid-Open Nos. 11-273695, 11-135137, and 2000-3).
No. 31693). The power generation mechanism in polymer electrolyte fuel cells using these hydrocarbon-based anion exchange membranes is basically the same as in the case of using cation exchange membranes, but from the oxidant chamber side to the fuel chamber side during energization. It is said that the migration of methanol is less likely to occur due to migration of anions such as hydroxide ions, and the problem (iv) above can be solved. Further, since the hydrocarbon type ion exchange membrane is used, the problems (i) to (iii) can be solved.

【0005】ところで、上記各公報に開示されている固
体高分子型燃料電池におけるガス拡散電極においては、
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いた場合の
ガス拡散電極にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を
添加するのと同様な理由から、イオン伝導性付与剤とし
てアニオン交換樹脂を添加することが行われており、こ
のようなアニオン交換樹脂としては、芳香族ポリエーテ
ルスルホン酸と芳香族ポリチオエーテルスルホン酸の共
重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られるアニ
オン交換樹脂(特開平11−273695号公報及び特
開平11−135137号公報)、又はスルホン酸基を
有するパーフルオロカーボンポリマーの末端をジアミン
で処理し4級化したポリマー或いはポリクロロメチルス
ルチレンの4級化物等のポリマーで好適には溶媒可溶性
のもの(特開2000−331693号公報)が用いら
れている。
By the way, in the gas diffusion electrodes in the polymer electrolyte fuel cells disclosed in the above publications,
For the same reason as adding the perfluorocarbon sulfonic acid resin to the gas diffusion electrode when using the perfluorocarbon sulfonic acid resin film, it is performed to add an anion exchange resin as an ion conductivity imparting agent. As such anion exchange resins, anion exchange resins obtained by aminating a chloromethylated product of a copolymer of aromatic polyether sulfonic acid and aromatic polythioether sulfonic acid (Japanese Patent Laid-Open No. 11-273695 and Japanese Patent Laid-Open No. 11-273695) -135137), or a quaternized polymer of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group with a terminal treated with a diamine, or a polymer such as a quaternized product of polychloromethylsultylene, which is preferably solvent-soluble (special (Kai 2000-331693).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、本発明者等
が電解質膜として炭化水素系陰イオン交換膜を用いた固
体高分子型燃料電池について検討を行なったところ、固
体高分子型燃料電池の性能はガス拡散電極に含まれるイ
オン伝導性付与剤の性状に大きく依存し、その性状によ
っては充分な性能の固体高分子型燃料電池が得られない
ことが判明した。即ち、イオン伝導性付与剤としてフッ
素樹脂系のアニオン交換樹脂を用いた場合、炭化水素系
陰イオン交換膜とガス拡散電極の接合界面において両者
の馴染みが悪くなり、結着剤を添加しても接合強度が低
下する場合があること、更にイオン伝導性付与剤として
炭化水素系のアニオン交換樹脂を用いた場合にも、分散
性を高めて電極触媒との接触を良好にするために該アニ
オン交換樹脂は非架橋性のものである場合が多く、イオ
ン交換容量を高くして触媒活性を高くしようとすると水
に可溶性になるため、長期間使用すると性能が低下する
場合があることが判明した。
However, when the inventors of the present invention investigated a polymer electrolyte fuel cell using a hydrocarbon-based anion exchange membrane as an electrolyte membrane, the performance of the polymer electrolyte fuel cell was improved. It depends on the properties of the ion-conductivity imparting agent contained in the gas diffusion electrode, and it has been found that a polymer electrolyte fuel cell with sufficient performance cannot be obtained depending on the properties. That is, when a fluororesin-based anion exchange resin is used as the ion-conductivity imparting agent, the two become unfamiliar at the bonding interface between the hydrocarbon-based anion exchange membrane and the gas diffusion electrode, and even if a binder is added. In some cases, the bonding strength may decrease, and even when a hydrocarbon-based anion exchange resin is used as the ion conductivity-imparting agent, the anion exchange resin is used in order to improve the dispersibility and improve the contact with the electrode catalyst. It has been found that the resin is often non-crosslinkable, and when it is attempted to increase the ion exchange capacity to increase the catalytic activity, the resin becomes soluble in water, and thus the performance may be deteriorated when used for a long period of time.

【0007】そこで、本発明は、電解質膜として炭化水
素系陰イオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池であ
って、初期性能が高く、長期間使用してもその性能が低
下し難い固体高分子型燃料電池用のガス拡散電極の製造
方法を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention is a solid polymer type fuel cell using a hydrocarbon type anion exchange membrane as an electrolyte membrane, which has a high initial performance and is hard to deteriorate in the performance even if it is used for a long time. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a gas diffusion electrode for a polymer fuel cell.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者等は上記課題を
解決すべく鋭意検討を行なった。その結果、炭化水素系
陰イオン交換膜に接合して使用するガス拡散電極を作成
する方法として、架橋性を有する有機化合物と電極触媒
を含有する組成物を成形した後に、架橋反応とイオン交
換基の導入を同時に行うことにより、水及びメタノール
に難溶で、電極触媒の分散性、イオン交換膜との接合性
が良好なガス拡散電極が得られること、さらに上記方法
で製造したガス拡散電極と炭化水素系陰イオン交換膜と
接合した接合体を用いた燃料電池は長期間使用してもそ
の性能が低下し難いことを見出し、本発明を完成するに
至った。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. As a result, as a method for producing a gas diffusion electrode to be used by bonding it to a hydrocarbon-based anion exchange membrane, after molding a composition containing an organic compound having a crosslinkability and an electrode catalyst, a crosslinking reaction and an ion exchange group are performed. By performing the introduction of at the same time, it is difficult to dissolve in water and methanol, the dispersibility of the electrode catalyst, a good gas diffusion electrode bondability with the ion exchange membrane can be obtained, further with the gas diffusion electrode produced by the above method. The present inventors have found that a fuel cell using a bonded body bonded to a hydrocarbon-based anion exchange membrane is less likely to deteriorate in performance even after long-term use, and have completed the present invention.

【0009】即ち、第一の本発明は、互いに接触するこ
とにより架橋してイオン交換樹脂を形成し得る2種以上
の有機化合物、及び電極触媒を含有する組成物からなる
成形体を得た後に該成形体中に含まれる前記2種以上の
有機化合物を架橋させることを特徴とする固体高分子型
燃料電池用ガス拡散電極の製造方法である。
That is, according to the first aspect of the present invention, after obtaining a molded article composed of a composition containing two or more kinds of organic compounds capable of cross-linking by contact with each other to form an ion exchange resin, and an electrode catalyst. A method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises cross-linking the two or more kinds of organic compounds contained in the molded body.

【0010】上記本発明の製造方法において、その主要
成分として互いに接触することにより架橋してイオン交
換樹脂を形成し得る有機化合物を用いているため、形成
されたイオン交換樹脂がプロトンや水酸化物イオンのイ
オン導電体として機能し、ガス拡散電極中の触媒の有効
利用率を高めることができる。しかも、予め架橋したイ
オン交換樹脂を用いた時と異なり、架橋前の上記有機化
合物は電極触媒と良く練和され均一に混合されているの
でペースト性状も良好であるばかりでなく、架橋反応後
に生成するイオン交換樹脂と電極触媒と接触も非常に良
好なものとなっている。このため、触媒分散性及びイオ
ン伝導性の良好なガス拡散電極が形成出来、高い電極活
性を得ることが可能となる。また、上記有機化合物とし
て炭化水素系陰イオン交換樹脂を与えるものを使用した
場合には、炭化水素系陰イオン交換膜に接合するガス拡
散電極用に用いる場合の結着剤としても機能する。この
ため、炭化水素樹脂系の固体高分子電解質膜とガス拡散
電極とを良好に接合することが出来、高い電極活性を得
ることが可能となる。さらに、形成されるイオン交換樹
脂は架橋構造を有しているため水及びメタノールに対し
て難溶性であり、本発明の製造方法を用いて形成したガ
ス拡散電極を用いた燃料電池を使用する際に燃料となる
メタノール中、又は燃料中に含まれる水中或いは使用時
に副生する水中に溶出することがなくなるばかりでな
く、耐熱性や耐薬品性が向上し、電池自体の耐久性を高
くすることも可能である。
In the above-mentioned production method of the present invention, since an organic compound which can be cross-linked to form an ion exchange resin by contacting with each other is used as a main component, the formed ion exchange resin is a proton or hydroxide. It functions as an ionic conductor of ions and can increase the effective utilization rate of the catalyst in the gas diffusion electrode. Moreover, unlike the case of using a pre-crosslinked ion exchange resin, the above organic compound before crosslinking is well kneaded with the electrode catalyst and uniformly mixed, so that not only the paste properties are good, but also it is formed after the crosslinking reaction. The contact between the ion exchange resin and the electrode catalyst is also very good. Therefore, a gas diffusion electrode having good catalyst dispersibility and ion conductivity can be formed, and high electrode activity can be obtained. In addition, when a compound that gives a hydrocarbon-based anion exchange resin is used as the organic compound, it also functions as a binder when used for a gas diffusion electrode bonded to a hydrocarbon-based anion exchange membrane. Therefore, the hydrocarbon resin-based solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion electrode can be satisfactorily joined, and high electrode activity can be obtained. Further, the ion exchange resin formed has a cross-linking structure and thus is poorly soluble in water and methanol, and when a fuel cell using a gas diffusion electrode formed by using the production method of the present invention is used. In addition to preventing elution in the fuel methanol, water contained in the fuel, or water produced as a by-product during use, it also improves heat resistance and chemical resistance and enhances the durability of the battery itself. Is also possible.

【0011】上記本発明の製造方法において、互いに接
触することにより架橋してイオン交換樹脂を形成し得る
2種以上の有機化合物の組み合わせとして、(1)末端
に少なくとも1個のハロゲン原子を有する含ハロゲン原
子有機化合物、及び(2)孤立電子対を持つ原子を分子
内に少なくとも1個有し、該原子において前記含ハロゲ
ン原子有機化合物とオニウム塩を形成して結合し得る孤
立電子対含有有機化合物からなる組合わせであって、当
該オニウム塩の形成を伴う結合により架橋する化合物の
組み合わせを使用し、前記組成物を成形した後に加熱処
理することによりこれら化合物を架橋させる場合は、架
橋反応が進行し易い。また、この場合において、前記孤
立電子対含有有機化合物及び前記該含ハロゲン原子有機
化合物の溶液若しくは懸濁液と、電極触媒とを混合して
得たペースト状組成物を成形し、次いで得られた成形体
を加熱処理することにより、ガス拡散電極中に上記有機
化合物を均一に分散させる事が出来、結果として電極反
応性の高いガス拡散電極を与え得る。さらに、前記孤立
電子対含有有機化合物及び含ハロゲン原子有機化合物を
予め混合せず、どちらか一方と電極触媒とを含むペース
ト状組成物を成形してから、得られた成形体の表面に他
方の原子有機化合物を含む溶液を塗布して加熱するとい
う簡単な操作によっても同様の効果を得る事も可能であ
る。さらに、前記加熱処理後に成形体中に形成されたイ
オン交換樹脂においては、形成されるオニウムイオンが
陰イオン交換基として機能するが、該オニウムイオンの
対アニオンであるハロゲン化物イオンは、ガス拡散電極
において一般に好ましいとされる水酸化物イオンに容易
に置換することができる。
In the above-mentioned production method of the present invention, as a combination of two or more kinds of organic compounds capable of cross-linking to form an ion exchange resin by contacting each other, (1) containing at least one halogen atom at the terminal. Halogen atom organic compound, and (2) Lone electron pair-containing organic compound which has at least one atom having a lone electron pair in the molecule and can bond with the halogen-containing atom organic compound by forming an onium salt at the atom. When a combination of compounds that crosslinks by a bond accompanied by the formation of the onium salt is used and these compounds are crosslinked by heat treatment after molding the composition, the crosslinking reaction proceeds. Easy to do. Further, in this case, a paste-like composition obtained by mixing a solution or suspension of the lone electron pair-containing organic compound and the halogen-containing atom organic compound with an electrode catalyst was molded and then obtained. By heat-treating the molded body, the organic compound can be uniformly dispersed in the gas diffusion electrode, and as a result, a gas diffusion electrode having high electrode reactivity can be provided. Furthermore, without previously mixing the lone electron pair-containing organic compound and the halogen-containing atom organic compound, a paste-like composition containing either one and an electrode catalyst is molded, and then the other is formed on the surface of the obtained molded body. The same effect can be obtained by a simple operation of applying a solution containing an atomic organic compound and heating it. Furthermore, in the ion exchange resin formed in the molded body after the heat treatment, the onium ion formed functions as an anion exchange group, but the halide ion that is the counter anion of the onium ion is the gas diffusion electrode. It is possible to easily substitute the hydroxide ion generally preferred in the above.

【0012】また、第二の本発明は、前記本発明の製造
方法で製造されるガス拡散電極である。該ガス拡散電極
はイオン伝導性付与剤として架橋構造を有するイオン交
換樹脂を使用しているにも関わらず、該イオン伝導性付
与剤が均一に分散し、電極触媒との密着性が良好である
という特徴を有する。
The second invention is a gas diffusion electrode manufactured by the manufacturing method of the invention. Although the gas diffusion electrode uses an ion exchange resin having a crosslinked structure as an ion conductivity-imparting agent, the ion conductivity-imparting agent is uniformly dispersed and has good adhesion to an electrode catalyst. It has the feature.

【0013】また、第三の本発明は、固体高分子電解質
膜の少なくとも一方の面に上記本発明の製造方法で製造
されたガス拡散電極を接合した接合体からなることを特
徴とする固体高分子型燃料電池用部材であり、第四の本
発明は、該部材を構成部材として具備することを特徴と
する固体高分子型燃料電池である。
The third aspect of the present invention is a solid polymer electrolyte membrane comprising a joined body in which the gas diffusion electrode produced by the production method of the present invention is joined to at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane. A fourth aspect of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell, which is a member for a molecular fuel cell and which comprises the member as a constituent member.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明の製造方法では、互いに接
触することにより架橋してイオン交換樹脂を形成し得る
2種以上の有機化合物、及び電極触媒を含有する組成物
からなる成形体を得た後に該成形体中に含まれる前記2
種以上の有機化合物を架橋させることにより固体高分子
型燃料電池用ガス拡散電極を製造する。前記したように
固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極は、電極触媒の他
に、ガス拡散電極内部又は表面近傍でのイオン(具体的
にはガス拡散電極に含まれる白金族触媒等の電極触媒上
で生成するプロトンや水酸化物イオン等のイオン)の伝
導性を高めるためのイオン伝導性付与剤を含有してなる
が、本発明では、該イオン伝導性付与剤として機能する
イオン交換樹脂をそのまま用いるのではなく、ガス拡散
電極形成用ペースト中に原料の形で添加しペーストを成
形した後に該原料を反応(架橋)させてイオン交換樹脂
に転化させる。このような方法を採用する事により、架
橋構造を有するイオン交換樹脂をそのままペーストに添
加した場合に比べて、電極触媒とイオン交換樹脂との接
触をより向上させる事が可能となる。また、反応により
生じるイオン交換樹脂は架橋性を有するので水や有機溶
媒に対する溶解性はゼロ若しくは著しく低いレベルとな
り使用時に溶出する事が無く、溶媒に対して溶解性を有
する非架橋性のイオン交換樹脂を用いた場合に比べて耐
久性を向上させる事ができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION According to the production method of the present invention, a molded product comprising a composition containing two or more kinds of organic compounds capable of cross-linking to form an ion exchange resin by contact with each other and a composition containing an electrode catalyst is obtained. 2 contained in the molded body after
A gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell is manufactured by crosslinking one or more organic compounds. As described above, the gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cells includes, in addition to the electrode catalyst, ions inside or near the surface of the gas diffusion electrode (specifically, an electrode catalyst such as a platinum group catalyst contained in the gas diffusion electrode). It contains an ion-conductivity imparting agent for enhancing the conductivity of the above-generated protons and ions such as hydroxide ions. In the present invention, an ion exchange resin functioning as the ion-conductivity imparting agent is used. Instead of using it as it is, it is added to the gas diffusion electrode forming paste in the form of a raw material to form the paste, and then the raw material is reacted (crosslinked) to be converted into an ion exchange resin. By adopting such a method, it is possible to further improve the contact between the electrode catalyst and the ion exchange resin, as compared with the case where the ion exchange resin having a crosslinked structure is directly added to the paste. In addition, since the ion exchange resin produced by the reaction has crosslinkability, its solubility in water and organic solvents is zero or extremely low and does not elute during use, and it is a noncrosslinkable ion exchange resin that has solubility in solvents. The durability can be improved as compared with the case where a resin is used.

【0015】本発明の製造方法で使用する“互いに接触
することにより架橋してイオン交換樹脂を形成し得る2
種以上の有機化合物”は、互いに接触することにより架
橋してイオン交換樹脂を形成するものであれば特に限定
されず、架橋構造を有し且つイオン交換基を有する従来
公知の陰イオン交換樹脂又は陽イオン交換樹脂の原料化
合物が使用できる。例えば、イオン交換基に変換できる
官能基および架橋に関与する1個以上の官能基を有する
化合物、架橋反応時に架橋とイオン交換基の形成が同時
に進行する化合物等を挙げることができる。なお、上記
イオン交換樹脂の交換基としては、陰イオン交換基とし
ては、4級アンモニウム塩基、ピリジニウム塩基、イミ
ダゾリウム塩基、ホスホニウム基、スルホニウム基等の
公知の陰イオン交換基が採用でき、陽イオン交換基とし
ては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基等の
公知の陽イオン交換基が採用できる。但し、炭化水素系
陰イオン交換膜に接合して使用するガス拡散電極を作成
する場合には、炭化水素系の陰イオン交換樹脂を形成す
る有機化合物を用いるのが好ましく、特に、良好なイオ
ン伝導性を付与できる強塩基性の4級アンモニウム塩基
又はピリジニウム塩基を有する陰イオン交換樹脂を与え
る有機化合物を使用するのが好適である。ここで、炭化
水素系とは、有機化合物分子中に存在する炭素原子に結
合する原子の50%以上、好ましくは80%以上が水素
原子であること意味する。
As used in the production method of the present invention, "they can be crosslinked to form an ion exchange resin by contacting each other. 2
The “more than one organic compound” is not particularly limited as long as it crosslinks to form an ion exchange resin by coming into contact with each other, and a conventionally known anion exchange resin having a crosslinked structure and having an ion exchange group or A raw material compound of a cation exchange resin can be used, for example, a compound having a functional group that can be converted into an ion exchange group and one or more functional groups involved in crosslinking, and crosslinking and ion exchange group formation simultaneously proceed during the crosslinking reaction. Examples of the exchange group of the ion exchange resin include known anions such as quaternary ammonium salt group, pyridinium salt group, imidazolium salt group, phosphonium group and sulfonium group. An exchange group can be adopted, and as the cation exchange group, a known cation exchange group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group or a phosphonic acid group can be used. However, it is preferable to use an organic compound that forms a hydrocarbon-based anion exchange resin, particularly when forming a gas diffusion electrode to be used by bonding to a hydrocarbon-based anion exchange membrane. It is preferable to use an organic compound which gives an anion exchange resin having a strongly basic quaternary ammonium base or pyridinium base capable of imparting good ionic conductivity. This means that 50% or more, preferably 80% or more, of the atoms bonded to carbon atoms present in the molecule are hydrogen atoms.

【0016】また、得られるイオン交換樹脂中のイオン
交換基の含有量は特に限定されないが、ガス拡散電極に
良好なイオン伝導性を付与できるという観点から、イオ
ン交換容量が0.1〜5.0mmol/g、好適には、
0.5〜4.0mmol/gであるのが好ましい。さら
に、形成されるイオン交換樹脂と電極触媒との接触を良
好にするためには、前記少なくとも2種類の有機化合物
と電極触媒を含む組成物からなる成形体において少なく
とも有機化合物と電極触媒は良く混和され均一に分散し
ているのが好ましく、そのためには、上記少なくとも2
種類の有機化合物は単に接触しただけでは架橋反応を起
こさず、成形体を得た後に加熱処理、光照射、架橋剤の
添加などの何らかの処理を施すことによって架橋するも
のであるのが好適である。
The content of ion-exchange groups in the obtained ion-exchange resin is not particularly limited, but from the viewpoint that good ion conductivity can be imparted to the gas diffusion electrode, the ion-exchange capacity is 0.1 to 5. 0 mmol / g, preferably
It is preferably 0.5 to 4.0 mmol / g. Further, in order to improve the contact between the formed ion exchange resin and the electrode catalyst, at least the organic compound and the electrode catalyst are well mixed in the molded body made of the composition containing the at least two kinds of organic compounds and the electrode catalyst. It is preferable that the above-mentioned at least 2
It is preferable that the kind of organic compound does not cause a cross-linking reaction merely by contact, and is cross-linked by subjecting to a heat treatment, light irradiation, addition of a cross-linking agent or the like after obtaining a molded body. .

【0017】本発明の製造方法においては、加熱という
簡単な操作で容易に架橋反応が進行し、また、イオン伝
導性付与剤として好適なイオン交換樹脂を与えることが
できるという観点から、前記2種以上の化合物として
は、組み合わせとして、(1)末端に少なくとも1個の
ハロゲン原子を有する含ハロゲン原子有機化合物、及び
(2)孤立電子対を持つ原子を分子内に少なくとも1個
有し、該原子において前記含ハロゲン原子有機化合物と
オニウム塩を形成して結合し得る孤立電子対含有有機化
合物からなる組合わせであって、当該オニウム塩の形成
を伴う結合により架橋する化合物の組み合わせであるの
が好適である。上記(1)の含ハロゲン原子有機化合物
と上記(2)孤立電子対含有有機化合物を互いに接触さ
せて加熱した場合には、(2)の化合物の孤立電子対を
有する原子に(1)の化合物に由来するプロトン或いは
カルボカチオンが配位してオニウムイオンを形成し、こ
れと同じく(1)の化合物に由来するハロゲン化物イオ
ンが塩を形成して(1)の化合物と(2)の化合物が結
合する。そして、この結合点(オニウム塩の部分)が架
橋点となると同時に陰イオン交換基となり架橋構造を有
する陰イオン交換樹脂が形成される。
In the production method of the present invention, from the viewpoints that the crosslinking reaction easily proceeds by a simple operation of heating and an ion exchange resin suitable as an ion conductivity-imparting agent can be provided, the above-mentioned two types are used. As the above compounds, as a combination, (1) a halogen-containing organic compound having at least one halogen atom at the terminal, and (2) at least one atom having a lone electron pair in the molecule, In the combination of a lone electron pair-containing organic compound capable of forming an onium salt and forming a bond with the halogen-containing atom organic compound, a combination of compounds crosslinkable by a bond accompanied by the formation of the onium salt is preferable. Is. When the halogen-containing atom organic compound (1) and the lone-electron-pair-containing organic compound (2) are brought into contact with each other and heated, the compound of (1) is added to the atom having a lone electron pair of the compound of (2). A proton or carbocation derived from is coordinated to form an onium ion, and similarly, a halide ion derived from the compound of (1) forms a salt to form a compound of (1) and a compound of (2). Join. Then, this bonding point (onium salt portion) becomes a cross-linking point, and at the same time, it becomes an anion-exchange group to form an anion-exchange resin having a cross-linking structure.

【0018】上記(1)の含ハロゲン原子含有有機化合
物は、分子の末端に少なくとも1個のハロゲン原子を有
する有機化合物であれば特に限定されず、公知の化合物
が使用できる。また、その分子量も特に限定されず、そ
れ自体が架橋構造を有しなければポリマーでも使用する
事ができる。しかしながら、高い架橋密度を得ることが
できるという観点から、末端に存在するハロゲン原子が
2以上である化合物であるのが好適である。本発明で好
適に使用できる上記含ハロゲン原子有機化合物を具体的
に例示すれば、ポリマーとしては、ポリクロルメチルス
チレン、ポリブロモエチルスチレン、ポリ塩化ビニル、
ポリエピクロルヒドリン、ポリブロモヒドリン、クロル
メチル化ポリスルホン、クロルメチル化ポリフェニレン
オキシド、クロルメチル化ポリエーテルエーテルケトン
等が;重合性単量体(モノマー)としてはクロルメチル
スチレン、ブロムメチルスチレン等が;非重合性低分子
量化合物としてはジブロムアルカン、ジクロルアルカ
ン、ジヨードアルカン等を例示することができる。これ
ら含ハロゲン原子化合物は、単独でまたは複数種類混合
して用いることができる。
The halogen-containing atom-containing organic compound (1) is not particularly limited as long as it is an organic compound having at least one halogen atom at the end of the molecule, and known compounds can be used. Further, its molecular weight is not particularly limited, and a polymer can be used as long as it does not have a crosslinked structure itself. However, from the viewpoint that a high crosslink density can be obtained, it is preferable that the compound has two or more halogen atoms at the terminal. Specific examples of the halogen-containing atom organic compound that can be preferably used in the present invention, as the polymer, polychloromethylstyrene, polybromoethylstyrene, polyvinyl chloride,
Polyepichlorohydrin, polybromohydrin, chloromethylated polysulfone, chloromethylated polyphenylene oxide, chloromethylated polyether ether ketone, etc .; Polymerizable monomer (monomer) such as chloromethylstyrene, bromomethylstyrene; non-polymerizable low Examples of the molecular weight compound include dibromoalkane, dichloroalkane, diiodoalkane and the like. These halogen-containing atom compounds can be used alone or in combination of two or more.

【0019】前記(2)の孤立電子対含有有機化合物
は、分子内に少なくとも一つ存在する窒素、硫黄、酸
素、リン、セレン、錫、ヨウ素、アンチモン等の孤立電
子対を有する原子に少なくとも一つの有機残基が結合
し、該原子に陽イオン型の原子又は原子団が配位してカ
チオン(オニウムイオン)を形成する化合物であれば特
に限定されず、公知の化合物が使用できる。なお、上記
孤立電子対を有する原子としては形成されるイオン交換
樹脂の有用性の観点から窒素、リン、又は硫黄であるの
が好ましく、窒素であるのが特に好ましい。また、高い
架橋密度を得ることができるという観点から、上記のよ
うな孤立電子対を有する原子を分子内に複数有する孤立
電子対含有有機化合物を用いるのが好適である。本発明
で好適に使用できる上記孤立電子対含有有機化合物具体
的に例示すれば、ポリマーとして、ポリビニルピリジ
ン、ポリビニルイミダゾール、ポリベンズイミダゾー
ル、ポリビニルオキサゾリン、ポリビニルベンジルジメ
チルアミン、ポリジメチルアリールアミン等の含N化合
物、ポリスチリルジフェニルホスフィン等の含P化合
物、ポリメチルチオスチレン、ポリフェニルチオスチレ
ン等の含S化合物等が;重合性単量体(モノマー)とし
てビニルピリジン、ビニルイミダゾール、ビニルオキサ
ゾリン、ビニルベンジルジメチルアミン、ビニルベンジ
ルジエチルアミン等の含窒素単量体、スチリルジフェニ
ルホスフィン等の含リン単量体、メチルチオスチレン等
の含硫黄単量体等が;又、非重合性低分子量化合物とし
ては、テトラメチルヘキサメチレンジアミン、ジメチル
ピペラジン、ビピリジル等の含窒素化合物、ビス(ジメ
チルホスフィノ)エタン、ビス(ジフェニルホスフィ
ノ)プロパン、ビス(ジフェニルホスフィノ)ベンゼン
等の含リン化合物、ビス(メチルチオ)メタン、ビス
(フェニルチオ)メタン等を挙げることができる。これ
ら化合物は単独使用しても2種以上を併用してもよい。
The lone electron pair-containing organic compound (2) above has at least one lone electron atom present in the molecule, such as nitrogen, sulfur, oxygen, phosphorus, selenium, tin, iodine and antimony. The compound is not particularly limited as long as it is a compound in which two organic residues are bound and a cation type atom or atomic group is coordinated to the atom to form a cation (onium ion), and known compounds can be used. The atom having the lone electron pair is preferably nitrogen, phosphorus or sulfur from the viewpoint of usefulness of the ion exchange resin to be formed, and particularly preferably nitrogen. Further, from the viewpoint that a high crosslink density can be obtained, it is preferable to use the lone electron pair-containing organic compound having a plurality of atoms having the lone electron pair in the molecule as described above. Specific examples of the lone electron pair-containing organic compound that can be preferably used in the present invention include polymers such as polyvinylpyridine, polyvinylimidazole, polybenzimidazole, polyvinyloxazoline, polyvinylbenzyldimethylamine, and polydimethylarylamine. Compounds, P-containing compounds such as polystyryldiphenylphosphine, S-containing compounds such as polymethylthiostyrene, polyphenylthiostyrene, etc .; vinyl pyridine, vinyl imidazole, vinyl oxazoline, vinyl benzyl dimethylamine as polymerizable monomers (monomers) Nitrogen-containing monomers such as vinylbenzyldiethylamine, phosphorus-containing monomers such as styryldiphenylphosphine, sulfur-containing monomers such as methylthiostyrene; and non-polymerizable low-molecular weight compounds such as tetramethyl Nitrogen-containing compounds such as hexamethylenediamine, dimethylpiperazine and bipyridyl, phosphorus-containing compounds such as bis (dimethylphosphino) ethane, bis (diphenylphosphino) propane, bis (diphenylphosphino) benzene, bis (methylthio) methane, bis (Phenylthio) methane etc. can be mentioned. These compounds may be used alone or in combination of two or more.

【0020】なお、前記(1)の含ハロゲン原子有機化
合物及び/又は前記(2)の孤立電子対含有有機化合物
としてモノマーを用いる場合には、良好な性状のイオン
交換樹脂を得るために、架橋反応を行なう前、架橋反応
と同時、又は架橋反応後にこれらモノマーを重合させる
のが好適である。この場合において、得られるイオン交
換樹脂の性状を制御する目的で必要に応じてこれらモノ
マーの他にこれらのモノマーと共重合可能な他のモノマ
ーを添加してもよい。こうした他のモノマーとしては、
例えば、エチレン、プロピレン、ブチレン、アクリロニ
トリル、塩化ビニル、アクリル酸エステル等のビニル化
合物が用いられる。その使用量は、特に限定されず、得
ようとするイオン交換樹脂の性状に応じて適宜決定すれ
ばよいが、通常は(1)及び(2)のモノマーの合計1
00重量部に対して0〜100重量部の範囲である。ま
た、これらモノマーを用いた場合の重合方法は、モノマ
ーの種類に応じてラジカル重合、カチオン重合、アニオン
重合等の公知の重合法を適用すればよいが、架橋反応を
加熱によって行なう場合には、その時に合わせて重合を
行なうことができ、しかも高分子量のポリマーが得られ
易いという理由により、モノマーとしてはラジカル重合
性のものを使用し、ラジカル重合を行なうのが好適であ
る。ラジカル重合を行なう場合には公知のラジカル重合
開始剤が制限なく使用できる。
When a monomer is used as the organic compound containing a halogen atom (1) and / or the organic compound containing a lone electron pair (2), crosslinking is carried out in order to obtain an ion exchange resin having good properties. It is preferable to polymerize these monomers before the reaction, at the same time as the crosslinking reaction, or after the crosslinking reaction. In this case, in order to control the properties of the resulting ion exchange resin, other monomers copolymerizable with these monomers may be added in addition to these monomers, if necessary. These other monomers include
For example, vinyl compounds such as ethylene, propylene, butylene, acrylonitrile, vinyl chloride and acrylic acid ester are used. The amount used is not particularly limited and may be appropriately determined according to the properties of the ion exchange resin to be obtained, but usually the total amount of the monomers (1) and (2) is 1
It is in the range of 0 to 100 parts by weight with respect to 00 parts by weight. Further, as the polymerization method using these monomers, known polymerization methods such as radical polymerization, cationic polymerization, and anionic polymerization may be applied depending on the type of the monomer, but when the crosslinking reaction is performed by heating, It is preferable to use a radically polymerizable monomer as the monomer and to carry out radical polymerization because the polymerization can be carried out at the same time and a high molecular weight polymer can be easily obtained. When performing radical polymerization, known radical polymerization initiators can be used without limitation.

【0021】本発明の製造方法において、上記含ハロゲ
ン原子有機化合物、及び上記孤立電子対含有有機化合物
の配合割合は特に限定されず、得ようとするイオン交換
樹脂の性状に応じて適宜決定すればよいが、得られるイ
オン交換樹脂の性状が良好であるという観点から、前記
(1)の含ハロゲン原子有機化合物中のハロゲン原子の
総モル数(A)に対する前記(2)の孤立電子対含有有
機化合物中の孤立電子対を有する原子の総モル数(B)
の比(B/A)で表して、0.05〜20.0特に0.
1〜10.0となる範囲とするのが好適である。一般
に、イオン伝導性付与剤として好適なイオン交換樹脂と
しては、前記したようなイオン交換容量を有し、水及び
メタノールに難溶なものであるのでこのような要求を満
足するように、上記範囲の中から配合割合、及び必要に
応じて前記した他のモノマーを使用する場合にはその配
合量を適宜決定すればよい。なお、水及びメタノールに
難溶であるとは、20℃の水又はメタノールに対する溶
解度(飽和溶液中の上記イオン交換樹脂の濃度)がそれ
ぞれ1重量%未満、好適には0.8重量%以下であるこ
とを言い、得られるイオン交換樹脂が水又はメタノール
に容易溶解する場合には、燃料電池を構成して使用した
際にガス拡散電極から該エラストマーが溶出してしま
い、電池性能が低下する。また、これら化合物の使用量
は特に限定されないが、イオン伝導性の観点から後述す
る電極触媒(金属成分)を坦持した導電剤100重量部
に対して5〜80重量%、特に20〜50重量%重量部
であるのが好適である。
In the production method of the present invention, the mixing ratio of the halogen-containing atom organic compound and the lone electron pair-containing organic compound is not particularly limited and may be appropriately determined according to the properties of the ion exchange resin to be obtained. From the viewpoint that the ion exchange resin obtained has good properties, the lone electron pair-containing organic compound of (2) with respect to the total number (A) of halogen atoms in the organic compound of halogen-containing atom of (1) is preferable. Total number of moles of atoms having lone electron pairs in the compound (B)
Expressed by the ratio (B / A) of 0.05 to 20.0, especially 0.
The range of 1 to 10.0 is preferable. Generally, an ion exchange resin suitable as an ion-conductivity imparting agent has the above-mentioned ion exchange capacity and is hardly soluble in water and methanol. Among these, the blending ratio and, if necessary, the blending amount of the above-mentioned other monomer may be appropriately determined. It is to be noted that “poorly soluble in water and methanol” means that the solubility in water or methanol at 20 ° C. (concentration of the ion exchange resin in the saturated solution) is less than 1% by weight, preferably 0.8% by weight or less. If the obtained ion exchange resin is easily dissolved in water or methanol, the elastomer will be eluted from the gas diffusion electrode when the fuel cell is constructed and used, and the cell performance is deteriorated. The amount of these compounds used is not particularly limited, but from the viewpoint of ionic conductivity, 5 to 80% by weight, particularly 20 to 50% by weight, based on 100 parts by weight of a conductive agent carrying an electrode catalyst (metal component) described later. %% by weight is preferred.

【0022】また、本発明の製造方法で使用する電極触
媒としては、従来のガス拡散電極において電極触媒とし
てして使用されている、水素の酸化反応及び酸素の還元
反応を促進する白金、金、銀、パラジウム、イリジウ
ム、ロジウム、ルテニウム、スズ、鉄、コバルト、ニッ
ケル、モリブデン、タングステン、バナジウム、あるい
はそれらの合金等の金属粒子が制限なく使用できる。こ
れ名の中でも触媒活性が優れていることから白金触媒を
用いるのが好適である。なお、これら触媒となる金属粒
子の粒径は、通常、0.1〜100nm、より好ましく
は0.5〜10nmである。粒径が小さいほど触媒性能
は高くなるが、0.5nm未満のものは、作製が困難で
あり、100nmより大きいと十分な触媒性能が得にく
くなる。なお、これら触媒は、予め導電剤に担持させて
から使用してもよい。導電剤としては、電子導電性物質
であれば特に限定されるものではないが、例えば、ファ
ーネスブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラ
ック、活性炭、黒鉛等を単独または混合して使用するが
一般的である。これら触媒の含有量は、電極触媒相をシ
ート状とした状態における単位面積当たりの金属重量
で、通常0.01〜10mg/cm、より好ましくは
0.1〜5.0mg/cmである。
As the electrode catalyst used in the production method of the present invention, platinum, gold, which is used as an electrode catalyst in a conventional gas diffusion electrode, for promoting the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, Metal particles such as silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, tin, iron, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium, or alloys thereof can be used without limitation. Among these names, it is preferable to use a platinum catalyst because it has excellent catalytic activity. The particle size of the metal particles used as the catalyst is usually 0.1 to 100 nm, and more preferably 0.5 to 10 nm. The smaller the particle size, the higher the catalytic performance, but if the particle size is less than 0.5 nm, it is difficult to prepare, and if the particle size is greater than 100 nm, it becomes difficult to obtain sufficient catalytic performance. In addition, these catalysts may be used after being supported on a conductive agent in advance. The conductive agent is not particularly limited as long as it is an electronically conductive substance, but, for example, furnace black, carbon black such as acetylene black, activated carbon, graphite or the like is generally used alone or as a mixture. . The content of these catalysts is usually 0.01 to 10 mg / cm 2 , more preferably 0.1 to 5.0 mg / cm 2 in terms of metal weight per unit area in a state where the electrode catalyst phase is in a sheet form. .

【0023】本発明の製造方法では、先ず上記した“互
いに接触することにより架橋してイオン交換樹脂を形成
し得る2種以上の有機化合物”を含む組成物からなる成
形体を成形する。該成形体の成形方法は特に限定されな
いが、前記孤立電子対含有有機化合物及び前記該含ハ
ロゲン原子有機化合物の溶液若しくは懸濁液と、電極触
媒とを混合して得たペースト状組成物を成形する方法、
又は前記孤立電子対含有有機化合物の溶液若しくは懸
濁液又は含ハロゲン原子有機化合物の溶液若しくは懸濁
液と電極触媒とを混合して得たペースト状組成物を成形
し、次いで得られた成形体の表面に、前記含ハロゲン原
子有機化合物の溶液又は前記孤立電子対含有有機化合物
の溶液をそれぞれ塗布する方法により好適に行なうこと
ができる。上記の方法では、予め孤立電子対含有有機
化合物及び含ハロゲン原子有機化合物並びに電極触媒を
含むペーストを調製し、これを成形して両化合物を含む
組成物からなる成形体を得るものであり、上記の方法
は孤立電子対含有有機化合物又は含ハロゲン原子有機化
合物の何れか一方と電極触媒を含むペースストを調製
し、これを成形した後に該成形体に含まれないもう一方
の化合物の溶液を塗布し、最終的に両化合物を含む組成
物からなる成形体を得るものである。両方法は、何れも
簡便で実用的な方法であるが、電極の全体により均一に
イオン伝導性付与剤となるイオン交換樹脂を分散させ易
いということからの方法を採用するのがより好まし
い。
In the production method of the present invention, first, a molded body made of a composition containing the above-mentioned "two or more kinds of organic compounds capable of being crosslinked to form an ion exchange resin by contacting each other" is molded. The molding method of the molded body is not particularly limited, but a paste-like composition obtained by mixing a solution or suspension of the lone electron pair-containing organic compound and the halogen-containing atom organic compound with an electrode catalyst is molded. how to,
Alternatively, a paste-like composition obtained by mixing the solution or suspension of the lone electron pair-containing organic compound or the solution or suspension of the halogen-containing atom organic compound with an electrode catalyst is molded, and then the obtained molded body is obtained. Can be suitably carried out by applying a solution of the organic compound containing a halogen atom or a solution of the organic compound containing a lone electron pair to the surface of the. In the above method, a paste containing an lone electron pair-containing organic compound and a halogen-containing atom organic compound and an electrode catalyst is prepared in advance, and the paste is molded to obtain a molded body composed of a composition containing both compounds. The method of 1. prepares a paste containing either an lone electron pair-containing organic compound or a halogen-containing atom-containing organic compound and an electrode catalyst, and after molding this, a solution of the other compound not contained in the molded body is applied. Finally, a molded product composed of a composition containing both compounds is obtained. Both methods are both simple and practical methods, but it is more preferable to adopt the method because it is easy to disperse the ion-exchange resin as the ion-conductivity imparting agent more uniformly in the entire electrode.

【0024】上記及び/又はの方法では、前記孤立
電子対含有有機化合物及び/又は含ハロゲン原子有機化
合物は溶液又は懸濁液の形で使用される。この時溶液を
得るために使用する溶媒は、これら化合物を溶解するも
のであれば特に限定されないが、乾燥操作が容易である
ことから低沸点の有機溶媒が好適である。好適に使用で
きる有機溶媒を例示すればジクロルエタン、クロロホル
ム、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−
プロパノール、メチルエチルケトン、アセトニトリル、
ニトロメタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、N,
N−ジメチルホルムアミド、トルエン等が挙げられる。
なお、溶液中の前記化合物の濃度は特に限定されず、溶
媒と前化合物の組み合わせ、電極触媒に対する使用量、
粘度、施用時の浸透性等に応じて適宜決定すればよい
が、溶液基準の両化合物の合計重量%で表して、1〜2
0重量%、特に1〜15重量%であるのが好適である。
また、上記含ハロゲン原子有機化合物及び孤立電子対含
有有機化合物を懸濁液として使用する場合の分散媒は特
に限定されず、上記したような有機溶媒で上記の化合物
を溶解しないものの他、水も使用可能である。また懸濁
液中の上記化合物の含有量も特に限定されないが、溶液
状態における濃度と同程度とするのが好適である。
In the above method and / or method, the lone electron pair-containing organic compound and / or the halogen-containing atom organic compound are used in the form of a solution or a suspension. The solvent used to obtain the solution at this time is not particularly limited as long as it dissolves these compounds, but an organic solvent having a low boiling point is preferable because the drying operation is easy. Examples of suitable organic solvents include dichloroethane, chloroform, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-
Propanol, methyl ethyl ketone, acetonitrile,
Nitromethane, tetrahydrofuran, dioxane, N,
Examples thereof include N-dimethylformamide and toluene.
The concentration of the compound in the solution is not particularly limited, a combination of the solvent and the previous compound, the amount used for the electrode catalyst,
It may be appropriately determined depending on the viscosity, the permeability at the time of application, etc., but it is expressed by the total weight% of both compounds on the basis of the solution, and is 1 to 2
It is preferably 0% by weight, especially 1 to 15% by weight.
In addition, the dispersion medium in the case of using the halogen-containing atom organic compound and the lone electron pair-containing organic compound as a suspension is not particularly limited, and in addition to those which do not dissolve the above compound in the above organic solvent, water It can be used. Further, the content of the above compound in the suspension is not particularly limited, but it is preferable that the content is approximately the same as the concentration in the solution state.

【0025】上記又はの方法におけるペースト状組
成物の調製は、それぞれ所定量の上記溶液若しくは懸濁
液と電極触媒とを混合、混錬することにより行なうこと
ができる。このとき、特に上記含ハロゲン原子有機化合
物及び孤立電子対含有有機化合物として低分子量のもの
を用いる場合には、上記ペースト状組成物の粘性を確保
し、支持層上に一定の厚みで形成させるために結着剤を
添加するのが好適である。結着剤としては、各種熱可塑
性樹脂が一般的に用いられるが、好適に使用できる熱可
塑性樹脂を例示すれば、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフ
ルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオ
ロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重
合体、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスル
ホン、スチレン・イソプレン共重合体、水添アクリロニ
トリル・ブタジエン共重合体等が挙げられる。該結着剤
の含有量は、上記電極触媒(金属成分)を坦持した導電
剤100重量部に対して5〜30重量部であることがが
好ましい。なお、結着剤は、単独で使用してもよいし、
2種類以上を混合して使用してもよい。さらに本発明の
効果を阻害しない範囲であれば、従来公知のイオン伝導
性付与剤やその他添加剤を添加してもよい。
The preparation of the paste composition in the above or the above method can be carried out by mixing and kneading a predetermined amount of the above solution or suspension and the electrode catalyst. At this time, particularly when using a low molecular weight one as the halogen-containing atom organic compound and the lone electron pair-containing organic compound, in order to secure the viscosity of the paste composition and to form it on the support layer with a constant thickness. It is preferable to add a binder to the. As the binder, various thermoplastic resins are generally used, but examples of thermoplastic resins that can be preferably used include polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl. Examples thereof include vinyl ether copolymers, polyether ether ketones, polyether sulfones, styrene / isoprene copolymers, hydrogenated acrylonitrile / butadiene copolymers and the like. The content of the binder is preferably 5 to 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the conductive agent supporting the electrode catalyst (metal component). The binder may be used alone,
You may use it in mixture of 2 or more types. Further, conventionally known ion conductivity-imparting agents and other additives may be added as long as the effects of the present invention are not impaired.

【0026】上記又はの方法において上記のように
して調製したペースト状組成物を成形する方法は特に限
定されず例えばロール成型することもできるが、通常は
固体高分子電解質膜やカーボンペーパー等の支持層材料
上に成形される。これら支持層上に成形する方法として
は、支持層材料上に印刷したり塗布する方法、またはブ
ランクに塗布して固体高分子電解質膜上に転写する方法
等が挙げられる。前記の方法においてはこのようにし
て成形した後に得られた成形体の表面に該成形体に含ま
れていない前記含ハロゲン原子有機化合物又は前記孤立
電子対含有有機化合物の溶液を塗布して溶液中の化合物
を成形体中に浸透させ、最終的に前記含ハロゲン原子有
機化合物、前記孤立電子対含有有機化合物、及び電極触
媒を含有する組成物からなる成形体を得ることができ
る。通常、このような支持層材料の空隙内及び表面上に
前記電極触を含むペースト状の組成物は5〜50μmの
厚みになるよう充填及び付着されるように成形される。
The method of molding the paste composition prepared as described above in the above or the above method is not particularly limited, and for example, roll molding can be performed, but usually, a solid polymer electrolyte membrane, carbon paper or the like is supported. Molded on layer material. Examples of the method of molding on these support layers include a method of printing or coating on a support layer material, a method of coating on a blank and transferring to a solid polymer electrolyte membrane, and the like. In the above method, a solution of the halogen-containing atom organic compound or the lone electron pair-containing organic compound which is not contained in the molded body is applied to the surface of the molded body obtained after molding in this way to obtain a solution. The compound of (1) is permeated into the molded body to finally obtain a molded body made of a composition containing the halogen-containing atom organic compound, the lone electron pair-containing organic compound, and the electrode catalyst. Usually, the paste-like composition containing the electrode contact is filled and adhered in the voids and on the surface of such a support layer material so as to have a thickness of 5 to 50 μm.

【0027】この時使用する支持層材料としては、従来
の高分子型燃料電池で使用されているものが何ら制限な
く使用できる。例えば、固体高分子電解質膜としては固
体高分子型燃料電池用の固体高分子電解質膜として使用
できることが知られている公知の陽イオン交換樹脂膜又
は陰イオン交換樹脂膜が制限なく使用できる。しかしな
がら、従来の技術ととして前記した(i)〜(iv)のような
問題が起り難いという観点から炭化水素系陰イオン交換
膜を使用するのが好適である。好適に使用できる炭化水
素系陰イオン交換膜を例示すればクロルメチルスチレン
−ジビニルベンゼン共重合体、ビニルピリジン−ジビニ
ルベンゼン等の共重合体をアミノ化、アルキル化等の処
理により所望の陰イオン交換基を導入した膜が挙げられ
る。これらの陰イオン交換樹脂膜は、一般的には、熱可
塑性樹脂製の織布、布織布、多孔膜等を基材により支持
されているが、ガス透過性が低く、薄膜化が可能である
ことから該基材としては、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン樹脂、ポリ
テトラフルオロエチレン、ポリ(テトラフルオロエチレ
ン−ヘキサフルオロプロピレン)、ポリフッ化ビニリデ
ン等のフッ素系樹脂等の熱可塑性樹脂製多孔膜からなる
基材を用いるの好適である。また、これら炭化水素系陰
イオン交換膜の膜厚は、電気抵抗を低く抑える観点及び
支持膜として必要な機械的強度を付与する観点から、通
常5〜200μmの厚みを有するものが好ましく、より
好ましくは20〜150μmを有するものが好ましい。
その他の支持層材料としては、通常、カーボン繊維織
布、カーボンペーパー等の多孔質膜が使用される。これ
ら支持層材料の厚みは、50〜300μmが好ましく、
その空隙率は、50〜90%が好ましい。
As the support layer material used at this time, those used in conventional polymer type fuel cells can be used without any limitation. For example, as the solid polymer electrolyte membrane, known cation exchange resin membranes or anion exchange resin membranes known to be usable as solid polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells can be used without limitation. However, it is preferable to use a hydrocarbon-based anion exchange membrane from the viewpoint that the problems (i) to (iv) described above as the conventional techniques are unlikely to occur. An example of a hydrocarbon-based anion exchange membrane that can be preferably used is a desired anion exchange by treatment of a copolymer such as chloromethylstyrene-divinylbenzene copolymer or vinylpyridine-divinylbenzene with amination or alkylation. A membrane in which a group is introduced can be used. These anion exchange resin membranes are generally woven fabrics, woven fabrics, porous membranes, etc. made of thermoplastic resin supported by a substrate, but they have low gas permeability and can be thinned. Therefore, as the base material, a thermoplastic resin such as a polyolefin resin such as polyethylene, polypropylene or polymethylpentene, or a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene, poly (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene) or polyvinylidene fluoride. It is preferable to use a substrate made of a porous film. The thickness of these hydrocarbon-based anion exchange membranes is preferably 5 to 200 μm, more preferably from the viewpoint of suppressing the electrical resistance to a low level and imparting the mechanical strength required for the supporting membrane. Is preferably 20 to 150 μm.
As the other support layer material, a porous membrane such as carbon fiber woven fabric or carbon paper is usually used. The thickness of these support layer materials is preferably 50 to 300 μm,
The porosity is preferably 50 to 90%.

【0028】次いで、本発明の製造方法においては、こ
のようにして得られた“互いに接触することにより架橋
してイオン交換樹脂を形成し得る2種以上の有機化合
物、及び電極触媒を含有する組成物からなる成形体”中
に含まれる前記2種以上の有機化合物を架橋させてイオ
ン交換樹脂に転化させる。この時の架橋方法は特に限定
されず、使用した上記2種類以上の化合物の種類に応じ
て適宜決定すればよい。一般的には、加熱処理、光照
射、ラジカル重合開始剤を添加してのこれら処理などが
挙げられる。なおラジカル重合開始剤を用いる場合には
ラジカル重合開始剤を前記ぺーストに予め混合しておい
てもよい。上記2種以上の化合物として前記した含ハロ
ゲン原子有機化合物と孤立電子対含有有機化合物との組
み合わせを採用した場合には、加熱処理により容易に架
橋を行なうことができる。
Next, in the production method of the present invention, a composition containing the thus obtained "two or more kinds of organic compounds capable of cross-linking by contact with each other to form an ion exchange resin" and an electrode catalyst. The two or more kinds of organic compounds contained in the "molded product" are crosslinked and converted into an ion exchange resin. The crosslinking method at this time is not particularly limited and may be appropriately determined depending on the types of the above-mentioned two or more types of compounds used. Generally, heat treatment, light irradiation, these treatments by adding a radical polymerization initiator and the like can be mentioned. When a radical polymerization initiator is used, the radical polymerization initiator may be mixed in the paste in advance. When a combination of the organic compound containing a halogen atom and the organic compound containing a lone electron is adopted as the above-mentioned two or more compounds, the crosslinking can be easily carried out by a heat treatment.

【0029】この場合において、架橋させる時の加熱条
件は、使用した化合物の種類及び組成、化合物としてモ
ノマーを使用し、重合反応を合わせて行なう場合には用
いる重合開始剤の種類、使用した支持層材料の耐熱性等
を勘案して適宜決定すればよいが、一般的な加熱条件
は、加熱温度40〜200℃、好ましくは80℃〜12
0℃、加熱時間5〜120分程度である。
In this case, the heating conditions for crosslinking are as follows: the type and composition of the compound used, the type of polymerization initiator used when the monomers are used as compounds, and the type of polymerization initiator used when the polymerization reactions are carried out together, and the supporting layer used. It may be appropriately determined in consideration of the heat resistance of the material, but general heating conditions include a heating temperature of 40 to 200 ° C, preferably 80 ° C to 12 ° C.
The temperature is 0 ° C. and the heating time is about 5 to 120 minutes.

【0030】なお、該加熱処理は、ガス拡散電極を固体
高分子電解質膜に熱圧着して固体高分子電解質膜/ガス
拡散電極接合体を製造する際の熱圧着処理として行なう
こともできる。この時用いる装置は、加圧、加温できる
装置、一般的には、ホットプレス機、ロールプレス機等
により行われる。プレス温度は固体高分子電解質膜のガ
ラス転移温度以上であればよく、一般的には80℃〜2
00℃であり、プレス圧力は、使用するガス拡散電極の
厚み、硬度に依存するが、通常0.5〜20MPaであ
る。また、固体高分子電解質膜/ガス拡散電極接合体を
製造するに際して、本発明の製造方法で得られるガス拡
散電極は、固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面に
施用されればよく、もう一方の面には従来方法により製
造されるガス拡散電極を施用することもできる。
The heat treatment can also be carried out as a thermocompression bonding treatment for producing a solid polymer electrolyte membrane / gas diffusion electrode assembly by thermocompression bonding the gas diffusion electrode to the solid polymer electrolyte membrane. The apparatus used at this time is an apparatus capable of pressurizing and heating, generally, a hot press machine, a roll press machine or the like. The pressing temperature may be higher than the glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane, and generally 80 ° C to 2 ° C.
The pressure is 00 ° C., and the pressing pressure is usually 0.5 to 20 MPa, although it depends on the thickness and hardness of the gas diffusion electrode used. Further, in producing the solid polymer electrolyte membrane / gas diffusion electrode assembly, the gas diffusion electrode obtained by the production method of the present invention may be applied to at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the other It is also possible to apply a gas diffusion electrode manufactured by a conventional method to this surface.

【0031】このような加熱処理を行なうことにより、
前記したような機構により架橋反応が起り、形成される
オニウム塩の部分を(陰)イオン交換基として有する架
橋構造を有するイオン交換樹脂が形成される。該イオン
交換樹脂はイオン伝導性付与剤として機能し、加熱処理
後の前記成形体は結果としてガス拡散電極として機能す
る。加熱処理後のガス拡散電極はそのまま使用すること
も勿論可能であるが、高出力特性が得られるという理由
より、陰イオン交換基となる上記オニウム塩の部分のオ
ニウムイオンの対アニオンであるハロゲン化物イオンを
水酸化物イオンに置換して使用することが好ましい。こ
のようなイオン交換は、アルカリ水溶液によって処理す
ることにより容易に行なうことができる。
By performing such heat treatment,
A cross-linking reaction occurs by the mechanism as described above, and an ion exchange resin having a cross-linking structure having a portion of the onium salt formed as a (anion) ion exchange group is formed. The ion exchange resin functions as an ion conductivity-imparting agent, and the molded body after the heat treatment consequently functions as a gas diffusion electrode. It is of course possible to use the gas diffusion electrode after the heat treatment as it is, but for the reason that high output characteristics can be obtained, a halide which is a counter anion of the onium ion of the above-mentioned onium salt part which becomes an anion exchange group. It is preferable to use by replacing the ions with hydroxide ions. Such ion exchange can be easily performed by treating with an alkaline aqueous solution.

【0032】なお、本発明の製造方法では、“互いに接
触することにより架橋してイオン交換樹脂を形成し得る
2種以上の有機化合物”の種類に応じて陰イオン交換樹
脂だけでなく陽イオン交換樹脂を含むガス拡散電極を製
造できるため、固体高分子型燃料のガス拡散電極であれ
ばどのようなガス拡散電極を製造することもできる。し
かしながら、炭化水素系陰イオン交換膜を固体高分子電
解質膜として用いた固体高分子型燃料電池用のイオン伝
導性付与剤として陰イオン交換樹脂を含むガス拡散電極
の製造に用いた場合にその効果を最も発揮するのでこの
ようなガス拡散電極の製造方法として使用するのが特に
好適である。
In the production method of the present invention, not only an anion exchange resin but also a cation exchange resin is selected depending on the type of "two or more kinds of organic compounds capable of cross-linking to form an ion exchange resin by contacting each other". Since a gas diffusion electrode containing a resin can be manufactured, any gas diffusion electrode can be manufactured as long as it is a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel. However, its effect when used in the production of a gas diffusion electrode containing an anion exchange resin as an ion conductivity imparting agent for polymer electrolyte fuel cells using a hydrocarbon-based anion exchange membrane as a solid polymer electrolyte membrane It is particularly suitable to use as a method for producing such a gas diffusion electrode, since it exhibits the most.

【0033】このようにして本発明の製造方法を用いて
調製されたガス拡散電極、及び固体高分子電解質膜/ガ
ス拡散電極接合体は、前記した図1に示すような基本構
造の固体高分子型燃料電池に装着されて使用される。
The gas diffusion electrode and the solid polymer electrolyte membrane / gas diffusion electrode assembly thus prepared using the production method of the present invention are solid polymer having a basic structure as shown in FIG. It is used by being attached to a fuel cell.

【0034】[0034]

【実施例】以下、実施例及び比較例をあげて本発明を説
明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。尚、実施例および比較例に示す特性は、以下の
方法により測定した値を示す。
The present invention will be described below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples. The characteristics shown in Examples and Comparative Examples are values measured by the following methods.

【0035】(1)燃料電池出力電圧 陰イオン交換膜/ガス拡散電極接合体の両側から厚みが
200μmであり、空孔率が80%のカーボンペーパー
の電極で挟み込み、図1に示す構造の燃料電池セルに組
み込んで、圧力2気圧、燃料電池セル温度50℃、加湿
温度50℃の酸素と水素をそれぞれ200(ml/mi
n.)、400(ml/min.)で供給して発電試験
を行ない、電流密度0(A/cm)、0.3(A/c
)、及び1.0(A/cm)におけるセルの端子
電圧を測定した。
(1) Fuel cell output voltage Anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly is sandwiched by carbon paper electrodes having a thickness of 200 μm and a porosity of 80% from both sides, and the fuel having the structure shown in FIG. Incorporated into a battery cell, pressure of 2 atm, fuel cell temperature 50 ℃, humidification temperature 50 ℃ oxygen and hydrogen 200 (ml / mi) each
n. ), 400 (ml / min.) To perform a power generation test, and current density is 0 (A / cm 2 ), 0.3 (A / c).
The terminal voltage of the cell at m 2 ), and 1.0 (A / cm 2 ) was measured.

【0036】(2)耐久性評価 前記出力電圧の測定後、セル温度50℃、電流密度0.
3A/cmでの条件下で連続発電試験を行い、250
時間後の出力電圧を測定し、水酸イオン伝導性付与剤の
耐久性を評価した。
(2) Durability evaluation After the output voltage was measured, the cell temperature was 50 ° C. and the current density was 0.
A continuous power generation test was performed under the conditions of 3 A / cm 2 and 250
The output voltage after a lapse of time was measured to evaluate the durability of the hydroxide ion conductivity-imparting agent.

【0037】(3)接合性評価 上記耐久性の評価後、燃料電池セルを解体し、陰イオン
交換膜/ガス拡散電極接合体から、カーボンペーパーを
剥離し、陰イオン交換膜の酸化剤室側表面に付着してい
る白金担持カーボンの量を目視観察した。白金担持カー
ボンが陽イオン交換膜表面に均一に付着しているものを
接合強度良好(○)、白金担持カーボンがはがれ、陰イ
オン交換膜面が露出しているものを接合強度不良(×)
と評価した。
(3) Bonding Evaluation After the above durability evaluation, the fuel cell was disassembled, the carbon paper was peeled from the anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly, and the anion exchange membrane side of the oxidant chamber was removed. The amount of platinum-supporting carbon adhering to the surface was visually observed. Bonding strength is good when the platinum-supporting carbon is uniformly attached to the surface of the cation exchange membrane (○), and bonding strength is poor when the platinum-supporting carbon is peeled off and the anion-exchange membrane surface is exposed (x).
It was evaluated.

【0038】(4)耐水性評価 前記出力電圧の評価後、燃料電池セルを解体し、陰イオ
ン交換膜/ガス拡散電極接合体の酸化剤室側における、
ガス拡散電極周囲の陰イオン交換膜表面上での、生成水
によるイオン伝導性付与剤の流れ出しによる変色域(図
2の点線で囲まれた領域)の有無を観察し、水酸イオン
伝導性付与剤の耐水性を評価した。
(4) Water resistance evaluation After the evaluation of the output voltage, the fuel cell was disassembled, and the anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly on the oxidant chamber side was
The presence or absence of a discoloration area (area surrounded by a dotted line in FIG. 2) due to the flow of the ion conductivity imparting agent due to the produced water on the surface of the anion exchange membrane around the gas diffusion electrode was observed to impart the hydroxide ion conductivity. The water resistance of the agent was evaluated.

【0039】実施例1〜4 先ず、ポリエチレンからなる多孔膜を母材とし、ビニル
ピリジン−ジビニルベンゼン共重合体をヨウ化メチルで
4級化しピリジニウム基を導入した陰イオン交換容量が
2.4mmol/gであり厚みが30μmである陰イオ
ン交換膜上に、電極触媒として平均粒子径が2nmの白
金が30重量%坦持されたカーボンブラックと表1に示
す含ハロゲン原子有機化合物、孤立電子対含有有機化合
物、及び有機溶媒を表1に示した重量比で混合して得た
ペースト状組成物を塗布し、25℃で6時間過熱した。
次に、こうして得られた膜状物を、100℃、圧力5M
Paの加圧下で100秒間熱圧着した後、室温で2分間
放置した。その後、0.1Nの水酸化ナトリウム水溶液
に浸漬させて、対アニオンであるハロゲン化物イオンを
水酸化物イオンに置換させて、陰イオン交換膜/ガス拡
散電極接合体を作製した。該ガス拡散電極において、電
極触媒(白金)を坦持した導電剤(カーボンブラック)
に対するイオン伝導性付与剤の含有量は20重量%であ
り、同じく電極触媒相に対する白金の含有量は1mg/
cmである。
Examples 1 to 4 First, a porous membrane made of polyethylene was used as a base material, a vinylpyridine-divinylbenzene copolymer was quaternized with methyl iodide and a pyridinium group was introduced, and the anion exchange capacity was 2.4 mmol /. On the anion exchange membrane having a thickness of 30 μm and a thickness of 30 μm, carbon black loaded with 30% by weight of platinum having an average particle size of 2 nm as an electrode catalyst, a halogen-containing organic compound shown in Table 1, and a lone electron pair are contained. The paste-like composition obtained by mixing the organic compound and the organic solvent in the weight ratio shown in Table 1 was applied and heated at 25 ° C. for 6 hours.
Next, the film-like material thus obtained is treated at 100 ° C. and a pressure of 5M.
After thermocompression bonding for 100 seconds under a pressure of Pa, it was left at room temperature for 2 minutes. Then, it was immersed in a 0.1 N aqueous sodium hydroxide solution to replace the halide ion, which is a counter anion, with a hydroxide ion, to prepare an anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly. In the gas diffusion electrode, a conductive agent (carbon black) carrying an electrode catalyst (platinum)
The content of the ion-conductivity imparting agent is 20% by weight, and the content of platinum in the electrocatalyst phase is 1 mg /
cm 2 .

【0040】[0040]

【表1】 [Table 1]

【0041】このようにして得られた記陰イオン交換膜
/ガス拡散電極接合体を、燃料電池セルに組み込んだ
後、燃料電池出力電圧、接合性、耐水性及び耐久性を測
定した。これらの結果を表2に示した。
The anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly thus obtained was assembled into a fuel cell, and then the fuel cell output voltage, bonding property, water resistance and durability were measured. The results are shown in Table 2.

【0042】[0042]

【表2】 [Table 2]

【0043】実施例5〜8 ペースト組成物として表3に示す含ハロゲン原子有機化
合物、孤立電子対含有有機化合物、重合開始剤および結
着剤を用い、80℃で8時間過熱を行なった以外は実施
例1と同様な方法で陰イオン交換膜/ガス拡散電極接合
体を作製した。
Examples 5 to 8 As a paste composition, the halogen-containing atom organic compound, lone electron pair-containing organic compound, polymerization initiator and binder shown in Table 3 were used, except that heating was carried out at 80 ° C. for 8 hours. An anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1.

【0044】[0044]

【表3】 [Table 3]

【0045】得られた陰イオン交換膜/ガス拡散電極接
合体を、燃料電池セルに組み込んだ後、燃料電池出力電
圧、接合性、耐水性及び耐久性を測定した。これらの結
果を表2に示した。
After the obtained anion-exchange membrane / gas diffusion electrode assembly was incorporated in a fuel cell, the fuel cell output voltage, bonding property, water resistance and durability were measured. The results are shown in Table 2.

【0046】比較例1 水酸イオン伝導性付与剤として、平均分子量10万のポ
リビニルピリジンをヨウ化メチルで4級化したもの(陰
イオン交換容量5.0:20℃水への溶解度50重量
%)の10%水溶液を用いて、陰イオン交換膜/ガス拡
散電極接合体を作成し、燃料電池セルに組み込んだ後、
燃料電池出力電圧、接合性、耐水性及び耐久性を測定し
た。これらの結果を表2に示した。
Comparative Example 1 As the hydroxide ion conductivity-imparting agent, polyvinyl pyridine having an average molecular weight of 100,000 was quaternized with methyl iodide (anion exchange capacity 5.0: 20 ° C., solubility in water: 50% by weight). After preparing an anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly using the 10% aqueous solution of 1) and incorporating it into a fuel cell,
The fuel cell output voltage, bondability, water resistance and durability were measured. The results are shown in Table 2.

【0047】該比較例は、イオン伝導性付与剤として、
水溶性の炭化水素系陰イオン交換樹脂溶液を用いた例で
あるが、実施例の結果と比べ、耐水性が悪く、燃料電池
出力が低下している。
In the comparative example, as the ion conductivity imparting agent,
This is an example using a water-soluble hydrocarbon-based anion exchange resin solution, but the water resistance is poor and the fuel cell output is reduced as compared with the results of the examples.

【0048】比較例2 パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(陽イオン交換容
量0.9)のアルコールと水の5%溶液(アルドリッチ
社製)を減圧乾燥して取り出した樹脂を、塩化チオニル
を用いてスルホン酸基をスルホニルクロライド基に変換
した。次いでN、N、N’−テトラメチルエチレンジア
ミンと反応させスルホン酸アミド基に変換した後、ヨウ
化メチルを用いて4級化し、これを水と1−プロパノー
ルの混合溶液に分散させて、イオン伝導性付与剤溶液と
した(5重量%溶液)。この溶液を用いて陰イオン交換
膜/ガス拡散電極接合体を作成し、燃料電池セルに組み
込んだ後、燃料電池出力電圧、接合性、耐水性及び耐久
性を測定した。これらの結果を表2に示した。
Comparative Example 2 A 5% solution of a perfluorocarbon sulfonic acid resin (cation exchange capacity 0.9) in alcohol and water (manufactured by Aldrich Co.) was dried under reduced pressure, and the resin was taken out and sulfonated with thionyl chloride. The group was converted to a sulfonyl chloride group. Then, it is reacted with N, N, N'-tetramethylethylenediamine to convert it into a sulfonic acid amide group, which is then quaternized with methyl iodide, and this is dispersed in a mixed solution of water and 1-propanol to obtain ionic conductivity. It was used as a solution of the property imparting agent (5% by weight solution). An anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly was prepared using this solution and incorporated into a fuel cell, and then the fuel cell output voltage, bondability, water resistance and durability were measured. The results are shown in Table 2.

【0049】該比較例は、イオン伝導性付与剤としてパ
ーフルオロカーボン樹脂系陰イオン交換樹脂を溶媒に分
散させた例であるが、実施例の結果と比べ、接合強度が
悪く燃料電池出力が低下している。
The comparative example is an example in which a perfluorocarbon resin-based anion exchange resin was dispersed in a solvent as an ion conductivity-imparting agent, but the bonding strength was poor and the fuel cell output was reduced as compared with the results of the examples. ing.

【0050】比較例3 4級アンモニウム塩型のスチレン−ジビニルベンゼン共
重合体(ジビニルベンゼン含量8重量%:陰イオン交換
容量3.7、水およびメタノールへの溶解度0.01重
量%以下)(オルガノ社製、商品名:アンバーライト)
を粉砕し、これを1−プロパノールに分散させて、イオ
ン伝導性付与剤溶液とした(10重量%溶液)。この溶
液を用いて陰イオン交換膜/ガス拡散電極接合体を作成
し、燃料電池セルに組み込んだ後、燃料電池出力電圧、
接合性、耐水性及び耐久性を測定した。これらの結果を
表2に示した。
Comparative Example 3 Quaternary ammonium salt type styrene-divinylbenzene copolymer (divinylbenzene content 8% by weight: anion exchange capacity 3.7, solubility in water and methanol 0.01% by weight or less) (organo) (Product name: Amber Light)
Was crushed and dispersed in 1-propanol to obtain an ion conductivity imparting agent solution (10% by weight solution). An anion exchange membrane / gas diffusion electrode assembly was prepared using this solution, and after being assembled in a fuel cell, the fuel cell output voltage,
The bondability, water resistance and durability were measured. The results are shown in Table 2.

【0051】該比較例は、イオン伝導性付与剤として炭
化水素系陰イオン交換樹脂を溶媒に分散させた例である
が、実施例の結果と比べ、接合性が悪く燃料電池出力が
低下している。
The comparative example is an example in which a hydrocarbon type anion exchange resin was dispersed in a solvent as an ion-conductivity imparting agent, but the bonding property was poor and the fuel cell output decreased as compared with the results of the examples. There is.

【0052】[0052]

【発明の効果】本発明の製造方法によれば、燃料にメタ
ノールを用いた場合でも安定して高い出力電圧を維持す
ることが可能な燃料電用の固体電解質膜/ガス拡散電極
接合体として期待されている炭化水素系陰イオン交換膜
/ガス拡散電極複合体用のに好適なガス拡散電極を容易
に製造することができる。そして本発明の製造方法で製
造される本発明のガス拡散電極はイオン伝導性付与剤と
して架橋構造を有するイオン交換樹脂を使用しているに
も拘わらず、該イオン伝導性付与剤が均一に分散し、電
極触媒との密着性が良好であり、電極触媒の有効利用率
を高くすることができる。また、上記イオン交換樹脂は
架橋構造を有するため、燃料又は燃料中に存在する水分
或いは副生する水分の影響を受け難く、本発明のガス拡
散電極は耐熱性や耐薬品性も優れている。その結果、本
発明のガス拡散電極を用いた電解質型燃料電池、特に炭
化水素系陰イオン交換膜を用いた電解質型燃料電池は、
出力特性が優れたものとなるばかりでなく、その効果が
長期間持続しる耐久性の高い燃料電池となる。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the production method of the present invention, it is expected as a solid electrolyte membrane / gas diffusion electrode assembly for a fuel cell which can stably maintain a high output voltage even when methanol is used as a fuel. The gas diffusion electrode suitable for the existing hydrocarbon-based anion exchange membrane / gas diffusion electrode composite can be easily manufactured. And, although the gas diffusion electrode of the present invention produced by the production method of the present invention uses an ion exchange resin having a crosslinked structure as the ion conductivity imparting agent, the ion conductivity imparting agent is uniformly dispersed. However, the adhesion with the electrode catalyst is good, and the effective utilization rate of the electrode catalyst can be increased. Further, since the above ion exchange resin has a crosslinked structure, it is not easily affected by fuel, water present in fuel or water produced as a by-product, and the gas diffusion electrode of the present invention has excellent heat resistance and chemical resistance. As a result, an electrolyte fuel cell using the gas diffusion electrode of the present invention, particularly an electrolyte fuel cell using a hydrocarbon-based anion exchange membrane,
Not only the output characteristics are excellent, but also the effect is high and the fuel cell has high durability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 図1は、固体高分子型燃料電池の基本構造を
示す概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic structure of a polymer electrolyte fuel cell.

【図2】 図2は、出力電圧評価後のイオン伝導性付与
剤の流れ出しが発生した場合における陰イオン交換膜/
ガス拡散電極接合体の酸化剤室側表面を示す図である。
FIG. 2 is an anion exchange membrane / when an outflow of an ion conductivity-imparting agent occurs after evaluation of an output voltage.
It is a figure which shows the oxidizing agent chamber side surface of a gas diffusion electrode assembly.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;電池隔壁 2;燃料ガス流通孔 3;酸化剤ガス流通孔 4;燃料室側ガス拡散電極 5;酸化剤室側ガス拡散電極 6;固体高分子電解質(陰イオン交換膜) 7;燃料室 8;酸化剤室 9;水酸イオン伝導性付与剤の流出による変色域 1; Battery partition 2; Fuel gas flow hole 3; Oxidant gas flow hole 4; Fuel chamber side gas diffusion electrode 5: Gas diffusion electrode on the oxidant chamber side 6; Solid polymer electrolyte (anion exchange membrane) 7; Fuel chamber 8; Oxidizer chamber 9: Discoloration area due to outflow of hydroxide ion conductivity-imparting agent

フロントページの続き Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB12 BB16 EE03 EE16 5H026 AA06 BB01 BB10 EE02 EE17Continued front page    F-term (reference) 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB12                       BB16 EE03 EE16                 5H026 AA06 BB01 BB10 EE02 EE17

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 互いに接触することにより架橋してイオ
ン交換樹脂を形成し得る2種以上の有機化合物、及び電
極触媒を含有する組成物からなる成形体を得た後に該成
形体中に含まれる前記2種以上の有機化合物を架橋させ
ることを特徴とする固体高分子型燃料電池用ガス拡散電
極の製造方法。
1. A molded body comprising a composition containing two or more kinds of organic compounds capable of cross-linking to form an ion exchange resin by contacting each other and an electrode catalyst, and thereafter contained in the molded body. A method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises cross-linking the two or more kinds of organic compounds.
【請求項2】 互いに接触することにより架橋してイオ
ン交換樹脂を形成し得る2種以上の有機化合物として、
(1)末端に少なくとも1個のハロゲン原子を有する含
ハロゲン原子有機化合物、及び(2)孤立電子対を持つ
原子を分子内に少なくとも1個有し、該原子において前
記含ハロゲン原子有機化合物とオニウム塩を形成して結
合し得る孤立電子対含有有機化合物からなる組合わせで
あって、当該オニウム塩の形成を伴う結合により架橋す
る化合物の組み合わせを使用し、前記組成物を成形した
後に加熱処理することによりこれら化合物を架橋させる
ことを特徴とする請求項1記載の製造方法。
2. As two or more kinds of organic compounds capable of forming an ion exchange resin by being cross-linked by coming into contact with each other,
(1) A halogen-containing organic compound having at least one halogen atom at the terminal, and (2) At least one atom having a lone electron pair in the molecule, and the halogen-containing organic compound and onium at the atom. A combination of lone pair-containing organic compounds capable of forming a salt and binding, wherein a combination of compounds that crosslinks by a bond accompanied by the formation of the onium salt is used, and the composition is heat-treated after molding. The method according to claim 1, wherein the compound is crosslinked.
【請求項3】 前記孤立電子対含有有機化合物及び前記
該含ハロゲン原子有機化合物の溶液若しくは懸濁液と、
電極触媒とを混合して得たペースト状組成物を成形し、
次いで得られた成形体を加熱処理することを特徴とする
請求項2に記載の製造方法。
3. A solution or suspension of the lone electron pair-containing organic compound and the halogen-containing atom organic compound,
Mold the paste composition obtained by mixing with the electrode catalyst,
Next, the obtained molded body is heat-treated, and the manufacturing method according to claim 2.
【請求項4】 前記孤立電子対含有有機化合物の溶液若
しくは懸濁液又は含ハロゲン原子有機化合物の溶液若し
くは懸濁液と電極触媒とを混合して得たペースト状組成
物を成形し、次いで得られた成形体の表面に、前記含ハ
ロゲン原子有機化合物の溶液又は前記孤立電子対含有有
機化合物の溶液をそれぞれ塗布した後に加熱処理するこ
とを特徴とする請求項2に記載の製造方法。
4. A paste-like composition obtained by mixing a solution or suspension of the lone electron pair-containing organic compound or a solution or suspension of the halogen-containing atom-containing organic compound with an electrode catalyst is molded and then obtained. The manufacturing method according to claim 2, wherein a heat treatment is performed after applying the solution of the halogen-containing atom organic compound or the solution of the lone electron pair-containing organic compound on the surface of the formed body.
【請求項5】 請求項2乃至4の何れかに記載の方法に
おいて、加熱処理後に成形体中に形成されたイオン交換
樹脂中のオニウムイオンの対アニオンであるハロゲン化
物イオンを水酸化物イオンに置換することを特徴とする
製造方法。
5. The method according to claim 2, wherein a halide ion, which is a counter anion of the onium ion in the ion exchange resin formed in the molded body after the heat treatment, is converted into a hydroxide ion. A manufacturing method characterized by replacement.
【請求項6】 請求項1乃至は5の何れかの方法で製造
されるガス拡散電極。
6. A gas diffusion electrode manufactured by the method according to claim 1.
【請求項7】 固体高分子電解質膜の少なくとも一方の
面に請求項1乃至5の何れかに記載の方法で製造された
ガス拡散電極を接合した接合体からなることを特徴とす
る固体高分子型燃料電池用部材。
7. A solid polymer comprising a bonded body in which the gas diffusion electrode manufactured by the method according to any one of claims 1 to 5 is bonded to at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane. Type fuel cell member.
【請求項8】 請求項7記載の部材を構成部材として具
備することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
8. A polymer electrolyte fuel cell comprising the member according to claim 7 as a constituent member.
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