JP2003346815A - Membrane electrode joint body and method for manufacturing the same - Google Patents

Membrane electrode joint body and method for manufacturing the same

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JP2003346815A
JP2003346815A JP2002156740A JP2002156740A JP2003346815A JP 2003346815 A JP2003346815 A JP 2003346815A JP 2002156740 A JP2002156740 A JP 2002156740A JP 2002156740 A JP2002156740 A JP 2002156740A JP 2003346815 A JP2003346815 A JP 2003346815A
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JP
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catalyst layer
group
solid polymer
electrolyte
functional group
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JP2002156740A
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Japanese (ja)
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Naoki Hasegawa
直樹 長谷川
Masaya Kawakado
昌弥 川角
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Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode joint body in which the internal structure of a catalyst layer is stably kept even when it is used for a long time in a high-moisture condition or a high-temperature condition, and a high output is obtained even when it is used under a high-temperature and in a low-moisture condition, and a method for manufacturing the membrane electrode joint body. <P>SOLUTION: The membrane electrode joint body comprises a solid polymer electrolytic membrane and electrodes joined with both sides of the solid polymer electrolytic membrane. At least one of the electrodes has a catalyst layer containing an electrolyte in the catalyst layer formed of a solid polymer compound crosslinked via at least one crosslinked group selected from a bis-sulfonyl- imide group, sulfonyl-carbonylimide group, and a bis-carbonyl-imide group. This membrane electrode joint body is obtained by reacting a catalyst layer containing a solid polymer compound having a functional group A with a crosslinking agent having a functional group B or a crosslinking agent capable of introducing the functional group B in the solid polymer compound. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、膜電極接合体、及
びその製造方法に関し、さらに詳しくは、燃料電池、水
電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、
水素及び/又は酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等
の各種電気化学デバイスに用いられる膜電極接合体、及
びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a membrane electrode assembly and a method for producing the same, and more particularly, to a fuel cell, a water electrolysis apparatus, a hydrohalic acid electrolysis apparatus, a salt electrolysis apparatus,
The present invention relates to a membrane electrode assembly used for various electrochemical devices such as a hydrogen and / or oxygen concentrator, a humidity sensor, a gas sensor, and the like, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子電解質は、高分子鎖中にスル
ホン酸基等の電解質基を有する固体高分子材料であり、
特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオ
ンを選択的に透過する性質を有していることから、粒
子、繊維、あるいは膜状に成形し、各種の用途に利用さ
れている。
2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in a polymer chain.
Since it has the property of firmly binding to specific ions and selectively permeating cations or anions, it is formed into particles, fibers, or films and used for various purposes.

【0003】例えば、固体高分子型燃料電池は、連続的
に供給される燃料が酸化する際に発生する化学エネルギ
ーを直接、電気エネルギーとして取り出す電池であり、
電解質膜として、プロトン伝導性を有する固体高分子電
解質膜が用いられている。
For example, a polymer electrolyte fuel cell is a battery in which chemical energy generated when a continuously supplied fuel is oxidized is directly extracted as electric energy.
As the electrolyte membrane, a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used.

【0004】また、SPE電解法は、水を電気分解する
ことにより水素と酸素を製造する方法であり、電解質と
して、従来のアルカリ水溶液に代えて、プロトン伝導性
を有する固体高分子電解質膜が用いられている。
The SPE electrolysis method is a method for producing hydrogen and oxygen by electrolyzing water. A solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used as an electrolyte instead of a conventional alkaline aqueous solution. Have been.

【0005】このような用途に用いられる固体高分子電
解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポ
ン社製)に代表される非架橋のパーフルオロ系電解質や
各種の炭化水素系電解質が知られている。特に、パーフ
ルオロ系電解質は、化学的安定性が非常に高いことか
ら、燃料電池、SPE電解装置等、過酷な条件下で使用
される各種電気化学デバイス用の電解質膜として賞用さ
れているものである。
[0005] As solid polymer electrolytes used in such applications, for example, non-crosslinked perfluoro-based electrolytes represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and various hydrocarbon-based electrolytes are known. I have. In particular, perfluoro-based electrolytes, which have extremely high chemical stability, have been awarded as electrolyte membranes for various electrochemical devices used under severe conditions such as fuel cells and SPE electrolyzers. It is.

【0006】固体高分子型燃料電池、SPE電解装置等
において、固体高分子電解質は、極めて薄い膜状に成形
され、その両面に電極を接合した膜電極接合体(ME
A)として使用される。MEAの電極は、一般に、触媒
を担持させたカーボンと、その周囲を被覆する触媒層内
電解質とを含む触媒層を備えている。また、電極は、触
媒層と、その外側に形成されたカーボン布、カーボン紙
等からなる多孔質の拡散層の二層構造をとる場合もあ
る。このようなMEAは、通常、テトラフルオロエチレ
ン等の基材又は拡散層の表面に触媒を担持させたカーボ
ン及び触媒層内電解質の混合物を塗布することによって
触媒層を形成し、この触媒層と固体高分子電解質膜とを
ホットプレスすることにより製造されている。
In polymer electrolyte fuel cells, SPE electrolyzers, and the like, the polymer electrolyte is formed into an extremely thin film, and a membrane electrode assembly (ME) having electrodes bonded to both surfaces thereof.
Used as A). The electrode of the MEA generally includes a catalyst layer containing carbon carrying a catalyst and an electrolyte in a catalyst layer covering the periphery thereof. In some cases, the electrode has a two-layer structure of a catalyst layer and a porous diffusion layer formed of carbon cloth, carbon paper, or the like formed outside the catalyst layer. Such MEA usually forms a catalyst layer by applying a mixture of carbon carrying a catalyst and an electrolyte in the catalyst layer on the surface of a base material such as tetrafluoroethylene or a diffusion layer, and forms the catalyst layer with a solid. It is manufactured by hot pressing a polymer electrolyte membrane.

【0007】また、固体高分子型燃料電池において、電
池反応を効率よく進行させるためには、触媒、触媒層内
電解質及び反応ガスが共存する三相界面を触媒層内に形
成する必要がある。さらに、長期間にわたって高い性能
を維持するためには、このような触媒層の内部構造が安
定している必要がある。
In a polymer electrolyte fuel cell, a three-phase interface in which a catalyst, an electrolyte in a catalyst layer, and a reaction gas coexist must be formed in the catalyst layer in order for the cell reaction to proceed efficiently. Further, in order to maintain high performance for a long period of time, the internal structure of such a catalyst layer needs to be stable.

【0008】しかしながら、固体高分子型燃料電池の場
合、カソード側では、電池反応による水が生成する。ま
た、プロトンがアノード側からカソード側に移動する際
に、水もカソード側に拡散する。そのため、特に低作動
温度かつ高ガス利用率の条件下で燃料電池を長期間運転
すると、カソード側の触媒層内電解質が水に膨潤又は溶
解し、触媒層の内部構造が不安定化するという問題があ
る。
However, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, water is generated on the cathode side by a cell reaction. Further, when protons move from the anode side to the cathode side, water also diffuses to the cathode side. Therefore, when the fuel cell is operated for a long period of time particularly at a low operating temperature and a high gas utilization rate, the electrolyte in the catalyst layer on the cathode side swells or dissolves in water, and the internal structure of the catalyst layer becomes unstable. There is.

【0009】そこで、この問題を解決するために、触媒
層内電解質として、架橋された電解質を用いる方法が提
案されている。例えば、特開2001−176524号
公報には、反応性の異なる2個の二重結合を有する化合
物をコモノマとして用い、まず反応性の高い第1の二重
結合を用いて共重合体を合成し、次いで反応性の低い第
2の二重結合を用いて共重合体間を架橋させることによ
り得られるイオン交換樹脂が開示されている。
In order to solve this problem, a method has been proposed in which a crosslinked electrolyte is used as the electrolyte in the catalyst layer. For example, JP-A-2001-176524 discloses that a compound having two double bonds having different reactivities is used as a comonomer, and a copolymer is first synthesized by using a highly reactive first double bond. Then, an ion exchange resin obtained by crosslinking between copolymers using a second double bond having low reactivity is disclosed.

【0010】また、例えば、特開平11−7969号公
報には、分子内にスルホニルイミド酸、カルボニルイミ
ド酸及びスルホニルカルボニルイミド酸から選ばれる少
なくとも1つのイミド酸基を有する重合体と、酢酸マグ
ネシウムとを反応させることにより得られる架橋重合体
が開示されている。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-7969 discloses a polymer having at least one imidic acid group selected from sulfonylimidic acid, carbonylimidic acid and sulfonylcarbonylimidic acid in a molecule, and magnesium acetate. A cross-linked polymer obtained by reacting is described.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】特開平11−7696
号公報には、イミド酸基の水素の一部をMg2+のよう
な2価以上の金属イオンで置換すると、ポリマー間が架
橋される点が記載されている。しかしながら、この方法
により得られる架橋型電解質を水が共存する環境下で長
期間使用すると、架橋点から金属イオンが流出し、架橋
構造が消滅するという問題がある。架橋構造が消滅する
と、電解質が触媒層内の水に溶解又は膨潤しやすくな
り、触媒層の内部構造が不安定化する。また、この方法
は、イミド酸基が架橋に消費されるので、高いイオン伝
導度を示す架橋型電解質は得られない。
Problems to be Solved by the Invention
The publication describes that when a part of the hydrogen of the imidic acid group is substituted with a divalent or higher valent metal ion such as Mg 2+ , the polymer is crosslinked. However, when the crosslinked electrolyte obtained by this method is used for a long time in an environment where water coexists, there is a problem that metal ions flow out from the crosslink point and the crosslinked structure disappears. When the crosslinked structure disappears, the electrolyte easily dissolves or swells in water in the catalyst layer, and the internal structure of the catalyst layer becomes unstable. Further, in this method, since the imido acid group is consumed for crosslinking, a crosslinked electrolyte exhibiting high ionic conductivity cannot be obtained.

【0012】一方、特開2001−176524号公報
に開示されている方法により得られる架橋型電解質は、
共重合体間が二重結合により架橋されているので、触媒
層内の水によって触媒層の内部構造が不安定化するおそ
れは少ない。しかしながら、この方法は、架橋を形成す
るために220℃の熱処理を必要とするという問題があ
る。MEA作製時に200℃を超える温度で加熱する
と、触媒層内にある大半の三相界面が潰れるために、高
い燃料電池性能は得られない。
On the other hand, the crosslinked electrolyte obtained by the method disclosed in JP-A-2001-176524 is
Since the copolymers are cross-linked by a double bond, the internal structure of the catalyst layer is less likely to be destabilized by water in the catalyst layer. However, this method has a problem that a heat treatment at 220 ° C. is required to form a crosslink. When heating at a temperature exceeding 200 ° C. during the production of the MEA, most of the three-phase interface in the catalyst layer is crushed, so that high fuel cell performance cannot be obtained.

【0013】また、固体高分子型燃料電池においては、
そのシステムのコンパクト化を図るために、高温低加湿
条件下で運転することが望まれている。しかしながら、
非架橋型の触媒層内電解質を含む触媒層を備えたMEA
の場合、高温で使用すると触媒層の内部構造が不安定と
なる。また、従来の架橋型電解質は、いずれも保水性が
低いために、高温低加湿条件下では高いイオン伝導度を
示さない。そのため、これを触媒層内電解質として用い
ても、高い燃料電池性能は得られない。さらに、触媒層
と電解質膜とは、通常、ホットプレスにより接合される
が、接合時又は使用中に接合不良が発生すると、出力が
低下する原因となる。
In a polymer electrolyte fuel cell,
In order to reduce the size of the system, it is desired to operate it under high temperature and low humidification conditions. However,
MEA provided with catalyst layer containing non-crosslinked type electrolyte in catalyst layer
In the case of, when used at a high temperature, the internal structure of the catalyst layer becomes unstable. In addition, conventional cross-linked electrolytes do not exhibit high ionic conductivity under high temperature and low humidification conditions because of low water retention. Therefore, even if this is used as the electrolyte in the catalyst layer, high fuel cell performance cannot be obtained. Further, the catalyst layer and the electrolyte membrane are usually joined by hot pressing. However, if joining failure occurs during joining or during use, the output is reduced.

【0014】本発明が解決しようとする課題は、高湿度
条件下又は高温条件下で長期間使用した場合であって
も、触媒層の内部構造が安定して保たれる膜電極接合体
及びその製造方法を提供することにある。また、本発明
が解決しようとする他の課題は、高温低湿度条件下で使
用した場合であっても、高い出力が得られる膜電極接合
体及びその製造方法を提供することにある。さらに、本
発明が解決しようとする他の課題は、その性能及び耐久
性に優れた膜電極接合体及びその製造方法を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly in which the internal structure of a catalyst layer is stably maintained even when used under a high humidity or high temperature condition for a long period of time. It is to provide a manufacturing method. Another object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly capable of obtaining a high output even when used under conditions of high temperature and low humidity, and a method of manufacturing the same. Still another object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly having excellent performance and durability and a method for manufacturing the same.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子電解質膜
と、該固体高分子電解質膜の両面に接合された電極とを
備え、該電極の少なくとも一方は、ビススルホニルイミ
ド基、スルホニルカルボニルイミド基、及びビスカルボ
ニルイミド基から選ばれる少なくとも1つの架橋基を介
して架橋された固体高分子化合物からなる触媒層内電解
質を含む触媒層を備えていることを要旨とする。
Means for Solving the Problems To solve the above problems, a membrane electrode assembly according to the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane, and electrodes joined to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, At least one of the electrodes is a catalyst layer containing an electrolyte in a catalyst layer made of a solid polymer compound crosslinked via at least one crosslinking group selected from a bissulfonylimide group, a sulfonylcarbonylimide group, and a biscarbonylimide group. The gist is that it is provided.

【0016】本発明に係る膜電極接合体は、触媒層内電
解質が、ビススルホニルイミド基、スルホニルカルボニ
ルイミド基及び/又はビスカルボニルイミド基からなる
架橋基を介して架橋された固体高分子化合物からなるの
で、高湿度条件下又は高温条件下であっても、触媒層の
内部構造が安定して保たれる。また、架橋基そのものが
酸基として機能するので、触媒層の保水性が向上する。
そのため、高温低湿度条件下であっても高い出力が得ら
れる。
The membrane electrode assembly according to the present invention is characterized in that the electrolyte in the catalyst layer is made of a solid polymer compound crosslinked via a crosslinking group comprising a bissulfonylimide group, a sulfonylcarbonylimide group and / or a biscarbonylimide group. Therefore, the internal structure of the catalyst layer is stably maintained even under a high humidity condition or a high temperature condition. Further, since the crosslinking group itself functions as an acid group, the water retention of the catalyst layer is improved.
Therefore, high output can be obtained even under high temperature and low humidity conditions.

【0017】また、本発明に係る膜電極接合体の製造方
法は、官能基Aを有する固体高分子化合物を含む触媒層
を形成する触媒層形成工程と、前記官能基Aと反応する
ことによってビススルホニルイミド基、スルホニルカル
ボニルイミド基及びビスカルボニルイミド基から選ばれ
る少なくとも1つの架橋基を形成可能な官能基Bを備え
た架橋剤、又は前記固体高分子化合物に前記官能基Bを
導入可能な架橋剤を前記触媒層に導入し、前記官能基A
と前記官能基Bとを反応させる架橋工程と、前記触媒層
の加水分解及びプロトン交換を行うプロトン化工程と、
前記触媒層と固体高分子電解質膜とを接合する接合工程
とを備えていることを要旨とする。
Further, according to the method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention, a catalyst layer forming step of forming a catalyst layer containing a solid polymer compound having a functional group A; A crosslinking agent having a functional group B capable of forming at least one crosslinking group selected from a sulfonylimide group, a sulfonylcarbonylimide group, and a biscarbonylimide group, or crosslinking capable of introducing the functional group B into the solid polymer compound An agent is introduced into the catalyst layer, and the functional group A
And a crosslinking step of reacting the functional group B, and a protonation step of performing hydrolysis and proton exchange of the catalyst layer,
And a joining step of joining the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane.

【0018】官能基Aを備えた固体高分子化合物を含む
触媒層を形成し、これと官能基Bを備えた架橋剤又は固
体高分子化合物に官能基Bを導入可能な架橋剤とを反応
させると、固体高分子化合物間が、ビススルホニルイミ
ド基等からなる架橋基を介して架橋される。次いで、こ
の触媒層をプロトン化し、これと固体高分子電解質膜と
を接合すれば、構造安定性及び保水性に優れた触媒層を
備えた膜電極接合体が得られる。
A catalyst layer containing a solid polymer compound having a functional group A is formed, and this is reacted with a crosslinking agent having a functional group B or a crosslinking agent capable of introducing the functional group B into the solid polymer compound. And the solid polymer compound is cross-linked via a cross-linking group comprising a bissulfonylimide group or the like. Next, this catalyst layer is protonated, and this is joined to a solid polymer electrolyte membrane, to obtain a membrane electrode assembly having a catalyst layer having excellent structural stability and water retention.

【0019】また、本発明に係る膜電極接合体の2番目
は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両
面に接合された電極とを備え、該電極の少なくとも一方
は、該電極に備えられる触媒層に含まれる触媒層内電解
質の少なくとも一部が、前記固体高分子電解質膜と共有
結合で結合されていることを要旨とする。この場合、前
記共有結合は、ビススルホニルイミド結合、スルホニル
カルボニル結合、及びビスカルボニルイミド結合から選
ばれる少なくとも1つが好ましい。
The second embodiment of the membrane / electrode assembly according to the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane and electrodes bonded to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and at least one of the electrodes is The gist is that at least a part of the electrolyte in the catalyst layer included in the catalyst layer provided in the electrode is covalently bonded to the solid polymer electrolyte membrane. In this case, the covalent bond is preferably at least one selected from a bissulfonylimide bond, a sulfonylcarbonyl bond, and a biscarbonylimide bond.

【0020】電極に含まれる触媒層内電解質と固体高分
子電解質膜とを共有結合させると、固体高分子電解質膜
と触媒層内電解質との間の接合性が向上し、両者間にお
けるプロトンや水の授受がより円滑に行われる。そのた
め、このような膜電極接合体を燃料電池、ガスセンサ等
に適用すれば、これらの性能及び耐久性を向上させるこ
とができる。
When the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane contained in the electrode are covalently bonded, the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer is improved, and proton and water between the two are improved. Transfer is performed more smoothly. Therefore, if such a membrane electrode assembly is applied to a fuel cell, a gas sensor, and the like, the performance and durability thereof can be improved.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて詳細に説明する。本発明の第1の実施の形態に係る
膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電
解質膜の両面に接合された電極とを備えている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below in detail. The membrane electrode assembly according to the first embodiment of the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane and electrodes joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane.

【0022】初めに、固体高分子電解質膜について説明
する。固体高分子電解質とは、固体高分子化合物のいず
れかに電解質基が結合しているものをいう。本発明にお
いて、MEAの膜を構成する固体高分子電解質の材質は
特に限定されるものではなく、種々の組成、あるいは直
鎖状、分枝状等、種々の分子構造を備えた固体高分子電
解質に対して本発明を適用することができる。
First, the solid polymer electrolyte membrane will be described. The solid polymer electrolyte refers to one in which an electrolyte group is bonded to any of the solid polymer compounds. In the present invention, the material of the solid polymer electrolyte constituting the MEA membrane is not particularly limited, and is a solid polymer electrolyte having various compositions or various molecular structures such as linear or branched. The present invention can be applied to this.

【0023】すなわち、固体高分子電解質は、高分子鎖
中にC−F結合を含む固体高分子化合物(以下、これを
「フッ素系化合物」という。)のいずれかに電解質基が
結合しているもの(以下、これを「フッ素系電解質」と
いう。)であっても良く、あるいは、高分子鎖中にC−
H結合のみを含む固体高分子化合物(以下、これを「炭
化水素系化合物」という。)のいずれかに電解質基が結
合しているもの(以下、これを「炭化水素系電解質」と
いう。)であっても良い。
That is, in the solid polymer electrolyte, an electrolyte group is bonded to one of solid polymer compounds having a C—F bond in a polymer chain (hereinafter referred to as “fluorine compound”). (Hereinafter referred to as “fluorinated electrolyte”), or C-
A solid polymer compound containing only H bonds (hereinafter referred to as "hydrocarbon-based compound") having an electrolyte group bonded thereto (hereinafter referred to as "hydrocarbon-based electrolyte"). There may be.

【0024】また、フッ素系電解質は、高分子鎖中にC
−F結合及びC−H結合の双方を有する固体高分子化合
物(以下、これを「フッ素・炭化水素系化合物」とい
う。)のいずれかに電解質基が結合しているもの(以
下、これを「フッ素・炭化水素系電解質」という。)で
あっても良く、あるいは、高分子鎖中にC−F結合を含
み、かつC−H結合を含まない固体高分子化合物(以
下、これを「パーフルオロ系化合物」という。)のいず
れかに電解質基が結合しているもの(以下、これを「パ
ーフルオロ系電解質」という。)であっても良い。な
お、フッ素系電解質には、C−F結合の他、C−Cl結
合やその他の結合(例えば、−O−、−S−、−C(=
O)−、−N(R)−等)が含まれていても良い。
The fluorine-based electrolyte contains C in the polymer chain.
A solid polymer compound having both an —F bond and a C—H bond (hereinafter referred to as “fluorine / hydrocarbon compound”) to which an electrolyte group is bonded (hereinafter referred to as “a fluorine-hydrocarbon compound”); A fluorine-hydrocarbon-based electrolyte ”) or a solid polymer compound containing a C—F bond in a polymer chain and containing no C—H bond (hereinafter referred to as“ perfluoro (Hereinafter referred to as "perfluoro-based electrolyte"). In addition, in addition to a CF bond, a C-Cl bond and other bonds (for example, -O-, -S-, -C (=
O)-, -N (R)-, etc.).

【0025】また、炭化水素系電解質は、高分子鎖中に
芳香環を有しない固体高分子化合物(以下、これを「脂
肪族炭化水素系化合物」という。)のいずれかに電解質
基が結合しているもの(以下、これを「脂肪族炭化水素
系電解質」という。)であってもよく、あるいは、高分
子鎖のいずれかに芳香環を有する固体高分子化合物(以
下、これを「芳香族炭化水素系化合物」という。)のい
ずれかに電解質基が結合しているもの(以下、これを
「芳香族炭化水素系電解質」という。)であっても良
い。
The hydrocarbon electrolyte has an electrolyte group bonded to one of solid polymer compounds having no aromatic ring in the polymer chain (hereinafter referred to as "aliphatic hydrocarbon compounds"). (Hereinafter referred to as “aliphatic hydrocarbon-based electrolyte”) or a solid polymer compound having an aromatic ring in any of the polymer chains (hereinafter referred to as “aromatic”). (Hereinafter referred to as "aromatic hydrocarbon-based electrolyte").

【0026】さらに、芳香族炭化水素系電解質は、結合
連鎖の一部にアルキレン鎖(−(CH−、n≧
1)や分岐炭素構造(例えば、−CHCH−、−C
(CH−等)を含む固体高分子化合物(以下、こ
れを「部分芳香族炭化水素系化合物」という。)のいず
れかに電解質基が結合しているもの(以下、これを「部
分芳香族炭化水素系電解質」という。)であっても良
く、あるいは、結合連鎖の中にアルキレン鎖や分岐炭素
構造を含まない固体高分子化合物(以下、これを「全芳
香族炭化水素系化合物」という。)のいずれかに電解質
基が結合しているもの(以下、これを「全芳香族炭化水
素系電解質」という。)でも良い。
Further, the aromatic hydrocarbon-based electrolyte has an alkylene chain (-(CH 2 ) n- , n ≧
1) and branched carbon structure (e.g., -CHCH 3 -, - C
(CH 3 ) 2 -or the like (hereinafter referred to as “partially aromatic hydrocarbon compound”) having an electrolyte group bonded thereto (hereinafter referred to as “partially aromatic hydrocarbon compound”). Or a solid polymer compound containing no alkylene chain or branched carbon structure in the bonding chain (hereinafter referred to as a “whole aromatic hydrocarbon compound”). ) (Hereinafter referred to as a “whole aromatic hydrocarbon-based electrolyte”).

【0027】固体高分子電解質に備えられる電解質基の
種類についても、特に限定されるものではない。電解質
基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸
基、スルホンイミド基等が好適な一例として挙げられ
る。固体高分子電解質には、これらの電解質基の内、い
ずれか1種類のみが含まれていても良く、あるいは、2
種以上が含まれていても良い。さらに、これらの電解質
基は、直鎖状固体高分子化合物に直接結合していても良
く、あるいは、分枝状固体高分子化合物の主鎖又は側鎖
のいずれかに結合していても良い。
The type of the electrolyte group provided in the solid polymer electrolyte is not particularly limited. Preferred examples of the electrolyte group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group. The solid polymer electrolyte may contain only one of these electrolyte groups, or 2
More than one species may be included. Further, these electrolyte groups may be directly bonded to the linear solid polymer compound, or may be bonded to either the main chain or the side chain of the branched solid polymer compound.

【0028】パーフルオロ系電解質としては、具体的に
は、デュポン社製ナフィオン(登録商標)、旭化成
(株)製アシプレックス(登録商標)、旭硝子(株)製
フレミオン(登録商標)等、及びこれらの誘導体が好適
な一例として挙げられる。
Specific examples of the perfluoro-based electrolyte include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and the like. Is a preferred example.

【0029】また、フッ素・炭化水素系電解質として
は、具体的には、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等
の電解質基が導入されたポリスチレン−グラフト−エチ
レンテトラフルオロエチレン共重合体(以下、これを
「PS−g−ETFE」という。)、ポリスチレン−グ
ラフト−ポリテトラフルオロエチレン等、及びこれらの
誘導体が好適な一例として挙げられる。
Further, as the fluorine / hydrocarbon electrolyte, specifically, a polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer (hereinafter referred to as a copolymer) having an electrolyte group such as a sulfonic acid group introduced into one of the polymer chains. , Which is referred to as “PS-g-ETFE”), polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, and the like, and derivatives thereof.

【0030】また、脂肪族炭化水素系電解質としては、
具体的には、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の電
解質基が導入されたポリアミド、ポリアセタール、ポリ
エチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリエス
テル、ポリサルホン、ポリエーテル等、及びこれらの誘
導体が好適な一例として挙げられる。
Further, as the aliphatic hydrocarbon-based electrolyte,
Specifically, polyamide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, etc., in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, and derivatives thereof are preferable. An example is given.

【0031】また、部分芳香族炭化水素系電解質として
は、具体的には、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等
の電解質基が導入されたポリスチレン、芳香環を有する
ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエス
テル、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテ
ルスルホン、ポリカーボネート等、及びこれらの誘導体
が好適な一例として挙げられる。
Specific examples of the partially aromatic hydrocarbon-based electrolyte include polystyrene in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into one of the polymer chains, polyamide having an aromatic ring, polyamideimide, and polyimide. , Polyester, polysulfone, polyetherimide, polyethersulfone, polycarbonate and the like, and their derivatives are preferred examples.

【0032】また、全芳香族炭化水素系電解質として
は、具体的には、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等
の電解質基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、
ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサル
ホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレ
ン、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリ
アミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフェニ
レンサルファイド等、及びこれらの誘導体が好適な一例
として挙げられる。
Examples of the wholly aromatic hydrocarbon electrolyte include polyether ether ketone in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into one of the polymer chains.
Preferable examples include polyether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyimide, polyether imide, polyphenylene, polyphenylene ether, polycarbonate, polyamide, polyamide imide, polyester, polyphenylene sulfide, and derivatives thereof.

【0033】これらの中でも、フッ素系電解質、特にパ
ーフルオロ系電解質は、高分子鎖内にC−F結合を有し
ているので、これに対して本発明を適用すれば、耐熱性
及び耐酸化性に優れたMEAが得られる。また、芳香族
炭化水素系電解質、特に全芳香族炭化水素系電解質は、
酸基の導入が比較的容易であるので、これに対して本発
明を適用すれば、高い電気伝導度を示すMEAが得られ
る。
Of these, fluorine-based electrolytes, particularly perfluoro-based electrolytes, have a C—F bond in the polymer chain. An MEA with excellent properties is obtained. Further, aromatic hydrocarbon-based electrolytes, particularly wholly aromatic hydrocarbon-based electrolytes,
Since the introduction of an acid group is relatively easy, application of the present invention to this can provide an MEA exhibiting high electrical conductivity.

【0034】次に、電極について説明する。電極は、一
般に、触媒を担持した触媒担体と、その周囲を被覆する
触媒層内電解質とを含む触媒層を備えている。本発明に
おいて、電極は、このような触媒層のみを備えているも
のであっても良く、あるいは、触媒層と、その外側に形
成される拡散層からなる二層構造を備えているものであ
っても良い。
Next, the electrodes will be described. The electrode generally includes a catalyst layer including a catalyst carrier supporting a catalyst and an electrolyte in a catalyst layer covering the periphery of the catalyst carrier. In the present invention, the electrode may have only such a catalyst layer, or may have a two-layer structure including a catalyst layer and a diffusion layer formed outside the catalyst layer. May be.

【0035】触媒には、MEAの使用目的、使用条件等
に応じて最適なものが用いられる。例えば、固体高分子
型燃料電池の場合、触媒には、白金、白金合金、パラジ
ウム、ルテニウム、ロジウム等が用いられる。また、触
媒層に含まれる触媒の量は、MEAの用途、使用条件等
に応じて最適な量が選択される。
As the catalyst, an optimum catalyst is used according to the purpose of use of the MEA, the use conditions and the like. For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, platinum, a platinum alloy, palladium, ruthenium, rhodium or the like is used as a catalyst. The optimal amount of the catalyst contained in the catalyst layer is selected according to the use of the MEA, the use conditions, and the like.

【0036】触媒担体は、微粒の触媒を担持すると同時
に、触媒層における電子の授受を行うためのものであ
る。触媒担体には、一般に、カーボン、活性炭、フラー
レン、カーボンナノフォン、カーボンナノチューブ等が
用いられる。また、触媒担体表面への触媒の担持量は、
触媒及び触媒担体の材質、MEAの用途、使用条件等に
応じて最適な担持量が選択される。
The catalyst carrier is for carrying fine particles of the catalyst and for transferring electrons in the catalyst layer. As the catalyst carrier, carbon, activated carbon, fullerene, carbon nanophone, carbon nanotube, and the like are generally used. The amount of the catalyst carried on the surface of the catalyst carrier is:
The optimum amount of the catalyst and the catalyst carrier is selected in accordance with the material of the MEA, the application of the MEA, the conditions of use, and the like.

【0037】触媒層内電解質は、固体高分子電解質膜と
電極との間でプロトンの授受を行うためのものである。
本発明においては、少なくとも一方の電極を構成する触
媒層(以下、これを「第1触媒層」という。)には、触
媒層内電解質として、ビススルホニルイミド基(−SO
−NH−SO−)、スルホニルカルボニルイミド基
(−SO−NH−CO−)及びビスカルボニルイミド
基(−CO−NH−CO−)から選ばれる少なくとも1
つの架橋基(以下、これらを「酸性架橋基」という。)
を介して架橋された固体高分子化合物が用いられる。こ
の場合、触媒層内電解質には、スルホン酸基、カルボン
酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基等の酸性架橋基
以外の電解質基がさらに含まれていても良い。
The electrolyte in the catalyst layer is for transferring protons between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode.
In the present invention, a catalyst layer constituting at least one electrode (hereinafter, referred to as a “first catalyst layer”) includes a bissulfonylimide group (—SO 2) as an electrolyte in the catalyst layer.
2 -NH-SO 2 -), at least one selected from the sulfonyl carbonyl imide group (-SO 2 -NH-CO-) and bis-carbonyl imide group (-CO-NH-CO-)
One cross-linking group (hereinafter referred to as “acidic cross-linking group”)
A solid polymer compound cross-linked through is used. In this case, the electrolyte in the catalyst layer may further include an electrolyte group other than an acidic crosslinking group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group.

【0038】触媒層内電解質の主要部分を構成する固体
高分子化合物は、特に限定されるものではなく、上述し
たフッ素・炭化水素系化合物、若しくはパーフルオロ系
化合物、又は脂肪族炭化水素系化合物、部分芳香族炭化
水素系化合物若しくは全芳香族炭化水素系化合物のいず
れであっても良い。
The solid polymer compound constituting the main part of the electrolyte in the catalyst layer is not particularly limited, and may be any of the above-mentioned fluorine / hydrocarbon compounds, perfluoro compounds, or aliphatic hydrocarbon compounds. Either a partially aromatic hydrocarbon compound or a wholly aromatic hydrocarbon compound may be used.

【0039】これらの中でも、フッ素系化合物、特にパ
ーフルオロ系化合物は、高分子鎖内にC−F結合を有し
ているので、これを酸性架橋基で架橋したものを触媒層
内電解質として用いれば、耐熱性及び耐酸化性に優れた
触媒層が得られる。また、芳香族炭化水素系化合物、特
に全芳香族炭化水素系化合物は、電解質基の導入が比較
的容易であるので、これを酸性架橋基で架橋したものを
触媒層内電解質として用いれば、高いプロトン伝導度を
示す触媒層が得られる。
Of these, fluorine compounds, particularly perfluoro compounds, have a C—F bond in the polymer chain, and thus those obtained by crosslinking them with an acidic crosslinking group are used as the electrolyte in the catalyst layer. If this is the case, a catalyst layer having excellent heat resistance and oxidation resistance can be obtained. In addition, aromatic hydrocarbon compounds, particularly wholly aromatic hydrocarbon compounds, are relatively easy to introduce an electrolyte group. A catalyst layer exhibiting proton conductivity is obtained.

【0040】触媒層内電解質全体の当量重量EWは、2
50g/当量以上2000g/当量以下が好ましい。当
量重量EWが250g/当量未満になると、触媒層内電
解質が水に溶解又は膨潤しやすくなり、第1触媒層の内
部構造を安定に保つのが困難になる。一方、当量重量E
Wが2000g/当量を越えると、第1触媒層の保水性
が低下し、特に低湿度条件下で高いイオン伝導度が得ら
れない。触媒層内電解質全体の当量重量EWは、さらに
好ましくは、250g/当量以上1000g/当量以下
である。
The equivalent weight EW of the entire electrolyte in the catalyst layer is 2
The amount is preferably from 50 g / equivalent to 2000 g / equivalent. When the equivalent weight EW is less than 250 g / equivalent, the electrolyte in the catalyst layer easily dissolves or swells in water, and it becomes difficult to stably maintain the internal structure of the first catalyst layer. On the other hand, the equivalent weight E
If W exceeds 2000 g / equivalent, the water retention of the first catalyst layer is reduced, and high ionic conductivity cannot be obtained, especially under low humidity conditions. The equivalent weight EW of the entire electrolyte in the catalyst layer is more preferably 250 g / equivalent or more and 1000 g / equivalent or less.

【0041】また、触媒層内電解質に含まれる酸性架橋
基の量は、触媒層内電解質に含まれていた架橋可能な官
能基の総数の0.05%以上が好ましい。酸性架橋基の
量が0.05%未満になると、高温において第1触媒層
の内部構造を安定に保つのが困難になるので好ましくな
い。酸性架橋基の量は、さらに好ましくは、0.1%以
上である。
The amount of the acidic crosslinking groups contained in the electrolyte in the catalyst layer is preferably at least 0.05% of the total number of the crosslinkable functional groups contained in the electrolyte in the catalyst layer. When the amount of the acidic crosslinking group is less than 0.05%, it is difficult to stably maintain the internal structure of the first catalyst layer at a high temperature, which is not preferable. The amount of the acidic crosslinking group is more preferably 0.1% or more.

【0042】また、触媒層内電解質に含まれる酸性架橋
基の量は、触媒層内電解質に含まれていた架橋可能な官
能基の総数の50%以下が好ましい。酸性架橋基の量が
50%を越えると、電気伝導度が低下するので好ましく
ない。酸性架橋基の量は、さらに好ましくは、25%以
下である。
The amount of the acidic crosslinking groups contained in the electrolyte in the catalyst layer is preferably 50% or less of the total number of the crosslinkable functional groups contained in the electrolyte in the catalyst layer. If the amount of the acidic cross-linking group exceeds 50%, the electric conductivity is undesirably reduced. The amount of the acidic crosslinking group is more preferably 25% or less.

【0043】第1触媒層内における触媒層内電解質と、
触媒を担持した触媒担体との比率は、特に限定されるも
のではなく、触媒、触媒担体及び触媒層内電解質の材
質、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な比率を選
択すれば良い。
An electrolyte in the catalyst layer in the first catalyst layer;
The ratio of the catalyst to the catalyst carrier supporting the catalyst is not particularly limited, and an optimum ratio may be selected according to the material of the catalyst, the catalyst carrier and the electrolyte in the catalyst layer, the application of the MEA, the use conditions, and the like.

【0044】なお、他方の電極を構成する触媒層につい
ては、触媒層内電解質として、第1触媒層に含まれる触
媒層内電解質と同一の架橋構造を備えたものを用いても
良く、あるいはこれとは異なる架橋構造を備えた架橋型
の電解質若しくは非架橋型の電解質を用いても良い。
As for the catalyst layer constituting the other electrode, an electrolyte having the same cross-linking structure as the electrolyte in the catalyst layer contained in the first catalyst layer may be used as the electrolyte in the catalyst layer. Alternatively, a crosslinked electrolyte or a non-crosslinked electrolyte having a crosslinked structure different from the above may be used.

【0045】しかしながら、固体高分子型燃料電池の場
合、カソード側において水が生成するので、少なくとも
カソード側の触媒層内電解質として、このような酸性架
橋基で架橋された電解質を用いるのが好ましい。また、
高温低湿度条件下で高い出力を得るには、カソード及び
アノードの双方の触媒層内電解質について、このような
酸性架橋基で架橋された電解質を用いるのが好ましい。
However, in the case of the polymer electrolyte fuel cell, since water is generated on the cathode side, it is preferable to use an electrolyte cross-linked by such an acid cross-linking group at least as an electrolyte in the catalyst layer on the cathode side. Also,
In order to obtain a high output under high temperature and low humidity conditions, it is preferable to use an electrolyte cross-linked by such an acid cross-linking group for the electrolyte in the catalyst layer of both the cathode and the anode.

【0046】次に、本実施の形態に係る膜電極接合体の
作用について説明する。ビススルホニルイミド基、スル
ホニルイミド基又はビスカルボニルイミド基を介して架
橋された電解質は、非架橋型の電解質に比して、水に溶
解又は膨潤しにくく、耐熱性にも優れている。また、こ
れらの架橋基は、いずれも酸として機能する酸性架橋基
である。さらに、これらの架橋基は、その両端がパーフ
ルオロ骨格に結合している場合には、強酸基として機能
する。
Next, the operation of the membrane electrode assembly according to this embodiment will be described. An electrolyte crosslinked via a bissulfonylimide group, a sulfonylimide group or a biscarbonylimide group is less likely to be dissolved or swelled in water than a non-crosslinked electrolyte and has excellent heat resistance. These cross-linking groups are all acidic cross-linking groups that function as acids. Further, these cross-linking groups function as strong acid groups when both ends are bonded to a perfluoro skeleton.

【0047】そのため、このような酸性架橋基で架橋さ
れた電解質を触媒層内電解質として用いたMEAは、高
湿度条件下又は高温条件下で使用する場合あっても、触
媒層の内部構造が安定して保たれる。また、架橋基その
ものが酸基として機能するので、触媒層の保水性が向上
し、触媒層のプロトン伝導性が向上する。そのため、高
温低湿度条件下で使用する場合あっても、高い出力が得
られる。
Therefore, the MEA using the electrolyte cross-linked by such an acid cross-linking group as the electrolyte in the catalyst layer has a stable internal structure of the catalyst layer even when used under high humidity or high temperature conditions. Will be kept. Further, since the crosslinking group itself functions as an acid group, the water retention of the catalyst layer is improved, and the proton conductivity of the catalyst layer is improved. Therefore, high output can be obtained even when used under high temperature and low humidity conditions.

【0048】次に、本実施の形態に係る膜電極接合体の
製造方法について説明する。本実施の形態に係る膜電極
接合体の製造方法は、触媒層形成工程と、架橋工程と、
プロトン化工程と、接合工程とを備えている。
Next, a method for manufacturing the membrane / electrode assembly according to the present embodiment will be described. The method for producing a membrane electrode assembly according to the present embodiment includes a catalyst layer forming step, a crosslinking step,
The method includes a protonation step and a bonding step.

【0049】初めに、触媒層形成工程について説明す
る。触媒層形成工程は、官能基Aを有する固体高分子化
合物を含む触媒層を形成する工程である。
First, the catalyst layer forming step will be described. The catalyst layer forming step is a step of forming a catalyst layer containing a solid polymer compound having a functional group A.

【0050】出発原料として用いる固体高分子化合物
は、触媒層内電解質の主要部分を構成するものであり、
官能基Aを有しているもの、又は付加反応、置換反応等
により官能基Aを導入可能なもののいずれであっても良
い。すなわち、官能基Aを有する固体高分子化合物を出
発原料に用いて触媒層を形成しても良く、あるいは、触
媒層形成後に固体高分子化合物に対して官能基Aを導入
しても良い。
The solid polymer compound used as a starting material constitutes a main part of the electrolyte in the catalyst layer.
Any of those having the functional group A and those capable of introducing the functional group A by an addition reaction, a substitution reaction, or the like may be used. That is, the catalyst layer may be formed using a solid polymer compound having a functional group A as a starting material, or the functional group A may be introduced into the solid polymer compound after the formation of the catalyst layer.

【0051】また、固体高分子化合物の構造は、直鎖
状、あるいは、分岐状のいずれであっても良い。さら
に、固体高分子化合物は、上述したフッ素系化合物ある
いは炭化水素系化合物のいずれであっても良い。
The structure of the solid polymer compound may be either linear or branched. Further, the solid polymer compound may be any of the above-mentioned fluorine-based compounds or hydrocarbon-based compounds.

【0052】中でも、高プロトン伝導性を備えた触媒層
内電解質を得るためには、固体高分子化合物は、芳香族
炭化水素系化合物が好ましく、全芳香族炭化水素系化合
物が特に好適である。また、耐熱性及び耐酸化性に優れ
た触媒層内電解質を得るためには、固体高分子化合物
は、フッ素系化合物が好ましく、パーフルオロ系化合物
が特に好適である。
Among them, in order to obtain an electrolyte in the catalyst layer having high proton conductivity, the solid polymer compound is preferably an aromatic hydrocarbon compound, and particularly preferably a wholly aromatic hydrocarbon compound. In addition, in order to obtain an electrolyte in the catalyst layer having excellent heat resistance and oxidation resistance, the solid polymer compound is preferably a fluorine compound, and particularly preferably a perfluoro compound.

【0053】官能基Aとは、後述する架橋剤の官能基B
と反応することによって酸性架橋基となり得る官能基を
いう。官能基Aは、直鎖状を呈する固体高分子化合物に
直接結合していても良く、あるいは、固体高分子化合物
を構成する側鎖の中間又は末端に結合していても良い。
The functional group A is a functional group B of a crosslinking agent described later.
Refers to a functional group that can become an acidic crosslinking group by reacting with The functional group A may be directly bonded to a linear solid polymer compound, or may be bonded to an intermediate or terminal of a side chain constituting the solid polymer compound.

【0054】また、官能基Aの含有量又は官能基Aの導
入量は、最終的に得られる触媒層内電解質の当量重量E
Wが250g/当量以上2000g/当量以下となるよ
うに、出発原料、製造条件等に応じて最適な量を選択す
るのが好ましい。
The content of the functional group A or the amount of the functional group A introduced is determined by the equivalent weight E of the finally obtained electrolyte in the catalyst layer.
It is preferable to select an optimum amount according to starting materials, production conditions, and the like so that W is 250 g / equivalent or more and 2000 g / equivalent or less.

【0055】官能基Aとしては、具体的には、スルホニ
ルハライド基、スルホンアミド基、スルホンアミド金属
塩、N−アルキルシリルスルホンアミド基、N−アルキ
ルシリルスルホンアミド金属塩、カルボニルハライド
基、カルボン酸エステル基、カルボニルアミド基、ホス
ホニルハライド基、ホスホン酸エステル基、ホスホニル
アミド基、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基
等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられ
る。
Examples of the functional group A include a sulfonyl halide group, a sulfonamide group, a sulfonamide metal salt, an N-alkylsilylsulfonamide group, an N-alkylsilylsulfonamide metal salt, a carbonyl halide group, and a carboxylic acid. Preferable examples include ester groups, carbonylamide groups, phosphonyl halide groups, phosphonate ester groups, phosphonylamido groups, sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphonic acid groups, and the like, and derivatives thereof.

【0056】特に、スルホニルハライド基及びその誘導
体は、架橋剤との反応に消費されなかった場合であって
も、これを加水分解すれば容易に強酸基となり、触媒層
内電解質に高プロトン伝導性を付与することができるの
で、官能基Aとして好適である。
In particular, even when the sulfonyl halide group and its derivative are not consumed in the reaction with the cross-linking agent, the sulfonyl halide group and the derivative thereof are easily converted into a strong acid group by hydrolysis, and the proton in the catalyst layer has high proton conductivity. Can be provided, and thus, is suitable as the functional group A.

【0057】また、スルホニルハライド基とアンモニア
又は1級アミンとを反応させて得られるスルホンアミド
基も、官能基Aとして特に好適である。この場合、架橋
剤としてアンモニア、1級アミンを用いるときには、ス
ルホニルハライド基とアンモニア又は1級アミンとの反
応率は、0.01〜50%が好ましい。反応率は、さら
に好ましくは、0.1〜20%、さらに好ましくは、
0.1〜10%、特に好ましくは、0.1〜5%であ
る。架橋剤として、2つ以上の官能基Bを有する架橋
剤、特にスルホニルハライド基を有する架橋剤を用いる
場合、スルホニルハライド基とアンモニア又は1級アミ
ンとの反応率は、20〜100%が好ましい。反応率
は、さらに好ましくは、30〜100%、さらに好まし
くは、50〜100%、特に好ましくは、70〜100
%である。
Further, a sulfonamide group obtained by reacting a sulfonyl halide group with ammonia or a primary amine is also particularly suitable as the functional group A. In this case, when ammonia or a primary amine is used as the crosslinking agent, the reaction rate between the sulfonyl halide group and ammonia or the primary amine is preferably 0.01 to 50%. The reaction rate is more preferably 0.1 to 20%, more preferably
0.1 to 10%, particularly preferably 0.1 to 5%. When a cross-linking agent having two or more functional groups B, particularly a cross-linking agent having a sulfonyl halide group, is used as the cross-linking agent, the reaction rate between the sulfonyl halide group and ammonia or a primary amine is preferably 20 to 100%. The reaction rate is more preferably 30 to 100%, further preferably 50 to 100%, particularly preferably 70 to 100%.
%.

【0058】さらに、形成された触媒層には、1種類の
官能基Aを有する固体高分子化合物が含まれていても良
く、あるいは、2種以上の官能基Aを有する固体高分子
化合物が含まれていても良い。また、触媒層には、1種
又は2種以上の官能基Aを有する単一の固体高分子化合
物が含まれていても良く、あるいは、同一又は異なる官
能基Aを備えた2種以上の固体高分子化合物が含まれて
いても良い。
Further, the formed catalyst layer may contain a solid polymer compound having one kind of functional group A, or a solid polymer compound having two or more kinds of functional group A. It may be. The catalyst layer may include a single solid polymer compound having one or more functional groups A, or two or more solid polymers having the same or different functional groups A. A polymer compound may be contained.

【0059】触媒層は、具体的には、以下の手順により
形成することができる。まず、官能基Aを有する又は官
能基Aを導入可能な固体高分子化合物を適当な溶媒に溶
解する。次に、この溶液に触媒を担持した触媒担体を所
定量添加する。さらに、この溶液をテトラフルオロエチ
レン、カーボン布、カーボン紙等からなる基材表面に塗
布し、溶媒を除去する。これにより、所定の厚さ及び組
成を有する触媒層が得られる。また、出発原料として、
官能基Aを含まない固体高分子化合物を用いる場合、触
媒層を形成した後に、官能基Aを導入すれば良い。
The catalyst layer can be specifically formed by the following procedure. First, a solid polymer compound having the functional group A or capable of introducing the functional group A is dissolved in an appropriate solvent. Next, a predetermined amount of a catalyst carrier supporting a catalyst is added to this solution. Further, this solution is applied to the surface of a substrate made of tetrafluoroethylene, carbon cloth, carbon paper or the like, and the solvent is removed. Thereby, a catalyst layer having a predetermined thickness and composition is obtained. Also, as a starting material,
When a solid polymer compound containing no functional group A is used, the functional group A may be introduced after forming the catalyst layer.

【0060】固体高分子化合物を溶解させる溶媒の種類
及び量は、固体高分子化合物の材質に応じて適宜選択す
る。例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロ系化合
物(例えば、ナフィオン)を用いて触媒層を形成する場
合、溶媒には、水、アルコール等を用いるのが好まし
い。
The type and amount of the solvent in which the solid polymer compound is dissolved are appropriately selected according to the material of the solid polymer compound. For example, when the catalyst layer is formed using a perfluoro-based compound having a sulfonic acid group (for example, Nafion), it is preferable to use water, alcohol, or the like as the solvent.

【0061】この場合において、官能基Aとしてスルホ
ニルフロライド基を用いるときは、触媒層を形成した後
に、触媒層をフッ素ガスを含むガスに曝すか、あるい
は、ジメチルアミノサルファトリフロライド((CH)
NSF)、トリエチルアミントリシュードフロライ
ド((CHCH)N−3HF)、1,1,2,2,
3,3−ヘキサフルオロジエチルアミノプロパン(CF
CHFCFN(C ))等のフッ素供給源を含
む溶液中に浸漬すればよい。これにより、触媒層中のス
ルホン酸基をスルホニルフロライド基に変換することが
できる。
In this case, sulfo is used as the functional group A.
When using a nylfluoride group, after forming the catalyst layer
Exposing the catalyst layer to a gas containing fluorine gas
Is dimethylaminosulfur trifluoride ((CH3)
2NSF3), Triethylamine trisodium florai
Do ((CH3CH2) N-3HF), 1,1,2,2
3,3-hexafluorodiethylaminopropane (CF
3CHFCF2N (C2H 5)2) Etc.
What is necessary is just to be immersed in the solution which melts. As a result, the scan in the catalyst layer
It is possible to convert sulfonic acid groups to sulfonyl fluoride groups.
it can.

【0062】また、官能基Aとしてスルホンアミド基を
用いるときは、まず、触媒層を形成し、次いで上述の方
法を用いてスルホン酸基をスルホニルフロライド基に変
換した後、さらに、アンモニア、1級アミン等のアミン
化合物(好ましくは、アンモニア)を含むガス又は溶液
と触媒層とを接触させれば良い。これにより、触媒層中
のスルホン酸基をスルホンアミド基に変換することがで
きる。
When a sulfonamide group is used as the functional group A, a catalyst layer is first formed, and then the sulfonic acid group is converted into a sulfonyl fluoride group by the above-mentioned method. A gas or a solution containing an amine compound (preferably ammonia) such as a secondary amine may be brought into contact with the catalyst layer. Thereby, the sulfonic acid group in the catalyst layer can be converted to a sulfonamide group.

【0063】また、例えば、スルホニルフロライド基を
有するパーフルオロ系化合物(例えば、ナフィオンのフ
ロライド体)を用いて触媒層を形成する場合、溶媒に
は、AK225等のフッ素系溶媒を用いるのが好まし
い。
When the catalyst layer is formed using a perfluoro compound having a sulfonyl fluoride group (eg, a fluoride of Nafion), it is preferable to use a fluorine-based solvent such as AK225 as the solvent. .

【0064】この場合において、官能基Aとしてスルホ
ニルフロライド基を用いるときは、得られた触媒層をそ
のまま次工程に供すればよい。一方、官能基Aとしてス
ルホンアミド基を用いるときは、上述した手順に従っ
て、スルホニルフロライド基をスルホンアミド基に変換
すれば良い。その他の官能基Aを用いる場合も同様であ
る。
In this case, when a sulfonyl fluoride group is used as the functional group A, the resulting catalyst layer may be directly used in the next step. On the other hand, when a sulfonamide group is used as the functional group A, the sulfonyl fluoride group may be converted into a sulfonamide group according to the above-described procedure. The same applies when other functional groups A are used.

【0065】次に、架橋工程について説明する。架橋工
程は、触媒層形成工程において得られた触媒層に架橋剤
を導入し、官能基Aと官能基Bとを反応させる工程であ
る。本発明において、架橋剤には、官能基Bを備えたも
の(以下、これを「第1架橋剤」という。)、又は触媒
層に含まれる固体高分子化合物に官能基Bを導入可能な
もの(以下、これを「第2架橋剤」という。)が用いら
れる。
Next, the crosslinking step will be described. The cross-linking step is a step of introducing a cross-linking agent into the catalyst layer obtained in the catalyst layer forming step and causing the functional groups A and B to react. In the present invention, a crosslinking agent having a functional group B (hereinafter, referred to as a “first crosslinking agent”) or a crosslinking agent capable of introducing the functional group B into a solid polymer compound contained in a catalyst layer is used. (Hereinafter, this is referred to as “second crosslinking agent”).

【0066】また、「官能基B」とは、官能基Aと反応
することによってビススルホニルイミド基、スルホニル
カルボニルイミド基及びビスカルボニルイミド基から選
ばれる少なくとも1つの架橋基を形成可能なものをい
う。
The "functional group B" refers to a compound capable of forming at least one cross-linking group selected from a bissulfonylimide group, a sulfonylcarbonylimide group and a biscarbonylimide group by reacting with the functional group A. .

【0067】官能基Bとしては、具体的には、スルホニ
ルハライド基、スルホンアミド基、スルホンアミド金属
塩、N−アルキルシリルスルホンアミド基、N−アルキ
ルシリルスルホンアミド金属塩、カルボニルハライド
基、カルボン酸エステル基、カルボニルアミド基、ホス
ホニルハライド基、ホスホン酸エステル基、ホスホニル
アミド基、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基
等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられ
る。
As the functional group B, specifically, a sulfonyl halide group, a sulfonamide group, a sulfonamide metal salt, an N-alkylsilylsulfonamide group, an N-alkylsilylsulfonamide metal salt, a carbonyl halide group, a carboxylic acid group Suitable examples include ester groups, carbonylamide groups, phosphonyl halide groups, phosphonate ester groups, phosphonylamido groups, sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxylic acid groups, and the like, and derivatives thereof.

【0068】官能基Bの種類は、架橋点が酸性架橋基と
なるように、官能基Aの種類に応じて、適宜選択するこ
とができる。これらの中でも、スルホンアミド基からな
る官能基Aと、スルホニルハライド基、カルボニルハラ
イド基、ホスホニルハライド基、スルホン酸エステル
基、カルボン酸エステル基、及びホスホン酸エステル基
から選ばれる少なくとも1つの官能基Bの組み合わせが
特に好適である。
The type of the functional group B can be appropriately selected according to the type of the functional group A so that the crosslinking point becomes an acidic crosslinking group. Among these, a functional group A consisting of a sulfonamide group and at least one functional group selected from a sulfonyl halide group, a carbonyl halide group, a phosphonyl halide group, a sulfonic ester group, a carboxylic ester group, and a phosphonate ester group Combinations of B are particularly preferred.

【0069】第1架橋剤を用いて架橋させる場合、第1
架橋剤には、少なくとも2個の官能基Bを備えているも
のが用いられる。この場合、第1架橋剤に含まれる各官
能基Bの種類は、同一であっても良く、あるいは異なっ
ていても良い。また、架橋反応は、1種類の第1架橋剤
を用いて行っても良く、あるいは同一若しくは異なる種
類の官能基Bを有する2種以上の第1架橋剤を用いて行
っても良い。
When crosslinking is performed using the first crosslinking agent,
A crosslinking agent having at least two functional groups B is used. In this case, the type of each functional group B contained in the first crosslinking agent may be the same or different. The crosslinking reaction may be performed using one kind of first crosslinking agent, or may be performed using two or more kinds of first crosslinking agents having the same or different kinds of functional groups B.

【0070】第1架橋剤は、具体的には、1,1,2,
2−テトラフルオロエチル−1,2−ジスルホニルハラ
イド(XOS−CFCF−SOX。Xは、ハラ
イド)、1,1,2,2,3,3,−ヘキサフルオロプ
ロピル−1,3−ジスルホニルハライド(XOS−C
CFCF−SOX)、1,1,2,2,3,
3,4,4−オクタフルオロブチル−1,4−ジスルホ
ニルハライド(XOS−CFCFCFCF
SOX)、1,1,2,2,3,3,4,4,5,5
−パーフルオロペンチル−1,5−ジスルホニルハライ
ド(XOS−CFCFCFCFCF−SO
X)等のフッ素系スルホニルハライド、及びその誘導
体が好適である。
The first crosslinking agent is, specifically, 1,1,2,2
2-tetrafluoroethyl 1,2-di-sulfonyl halide (XO 2 S-CF 2 CF 2 -SO 2 X.X is halide), 1,1,2,2,3,3, - hexafluoro propyl - 1,3-disulfonyl halide (XO 2 S-C
F 2 CF 2 CF 2 —SO 2 X), 1,1,2,2,3
3,4,4 octafluorobutyl 1,4-sulfonyl halide (XO 2 S-CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 -
SO 2 X), 1,1,2,2,3,3,4,4,5,5
- perfluoro pentyl-1,5-sulfonyl halide (XO 2 S-CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 -SO
2 X) fluoric sulfonyl halide such as, and derivatives thereof are preferred.

【0071】なお、第1架橋剤としてフッ素系スルホニ
ルハライドを用いる場合、スルホニルハライド基間の炭
素数は、1〜20が好ましい。また、フッ素系スルホニ
ルハライドは、直鎖構造を有するものでも良く、あるい
は分岐構造を有するものでもよい。また、触媒層内電解
質に高プロトン伝導性を付与するためには、分岐構造を
有し、かつ、2個以上のスルホニルハライド基を有する
ものが特に好適である。
When a fluorinated sulfonyl halide is used as the first crosslinking agent, the number of carbon atoms between the sulfonyl halide groups is preferably from 1 to 20. The fluorine-based sulfonyl halide may have a straight-chain structure or may have a branched structure. In order to impart high proton conductivity to the electrolyte in the catalyst layer, those having a branched structure and having two or more sulfonyl halide groups are particularly suitable.

【0072】第2架橋剤を用いて架橋させる場合、第2
架橋剤として、固体高分子化合物に含まれる官能基Aの
一部を官能基Bに変換可能なものを用いることができ
る。また、第2架橋剤は、付加反応、置換反応等によっ
て、官能基Bを含む原子団を固体高分子化合物に直接導
入可能なものであっても良い。
In the case of crosslinking using a second crosslinking agent,
As the cross-linking agent, one that can convert a part of the functional group A contained in the solid polymer compound into the functional group B can be used. Further, the second crosslinking agent may be one capable of directly introducing an atomic group containing the functional group B into the solid polymer compound by an addition reaction, a substitution reaction, or the like.

【0073】例えば、官能基Aがスルホニルハライド基
である場合において、官能基Aの一部をスルホンアミド
基に変換するときには、第2架橋剤として、アンモニア
又は1級アミン等のアミン化合物(好ましくは、アンモ
ニア)を用いるのが好ましい。この場合、反応条件を最
適化することによって、スルホンアミド基への変換量を
制御することができる。
For example, when the functional group A is a sulfonyl halide group and a part of the functional group A is converted to a sulfonamide group, an amine compound such as ammonia or a primary amine (preferably a secondary amine) is used as the second crosslinking agent. , Ammonia). In this case, the amount of conversion to a sulfonamide group can be controlled by optimizing the reaction conditions.

【0074】また、固体高分子化合物内に官能基Bを導
入する場合、第2架橋剤として、1,1,2,2,3,
3−ヘキサフルオロ−3−アイオド−1−スルホニルフ
ロライド(FOS−CFCFCF−I)等を用
いることができる。
When the functional group B is introduced into the solid polymer compound, 1, 2, 2, 2, 3,
3-hexafluoro-3-iodo-1-sulfonyl fluoride (FO 2 S-CF 2 CF 2 CF 2 -I) or the like can be used.

【0075】架橋反応は、架橋剤を含むガス又は液体と
触媒層とを接触させることにより行うのが好ましい。触
媒層と接触させる架橋剤の濃度、反応温度、反応時間等
の反応条件は、所定の当量重量EWが得られ、かつ所定
量の酸性架橋基が固体高分子化合物内に導入されるよう
に、固体高分子化合物及び架橋剤の材質、MEAの用
途、使用条件等に応じて選択する。
The crosslinking reaction is preferably carried out by bringing a gas or liquid containing a crosslinking agent into contact with the catalyst layer. The reaction conditions such as the concentration of the cross-linking agent to be brought into contact with the catalyst layer, the reaction temperature, and the reaction time are such that a predetermined equivalent weight EW is obtained and a predetermined amount of the acidic cross-linking group is introduced into the solid polymer compound. The selection is made according to the materials of the solid polymer compound and the cross-linking agent, the application of the MEA, the use conditions, and the like.

【0076】また、架橋剤と触媒層とを接触させる際又
は接触させた後に、トリメチルアミン、トリエチルアミ
ン、トリプロピルアミン等の塩基化合物と触媒層とを接
触させる処理を行っても良い。また、架橋剤又は塩基化
合物と触媒層とを接触させた後、触媒層を加熱する処理
を行っても良い。特に、架橋剤と接触させる処理、塩基
化合物と接触させる処理、及び触媒層を加熱する処理を
この順で行うと、耐熱性及び高プロトン伝導性を有する
触媒層内電解質が得られる。
When or after contacting the catalyst layer with the crosslinking agent, a treatment may be carried out in which the catalyst layer is contacted with a basic compound such as trimethylamine, triethylamine or tripropylamine. Further, after bringing the catalyst layer into contact with the crosslinking agent or the base compound, a treatment of heating the catalyst layer may be performed. In particular, when a treatment for contacting with a crosslinking agent, a treatment for contacting with a base compound, and a treatment for heating the catalyst layer are performed in this order, an electrolyte in the catalyst layer having heat resistance and high proton conductivity is obtained.

【0077】次に、プロトン化工程について説明する。
プロトン化工程は、架橋後の触媒層の加水分解及びプロ
トン交換を行う工程である。加水分解は、架橋後の触媒
層を適当なアルカリ水溶液中に浸漬することにより行わ
れる。また、プロトン交換は、加水分解された触媒層を
適当な酸水溶液に浸漬することにより行われる。これに
より、触媒層に含まれる固体高分子化合物が、触媒層内
電解質となる。なお、加水分解及びプロトン交換の条件
は、触媒層に含まれる固体高分子化合物の材質、使用す
るアルカリ水溶液、酸水溶液等に応じて適宜選択すれば
良く、特に限定されるものではない。
Next, the protonation step will be described.
The protonation step is a step of performing hydrolysis and proton exchange of the catalyst layer after crosslinking. The hydrolysis is performed by immersing the crosslinked catalyst layer in an appropriate alkaline aqueous solution. The proton exchange is performed by immersing the hydrolyzed catalyst layer in a suitable acid aqueous solution. Thereby, the solid polymer compound contained in the catalyst layer becomes an electrolyte in the catalyst layer. The conditions for hydrolysis and proton exchange may be appropriately selected according to the material of the solid polymer compound contained in the catalyst layer, the aqueous alkaline solution, the aqueous acid solution, and the like, and are not particularly limited.

【0078】次に、接合工程について説明する。接合工
程は、加水分解された触媒層と、固体高分子電解質膜と
を接合する工程である。接合は、通常、基材上に形成さ
れた触媒層と固体高分子電解質膜とを密着させ、ホット
プレスすることにより行われる。ホットプレス条件は、
固体高分子電解質膜及び触媒層内電解質の材質に応じて
最適な条件を選択する。
Next, the joining step will be described. The joining step is a step of joining the hydrolyzed catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane. The bonding is usually performed by bringing the catalyst layer formed on the base material into close contact with the solid polymer electrolyte membrane and hot pressing. Hot pressing conditions are
Optimal conditions are selected according to the materials of the solid polymer electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer.

【0079】例えば、固体高分子電解質膜及び触媒層内
電解質がパーフルオロ系電解質からなる場合、ホットプ
レス温度は、80℃以上150℃以下が好ましい。ま
た、ホットプレス圧力は、2MPa以上20MPa以下
が好ましい。温度及び/又は圧力が低すぎると、良好な
接合体が得られない。一方、温度及び/又は圧力が高す
ぎると、所定量の三相界面を備えた触媒層が得られな
い。ホットプレス温度は、さらに好ましくは、100℃
以上140℃以下である。また、ホットプレス圧力は、
さらに好ましくは、2MPa以上10MPa以下であ
る。
For example, when the solid polymer electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer are made of a perfluoro-based electrolyte, the hot pressing temperature is preferably from 80 ° C. to 150 ° C. The hot press pressure is preferably 2 MPa or more and 20 MPa or less. If the temperature and / or pressure is too low, a good joined body cannot be obtained. On the other hand, if the temperature and / or pressure is too high, a catalyst layer having a predetermined amount of a three-phase interface cannot be obtained. The hot pressing temperature is more preferably 100 ° C.
It is 140 ° C. or lower. The hot press pressure is
More preferably, it is 2 MPa or more and 10 MPa or less.

【0080】次に、本実施の形態に係る製造方法の作用
について説明する。所定量の官能基Aを有する固体高分
子化合物を含む触媒層を形成し、これと官能基Bを備え
た架橋剤とを反応させると、固体高分子化合物間が架橋
剤によって架橋され、架橋点が酸性架橋基となる。ま
た、官能基Bを導入可能な架橋剤を触媒層に導入する
と、まず、固体高分子化合物に官能基Bが導入され、次
いで、固体高分子化合物間が酸性架橋基で架橋される。
次に、この触媒層をプロトン化し、さらにこれと固体高
分子電解質膜と接合すれば、MEAが得られる。
Next, the operation of the manufacturing method according to the present embodiment will be described. When a catalyst layer containing a solid polymer compound having a predetermined amount of a functional group A is formed and reacted with a cross-linking agent having a functional group B, the solid polymer compounds are cross-linked by the cross-linking agent, Becomes an acidic crosslinking group. When a crosslinking agent capable of introducing a functional group B is introduced into the catalyst layer, first, the functional group B is introduced into the solid polymer compound, and then the solid polymer compounds are cross-linked by an acidic cross-linking group.
Next, if this catalyst layer is protonated and further joined to a solid polymer electrolyte membrane, an MEA is obtained.

【0081】このようにして得られたMEAの触媒層に
は、酸性架橋基で架橋された触媒層内電解質が含まれて
いるので、水に対して膨潤又は可溶化しにくく、耐熱性
にも優れている。そのため、高湿度条件下又は高温条件
下で長期間使用する場合であっても、触媒層の内部構造
が安定して保たれる。また、架橋基そのものが酸基とし
て機能するので、触媒層の保水性が向上する。そのた
め、高温低湿度条件下であっても高い出力が得られる。
Since the catalyst layer of the MEA thus obtained contains the electrolyte in the catalyst layer cross-linked by the acid cross-linking group, it does not easily swell or solubilize in water, and has low heat resistance. Are better. Therefore, the internal structure of the catalyst layer is stably maintained even when used for a long time under high humidity conditions or high temperature conditions. Further, since the crosslinking group itself functions as an acid group, the water retention of the catalyst layer is improved. Therefore, high output can be obtained even under high temperature and low humidity conditions.

【0082】次に、本発明の第2の実施の形態に係る膜
電極接合体について説明する。本実施の形態に係る膜電
極接合体は、固体高分子電解質膜と、その両面に接合さ
れた電極とを備えている。
Next, a description is given of a membrane electrode assembly according to a second embodiment of the present invention. The membrane electrode assembly according to the present embodiment includes a solid polymer electrolyte membrane and electrodes bonded to both surfaces thereof.

【0083】本実施の形態において、固体高分子電解質
膜の材質は、特に限定されるものではなく、上述したフ
ッ素系電解質又は炭化水素系電解質からなる非架橋型電
解質であっても良く、あるいはこれらの電解質を構成す
る高分子鎖間が種々の架橋基を介して架橋された架橋型
電解質であっても良い。
In the present embodiment, the material of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and may be a non-crosslinked electrolyte comprising the above-mentioned fluorine-based electrolyte or hydrocarbon-based electrolyte, or May be a cross-linked electrolyte in which the polymer chains constituting the electrolyte are cross-linked via various cross-linking groups.

【0084】また、固体高分子電解質膜が架橋型電解質
からなる場合、架橋基の構造は、特に限定されるもので
はないが、上述した酸性架橋基が好ましい。この場合、
固体高分子電解質膜には、1種類の酸性架橋基が含まれ
ていても良く、あるいは2種以上が含まれていても良
い。また、固体高分子電解質膜には、酸性架橋基以外の
電解質がさらに含まれていても良い。
When the solid polymer electrolyte membrane is formed of a cross-linked electrolyte, the structure of the cross-linking group is not particularly limited, but the above-mentioned acidic cross-linking group is preferable. in this case,
The solid polymer electrolyte membrane may contain one kind of acidic cross-linking group, or may contain two or more kinds. Further, the solid polymer electrolyte membrane may further contain an electrolyte other than the acidic crosslinking group.

【0085】これらの中でも、フッ素系化合物、特にパ
ーフルオロ系化合物が酸性架橋基で架橋された架橋型電
解質は、耐酸化性及び耐熱性に優れているので、固体高
分子電解質膜の材質として好適である。また、芳香族炭
化水素系化合物、特に全芳香族炭化水素系化合物が酸性
架橋基で架橋された架橋型電解質は、耐熱性及び電気伝
導性に優れているので、固体高分子電解質膜の材質とし
て好適である。
Among these, a cross-linked electrolyte obtained by cross-linking a fluorine compound, particularly a perfluoro compound, with an acid cross-linking group is excellent in oxidation resistance and heat resistance, and is therefore suitable as a material for the solid polymer electrolyte membrane. It is. In addition, a crosslinked electrolyte in which an aromatic hydrocarbon compound, particularly a wholly aromatic hydrocarbon compound is crosslinked with an acidic crosslinking group, is excellent in heat resistance and electric conductivity, so that it is used as a material for a solid polymer electrolyte membrane. It is suitable.

【0086】なお、酸性架橋基で架橋された架橋型電解
質を固体高分子電解質膜として用いる場合、膜全体の好
適な当量重量EW及び酸性架橋基の好適な導入量につい
ては、上述した第1の実施の形態に係る触媒層内電解質
と同様である。また、固体高分子電解質膜に関するその
他の点は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を
省略する。
When a cross-linked electrolyte cross-linked by an acid cross-linking group is used as a solid polymer electrolyte membrane, the suitable equivalent weight EW of the whole membrane and the preferable introduction amount of the acid cross-linking group are as described in the first embodiment. This is the same as the electrolyte in the catalyst layer according to the embodiment. In addition, other points regarding the solid polymer electrolyte membrane are the same as those of the first embodiment, and thus the description is omitted.

【0087】本実施の形態において、電極は、触媒層の
みを備えているものであっても良く、あるいは、触媒層
と拡散層の二層構造を備えているものであっても良い。
また、触媒層に含まれる触媒層内電解質は、上述したフ
ッ素系化合物若しくは炭化水素系化合物が上述した酸性
架橋基で架橋された架橋型電解質であっても良く、ある
いは酸性架橋基以外の架橋基で架橋された架橋型電解
質、又は非架橋型電解質のいずれであっても良い。
In the present embodiment, the electrode may have only a catalyst layer, or may have a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer.
Further, the electrolyte in the catalyst layer contained in the catalyst layer may be a crosslinked electrolyte in which the above-mentioned fluorine-based compound or hydrocarbon-based compound is crosslinked with the above-mentioned acidic crosslinking group, or a crosslinking group other than the acidic crosslinking group. The electrolyte may be either a crosslinked electrolyte crosslinked with or a non-crosslinked electrolyte.

【0088】これらの中でも、フッ素系化合物、特にパ
ーフルオロ系化合物が酸性架橋基で架橋された架橋型電
解質は、耐酸化性及び耐熱性に優れているので、触媒層
内電解質として特に好適である。また、芳香族系化合
物、特に全芳香族系化合物が酸性架橋基で架橋された架
橋型電解質は、耐熱性及び電気伝導性に優れているの
で、触媒層内電解質として特に好適である。
Among these, a cross-linked electrolyte obtained by cross-linking a fluorine compound, particularly a perfluoro compound, with an acid cross-linking group is excellent in oxidation resistance and heat resistance, and is therefore particularly suitable as an electrolyte in the catalyst layer. . Further, a crosslinked electrolyte in which an aromatic compound, particularly a wholly aromatic compound is crosslinked with an acidic crosslinking group, is excellent in heat resistance and electric conductivity, and is therefore particularly suitable as an electrolyte in the catalyst layer.

【0089】なお、酸性架橋基で架橋された架橋型電解
質を触媒層内電解質として用いる場合、触媒層内電解質
全体の好適な当量重量EW、酸性架橋基の好適な導入量
等については、上述した第1の実施の形態と同様である
ので、説明を省略する。
When a cross-linked electrolyte cross-linked by an acidic cross-linking group is used as the electrolyte in the catalyst layer, the suitable equivalent weight EW of the entire electrolyte in the catalyst layer, the preferable introduction amount of the acid cross-linking group, and the like are as described above. The description is omitted because it is the same as that of the first embodiment.

【0090】さらに、本実施の形態において、電極の少
なくとも一方は、触媒層に含まれる触媒層内電解質の少
なくとも一部と、固体高分子電解質膜とが共有結合で結
合されていることを特徴とする。
Further, in the present embodiment, at least one of the electrodes is characterized in that at least a part of the electrolyte in the catalyst layer contained in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are covalently bonded. I do.

【0091】この場合、共有結合の結合構造は、特に限
定されるものではないが、結合点が酸として機能するも
の(以下、これを「酸性共有結合」という。)が好まし
い。このような酸性共有結合としては、具体的には、ビ
ススルホニルイミド結合(−SO−NH−SO
−)、スルホニルカルボニルイミド結合(−SO
NH−CO−)、又はビスカルボニルイミド結合(−C
O−NH−CO−)が好適な一例として挙げられる。触
媒層内電解質と固体高分子電解質膜とは、これらの内の
1種類の酸性共有結合を介して結合されていても良く、
あるいは2種以上の酸性共有結合を介して結合されてい
ても良い。
In this case, the bonding structure of the covalent bond is not particularly limited, but it is preferable that the bonding point functions as an acid (hereinafter, this is referred to as “acidic covalent bond”). As such an acidic covalent bond, specifically, a bissulfonylimide bond (—SO 2 —NH—SO
2 -), sulfonyl carbonyl imide bond (-SO 2 -
NH—CO—) or a biscarbonylimide bond (—C
O-NH-CO-) is a preferred example. The electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane may be bonded via one of these acidic covalent bonds,
Alternatively, they may be bonded via two or more kinds of acidic covalent bonds.

【0092】このような共有結合は、触媒層内電解質と
固体高分子電解質膜との界面の少なくとも一部において
形成されていれば良いが、界面の全面に形成されていて
良い。また、非架橋型の触媒層内電解質と非架橋型の固
体分子電解質膜との界面が、共有結合で結合していても
良く、あるいは、触媒層内電解質又は固体高分子電解質
の少なくとも一方が架橋型電解質からなり、かつ両者の
界面の一部又は全面が共有結合で結合されていても良
い。
Such a covalent bond may be formed on at least a part of the interface between the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, but may be formed on the entire surface of the interface. Further, the interface between the non-crosslinked type electrolyte in the catalyst layer and the non-crosslinked type solid molecular electrolyte membrane may be bonded by a covalent bond, or at least one of the electrolyte in the catalyst layer or the solid polymer electrolyte is crosslinked. It may be made of a type electrolyte, and a part or the whole of the interface between them may be bonded by a covalent bond.

【0093】これらの中でも、触媒層内電解質又は固体
高分子電解質膜の少なくとも一方が上述した酸性架橋基
で架橋された架橋型電解質からなり、かつ両者の界面の
一部又は全面が酸性共有結合で結合されていることが好
ましい。特に、触媒層内電解質及び固体高分子電解質膜
の双方が酸性架橋基で架橋された架橋型電解質からな
り、かつ両者の界面の一部又は全面が酸性共有結合で結
合されている場合には、耐久性、耐熱性、電気伝導性に
優れたMEAが得られる。
Among them, at least one of the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is made of a cross-linked electrolyte cross-linked by the above-mentioned acidic cross-linking group, and part or all of the interface between the two is formed by an acidic covalent bond. Preferably they are combined. In particular, when both the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are made of a cross-linked electrolyte cross-linked with an acid cross-linking group, and part or all of the interface between the two is bonded by an acidic covalent bond, An MEA having excellent durability, heat resistance, and electric conductivity can be obtained.

【0094】次に、本実施の形態に係る膜電極接合体の
作用について説明する。触媒層内電解質は、触媒層内の
三相界面と固体高分子電解質膜との間でプロトンの授受
を行う機能を果たす。従って、プロトンの授受を円滑に
行うためには、触媒層内電解質と固体高分子電解質膜と
は密着している必要がある。しかしながら、単に触媒層
と固体分子電解質膜とをプレス等により熱圧着する方法
では、繰り返し使用するに伴い界面が部分的に剥離し、
界面の抵抗が増大する場合がある。
Next, the operation of the membrane electrode assembly according to the present embodiment will be described. The electrolyte in the catalyst layer functions to exchange protons between the three-phase interface in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, in order to transfer protons smoothly, the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane need to be in close contact with each other. However, in the method in which the catalyst layer and the solid molecular electrolyte membrane are simply thermocompression-bonded with a press or the like, the interface is partially peeled with repeated use,
The interface resistance may increase.

【0095】これに対し、触媒層内電解質と固体高分子
電解質膜との界面の少なくとも一部を共有結合させる
と、固体高分子電解質膜と触媒層内電解質との間の接合
性が向上する。また、これによって、両者間におけるプ
ロトンの授受がより円滑に行われる。特に、共有結合が
酸性共有結合からなる場合には、結合点が酸として機能
するので、MEA全体の保水性及びプロトン伝導性が向
上する。そのため、このような膜電極接合体を燃料電
池、ガスセンサ等に適用すれば、これらの性能及び耐久
性を向上させることができる。
On the other hand, when at least a part of the interface between the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is covalently bonded, the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer is improved. In addition, the exchange of protons between the two is performed more smoothly. In particular, when the covalent bond is composed of an acidic covalent bond, the bonding point functions as an acid, so that the water retention and proton conductivity of the entire MEA are improved. Therefore, if such a membrane electrode assembly is applied to a fuel cell, a gas sensor, and the like, the performance and durability thereof can be improved.

【0096】次に、本実施の形態に係る膜電極接合体の
製造方法について説明する。本実施の形態に係るMEA
は、種々の方法により製造することができる。これらの
内、触媒層内電解質と固体高分子電解質の界面の一部又
は全面が酸性共有結合で結合されたMEAは、以下のよ
うな方法により製造することができる。
Next, a method for manufacturing the membrane electrode assembly according to the present embodiment will be described. MEA according to the present embodiment
Can be produced by various methods. Among them, the MEA in which a part or the whole of the interface between the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte is bonded by an acidic covalent bond can be manufactured by the following method.

【0097】第1の方法は、触媒層内電解質及び固体高
分子電解質膜の双方に酸性架橋基を導入し、かつ両者の
界面の一部又は全面に酸性共有結合を導入する方法であ
り、触媒層形成工程と、膜形成工程と、触媒層形成工程
と、接合工程と、架橋工程と、プロトン化工程とを備え
ている。
The first method is a method in which an acidic crosslinking group is introduced into both the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, and an acidic covalent bond is introduced into part or all of the interface between the two. The method includes a layer forming step, a film forming step, a catalyst layer forming step, a bonding step, a crosslinking step, and a protonation step.

【0098】触媒層形成工程は、第1の官能基Aを有す
る第1の固体高分子化合物を含む触媒層を形成する工程
である。第1の方法に係る触媒層形成工程は、第1の実
施の形態に係る触媒層形成工程と同様であるので、説明
を省略する。
The catalyst layer forming step is a step of forming a catalyst layer containing the first solid polymer compound having the first functional group A. Since the catalyst layer forming step according to the first method is the same as the catalyst layer forming step according to the first embodiment, the description is omitted.

【0099】膜形成工程は、第2の官能基Aを有する第
2の固体高分子化合物からなる膜を形成する工程であ
る。膜の形成方法については、特に限定されるものでは
ないが、第2の官能基Aを有する、又は付加反応、置換
反応等により第2の官能基Aを導入可能な第2の固体高
分子化合物を適当な溶媒に溶解し、次いでこの溶液を適
当な基板上にキャストし、溶媒を除去する方法、又は固
体高分子化合物を溶融し、押出成形する方法が好適であ
る。
The film forming step is a step of forming a film made of the second solid polymer having the second functional group A. The method for forming the film is not particularly limited, but a second solid polymer compound having a second functional group A or capable of introducing the second functional group A by an addition reaction, a substitution reaction, or the like. Is dissolved in a suitable solvent, and then the solution is cast on a suitable substrate and the solvent is removed, or a method in which a solid polymer compound is melted and extruded is suitable.

【0100】なお、第2の官能基A及び第2の固体高分
子化合物は、それぞれ、触媒層に用いられる第1の官能
基A及び第1の固体高分子化合物と同一であっても良
く、あるいは、異なっていても良い。また、第2の官能
基A及び第2の固体高分子化合物に関するその他の点
は、それぞれ、第1の官能基A及び第1の固体高分子化
合物と同様であるので、説明を省略する。
Incidentally, the second functional group A and the second solid polymer compound may be the same as the first functional group A and the first solid polymer compound used for the catalyst layer, respectively. Alternatively, they may be different. In addition, the other points related to the second functional group A and the second solid polymer compound are the same as those of the first functional group A and the first solid polymer compound, respectively, and thus description thereof is omitted.

【0101】接合工程は、触媒層形成工程で得られた触
媒層と、膜形成工程で得られた膜とを接合する工程であ
る。また、架橋工程は、接合工程において得られた接合
体に対し、官能基Bを備えた架橋剤又は官能基Bを導入
可能な架橋剤を導入し、第1の官能基A及び第2の官能
基Aと、官能基Bとを反応させる工程である。さらに、
プロトン化工程は、反応後の触媒層及び膜の加水分解及
びプロトン交換を行う工程である。
The joining step is a step of joining the catalyst layer obtained in the catalyst layer forming step and the film obtained in the film forming step. In the crosslinking step, a crosslinking agent having the functional group B or a crosslinking agent capable of introducing the functional group B is introduced into the joined body obtained in the joining step, and the first functional group A and the second functional group are introduced. In this step, the group A is reacted with the functional group B. further,
The protonation step is a step of performing hydrolysis and proton exchange of the catalyst layer and the membrane after the reaction.

【0102】第1の方法に係る接合工程、架橋工程及び
プロトン化工程は、触媒層と膜とを接合した後に、接合
体全体において官能基Aと官能基Bとの反応を起こさせ
る点を除き、それぞれ、第1の実施の形態に係る接合工
程、架橋工程及びプロトン化工程と同一であるので、説
明を省略する。
[0102] The joining step, the crosslinking step and the protonation step according to the first method are the same as those of the first method except that after the catalyst layer and the membrane are joined, a reaction between the functional groups A and B is caused in the whole joined body. , Respectively, are the same as the bonding step, the cross-linking step, and the protonation step according to the first embodiment, and thus description thereof will be omitted.

【0103】第1の官能基Aを有する触媒層及び第2の
官能基Aを有する膜からなる接合体に対し、官能基Bを
備えた架橋剤又は官能基Bを導入可能な架橋剤を導入
し、第1の官能基A及び第2の官能基Aと、官能基Bを
と反応させると、第1の固体高分子化合物及び第2の固
体高分子化合物がそれぞれ酸性架橋基で架橋される。ま
た、これと同時に、第1の固体高分子化合物と第2の固
体高分子化合物との界面の一部又は全面が、酸性共有結
合で結合される。さらに、この触媒層及び膜をプロトン
化すれば、所望のMEAが得られる。
A cross-linking agent having a functional group B or a cross-linking agent capable of introducing a functional group B is introduced into a bonded body comprising a catalyst layer having a first functional group A and a film having a second functional group A. When the first functional group A and the second functional group A are reacted with the functional group B, the first solid polymer compound and the second solid polymer compound are respectively cross-linked by the acid cross-linking group. . At the same time, part or all of the interface between the first solid polymer compound and the second solid polymer compound is bonded by an acidic covalent bond. Further, if the catalyst layer and the membrane are protonated, a desired MEA can be obtained.

【0104】第2の方法は、触媒層内電解質と固体高分
子電解質膜との界面近傍にのみ、酸性架橋基及び酸性共
有結合を導入する方法である。まず、第1の方法と同様
にして、第1の官能基Aを有する第1の固体高分子化合
物を含む触媒層を形成し(触媒層形成工程)、これとは
別に第2の官能基Aを有する第2の固体高分子化合物か
らなる膜を形成する(膜形成工程)。
The second method is to introduce an acidic crosslinking group and an acidic covalent bond only near the interface between the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane. First, in the same manner as in the first method, a catalyst layer containing a first solid polymer compound having a first functional group A is formed (catalyst layer forming step). Is formed (film forming step).

【0105】次に、触媒層及び/又は膜のごく表面にの
み、官能基Bを有する架橋剤、又は官能基Bを導入可能
な架橋剤を導入する(架橋剤導入工程)。触媒層及び/
又は膜のごく表面にのみ架橋剤を導入するためには、架
橋剤を含むガス又は溶液と触媒層及び/又は膜との接触
時間を短縮するだけで良い。
Next, a crosslinking agent having a functional group B or a crosslinking agent capable of introducing the functional group B is introduced only into the very surface of the catalyst layer and / or the membrane (crosslinking agent introduction step). Catalyst layer and / or
Alternatively, in order to introduce the crosslinking agent only to the very surface of the membrane, it is only necessary to shorten the contact time between the gas or the solution containing the crosslinking agent and the catalyst layer and / or the membrane.

【0106】次に、触媒層と膜とを接合(接合工程)し
た後、これを上述したトリメチルアミン等の塩基化合物
に接触させる(塩基処理工程)。これにより、第1の固
体高分子化合物と第2の固体高分子化合物の界面近傍に
おいてのみ、第1の官能基A及び/又は第2の官能基A
と官能基Bとの反応が進行し、触媒層及び/又は膜の界
面近傍が酸性架橋基で架橋されると同時に、両者が酸性
共有結合で結合される。さらに、塩基処理後の接合体に
対し加水分解及びプロトン交換を行えば、所望のMEA
が得られる。
Next, after joining the catalyst layer and the membrane (joining step), this is brought into contact with the above-mentioned base compound such as trimethylamine (base treatment step). Thereby, only in the vicinity of the interface between the first solid polymer compound and the second solid polymer compound, the first functional group A and / or the second functional group A
And the functional group B progress, and the vicinity of the interface of the catalyst layer and / or the membrane is cross-linked by an acidic cross-linking group, and at the same time, both are bonded by an acidic covalent bond. Furthermore, if hydrolysis and proton exchange are performed on the conjugate after the base treatment, the desired MEA can be obtained.
Is obtained.

【0107】第3の方法は、触媒層内電解質と固体高分
子電解質膜のいずれか一方の全体に酸性架橋基を導入
し、かつ両者の界面に酸性共有結合を導入する方法であ
る。まず、第1の方法と同様にして、第1の官能基Aを
有する第1の固体高分子化合物を含む触媒層を形成し
(触媒層形成工程)、これとは別に第2の官能基Aを有
する第2の固体高分子化合物からなる膜を形成する(触
媒層形成工程)。
The third method is a method in which an acidic crosslinking group is introduced into one of the electrolyte in the catalyst layer and the entire solid polymer electrolyte membrane, and an acidic covalent bond is introduced into the interface between the two. First, in the same manner as in the first method, a catalyst layer containing a first solid polymer compound having a first functional group A is formed (catalyst layer forming step). Is formed (catalyst layer forming step).

【0108】次に、触媒層又は膜のいずれか一方に対
し、官能基Bを有する架橋剤又は官能基Bを導入可能な
架橋剤を均一に導入する(架橋剤導入工程)。次いで、
触媒層と膜とを接合(接合工程)した後、これを上述し
た塩基化合物に接触させる(塩基処理工程)。これによ
り、第1の固体高分子化合物又は第2の固体高分子化合
物が酸性架橋基で架橋されると同時に、両者の界面の一
部又は全面が酸性共有結合で結合される。さらに、塩基
処理後の接合体に対し、加水分解及びプロトン交換を行
えば、所望のMEAが得られる。
Next, a crosslinking agent having a functional group B or a crosslinking agent capable of introducing the functional group B is uniformly introduced into either the catalyst layer or the membrane (crosslinking agent introduction step). Then
After joining the catalyst layer and the membrane (joining step), this is brought into contact with the above-mentioned base compound (base treatment step). Thereby, the first solid polymer compound or the second solid polymer compound is cross-linked by the acid cross-linking group, and at the same time, a part or the whole of the interface between them is bonded by an acidic covalent bond. Further, by subjecting the conjugate after the base treatment to hydrolysis and proton exchange, a desired MEA can be obtained.

【0109】本実施の形態に係る製造方法により得られ
るMEAは、いずれも、触媒層内電解質と固体高分子電
解質膜の界面の一部又は全面が酸性共有結合で結合され
ているので、電極と電解質膜との間の接合性が向上す
る。また、結合点が酸として機能するので、MEA全体
の保水性及びプロトン伝導性が向上する。そのため、こ
れを燃料電池、ガスセンサ等に用いれば、その性能及び
耐久性を向上させることができる。
In any of the MEAs obtained by the manufacturing method according to the present embodiment, a part or the whole of the interface between the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is bonded by an acidic covalent bond. The bondability with the electrolyte membrane is improved. In addition, since the bonding point functions as an acid, the water retention and proton conductivity of the entire MEA are improved. Therefore, if this is used for a fuel cell, a gas sensor, or the like, its performance and durability can be improved.

【0110】[0110]

【実施例】(実施例1)白金担持カーボンとナフィオン
(当量重量EW:1000g/当量)の混合水溶液(白
金担持カーボン:ナフィオン=1:1)をテトラフルオ
ロエチレンシートに塗布し、乾燥させることにより、厚
さ10μmのシートを形成した。このシート(10cm
×10cm)をアルゴンガスで希釈した10%フッ素ガ
ス(1kg/cm(9.8×10Pa))により、
25℃で2時間処理し、スルホン酸基をスルホニルフロ
ライド基に変換した。さらに、これをアンモニアガス
(1kg/cm(9.8×10Pa))により、2
5℃で2時間処理し、スルホニルフロライド基をほぼ完
全にスルホンアミド基に変換した。
(Example 1) A mixed aqueous solution of platinum-supported carbon and Nafion (equivalent weight EW: 1000 g / equivalent) (platinum-supported carbon: Nafion = 1: 1) is applied to a tetrafluoroethylene sheet and dried. A sheet having a thickness of 10 μm was formed. This sheet (10cm
× 10 cm) with a 10% fluorine gas (1 kg / cm 2 (9.8 × 10 4 Pa)) diluted with argon gas.
The mixture was treated at 25 ° C. for 2 hours to convert a sulfonic acid group into a sulfonyl fluoride group. Further, this was further purified by ammonia gas (1 kg / cm 2 (9.8 × 10 4 Pa)).
By treating at 5 ° C. for 2 hours, the sulfonyl fluoride group was almost completely converted into a sulfonamide group.

【0111】次に、得られたシートを5%の1,1,
2,2,3,3,−ヘキサフルオロプロパンジスルホニ
ルフロライド(FOS−(CF)−SOF)溶液
(溶媒:テトラヒドロフラン/トリエチルアミン=10
/1)に50℃で24時間浸漬し、架橋させた。その
後、80℃でKOH/水/ジメチルスルオキシド(15
wt%/50wt%/35wt%)溶液に2時間浸漬
し、加水分解を行った。次いで、これを50℃で15%
の硝酸水溶液に30分間浸漬し、プロトン交換を行っ
た。さらに、これをイオン交換水で洗浄し、触媒層を得
た。滴定法により求めた触媒層内電解質の当量重量EW
は、790g/当量であった。
Next, 5% of 1,1
2,2,3,3, - hexafluoropropane disulfonyl fluoride (FO 2 S- (CF 2) 3 -SO 2 F) solution (solvent: tetrahydrofuran / triethylamine = 10
/ 1) at 50 ° C. for 24 hours to crosslink. Then, at 80 ° C., KOH / water / dimethylsulfoxide (15
(wt% / 50wt% / 35wt%) solution for 2 hours to effect hydrolysis. This is then brought to 50% at 15%
For 30 minutes to perform proton exchange. This was further washed with ion-exchanged water to obtain a catalyst layer. Equivalent weight EW of electrolyte in catalyst layer determined by titration method
Was 790 g / equivalent.

【0112】次に、この触媒層をナフィオン111膜
(膜厚25μm)の両面に配置し、ホットプレスを行う
ことにより、MEAを作製した。なお、ホットプレス
は、温度:120℃、圧力50kg/cm(4.9M
Pa)の条件下で行った。
Next, the catalyst layer was disposed on both sides of a Nafion 111 film (25 μm in thickness), and hot pressing was performed to produce an MEA. The hot press was performed at a temperature of 120 ° C. and a pressure of 50 kg / cm 2 (4.9 M
Pa).

【0113】(実施例2)実施例1と同一の手順に従
い、10cm×10cm×10μmのシートを作製し
た。次いで、このシートをオキシ塩化リン、五塩化リン
(7/3重量比)溶液に90℃で12時間浸漬し、スル
ホニルクロライド基に変換後、5%のジメチルアミノサ
ルファトリフロライド((CH)NSF)(溶媒:
テトラヒドロフラン)に50℃で24時間浸漬し、スル
ホン酸基をスルホニルフロライド基に変換した。その
後、実施例1と同一の手順に従い、シートのアンモニア
処理、1,1,2,2,3,3,−ヘキサフルオロプロ
パンジスルホニルフロライド処理、加水分解、プロトン
交換及び洗浄を行い、触媒層を得た。触媒層内電解質の
当量重量EWは、800g/当量であった。さらに、得
られた触媒層を用いて、実施例1と同一の手順に従い、
MEAを作製した。
Example 2 A 10 cm × 10 cm × 10 μm sheet was prepared according to the same procedure as in Example 1. Next, this sheet was immersed in a solution of phosphorus oxychloride and phosphorus pentachloride (7/3 weight ratio) at 90 ° C. for 12 hours, converted into a sulfonyl chloride group, and then converted to 5% dimethylaminosulfur trifluoride ((CH 3 )). 2 NSF 3 ) (solvent:
(Tetrahydrofuran) at 50 ° C. for 24 hours to convert the sulfonic acid group into a sulfonyl fluoride group. Then, according to the same procedure as in Example 1, the sheet was subjected to ammonia treatment, 1,1,2,2,3,3-hexafluoropropanedisulfonyl fluoride treatment, hydrolysis, proton exchange and washing, and the catalyst layer I got The equivalent weight EW of the electrolyte in the catalyst layer was 800 g / equivalent. Further, using the obtained catalyst layer, according to the same procedure as in Example 1,
An MEA was prepared.

【0114】(実施例3)500mlのオートクレーブ
にフッ素溶媒(旭硝子(株)製AK225、100
g)、ナフィオンモノマ(30g)と開始剤(70%の
ジ(エチルヘキシル)パーオキシカーボネートのシクロ
ヘキサン溶液)(0.07ml)を仕込み、−40℃に
冷却し、ヘキサフルオロエチレン(6g)を封入した。
50℃で2時間反応後、アセトン200mlに再沈殿さ
せ、濾過、乾燥した。得られたナフィオンF体の当量重
量EWは、700g/当量であった。
Example 3 A 500 ml autoclave was charged with a fluorine solvent (AK225, 100 manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.).
g), Nafion monomer (30 g) and an initiator (70% di (ethylhexyl) peroxycarbonate in cyclohexane) (0.07 ml) were charged, cooled to -40 ° C, and hexafluoroethylene (6 g) was sealed. .
After reacting at 50 ° C. for 2 hours, the precipitate was reprecipitated in 200 ml of acetone, filtered and dried. The equivalent weight EW of the obtained Nafion F form was 700 g / equivalent.

【0115】次に、フッ素系溶媒(旭硝子(株)製AK
225)にナフィオンF体を溶解し、白金担持カーボン
と混合した。次いで、この混合液をテトラフルオロエチ
レンシートに塗布し、乾燥させることにより、厚さ10
μmのシートを得た。さらに、実施例1と同一の手順に
従い、シートのアンモニア処理、1,1,2,2,3,
3,−ヘキサフルオロプロパンジスルホニルフロライド
処理、加水分解、プロトン交換及び洗浄を行い、触媒層
を得た。触媒層内電解質の当量重量EWは、580g/
当量であった。さらに、得られた触媒層を用いて、実施
例1と同一の手順に従い、MEAを作製した。
Next, a fluorinated solvent (AKA manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.)
225), the Nafion F form was dissolved and mixed with platinum-supported carbon. Next, this mixed solution is applied to a tetrafluoroethylene sheet and dried to form a sheet having a thickness of 10%.
A μm sheet was obtained. Further, according to the same procedure as in Example 1, the sheet was treated with ammonia, 1, 1, 2, 2, 3,
3, -Hexafluoropropane disulfonyl fluoride treatment, hydrolysis, proton exchange and washing were performed to obtain a catalyst layer. The equivalent weight EW of the electrolyte in the catalyst layer is 580 g /
Was equivalent. Further, using the obtained catalyst layer, an MEA was manufactured according to the same procedure as in Example 1.

【0116】(実施例4)白金担持カーボン及びナフィ
オンの混合水溶液(白金担持カーボン:ナフィオン=
1:1)をテトラフルオロエチレンシートに塗布し、乾
燥させることにより、厚さ10μmのシートを形成し
た。このシート(10cm×10cm)を、オキシ塩化
リン(POCl)、五塩化リン(PCl)溶液(重
量比7/3)に90℃で12時間浸漬し、スルホン酸基
をスルホニルクロライド基に変換後、5%の(CH)
NSFに50℃で24時間浸漬し、スルニルクロライ
ド基をスルホニルフロライド基に変換した。このシート
をアンモニアガス(1kg/cm (9.8×10
a))により、25℃で10分間処理し、スルホニルフ
ロライド基の一部をスルホンアミド基に変換した。
Example 4 Platinum-Supported Carbon and Nafi
ON mixed aqueous solution (Platinum supported carbon: Nafion =
1: 1) on a tetrafluoroethylene sheet and dry
By drying, a sheet having a thickness of 10 μm is formed.
Was. This sheet (10cm × 10cm) is oxychlorinated
Phosphorus (POCl3), Phosphorus pentachloride (PCl5) Solution (heavy
7/3) at 90 ° C for 12 hours,
After conversion to a sulfonyl chloride group, 5% of (CH3)2
NSF3For 24 hours at 50 ° C.
Was converted to a sulfonyl fluoride group. This sheet
With ammonia gas (1 kg / cm 2(9.8 × 104P
a)) for 10 minutes at 25 ° C.
Some of the chloride groups were converted to sulfonamide groups.

【0117】次に、このシートをトリメチルアミンガス
(1kg/cm(9.8×10Pa))により、8
0℃で1時間処理した。その後、80℃でKOH/水/
ジメチルスルオキシド(15wt%/50wt%/35
wt%)溶液に2時間浸漬することにより、加水分解を
行った。次いで、これを50℃で15%の硝酸水溶液に
30分間浸漬し、プロトン交換を行った。さらに、これ
をイオン交換水で洗浄し、触媒層を得た。触媒層内電解
質の当量重量EWは、950g/当量であった。さら
に、得られた触媒層を用いて、実施例1と同一の手順に
従い、MEAを作製した。
Next, this sheet was treated with trimethylamine gas (1 kg / cm 2 (9.8 × 10 4 Pa)) for 8 hours.
Treated at 0 ° C. for 1 hour. Then, at 80 ° C., KOH / water /
Dimethyl sulfoxide (15 wt% / 50 wt% / 35
(% by weight) for 2 hours to perform hydrolysis. Next, this was immersed in a 15% nitric acid aqueous solution at 50 ° C. for 30 minutes to perform proton exchange. This was further washed with ion-exchanged water to obtain a catalyst layer. The equivalent weight EW of the electrolyte in the catalyst layer was 950 g / equivalent. Further, using the obtained catalyst layer, an MEA was manufactured according to the same procedure as in Example 1.

【0118】(実施例5)実施例3と同様の手順に従
い、ナフィオンF体を含む厚さ10μmのシートを得
た。このシートを、120℃の熱プレスにより、ナフィ
オン111のF膜(スルホニルフロライド体)の両面に
接合し、接合体を得た。次に、この接合体をアンモニア
ガス(1kg/cm(9.8×10Pa))により
25℃で2時間処理し、シート及びF膜中のスルホニル
フロライド基をほぼ完全にスルホンアミド基に変換し
た。
Example 5 According to the same procedure as in Example 3, a 10 μm-thick sheet containing a Nafion F body was obtained. The sheet was bonded to both sides of the F film (sulfonyl fluoride body) of Nafion 111 by hot pressing at 120 ° C. to obtain a bonded body. Next, this bonded body was treated with ammonia gas (1 kg / cm 2 (9.8 × 10 4 Pa)) at 25 ° C. for 2 hours to almost completely convert the sulfonyl fluoride groups in the sheet and the F film to sulfonamide groups. Was converted to

【0119】さらに、この接合体について、実施例1と
同一の手順に従い、1,1,2,2,3,3−ヘキサフ
ルオロプロパンジスルホニルフロライド処理、加水分
解、プロトン交換及び洗浄を行い、MEAを得た。触媒
層内電解質及び電解質膜の両方の平均的な当量重量EW
は、800g/当量であった。
Further, this conjugate was subjected to 1,1,2,2,3,3-hexafluoropropanedisulfonyl fluoride treatment, hydrolysis, proton exchange and washing according to the same procedure as in Example 1. An MEA was obtained. Average equivalent weight EW of both the electrolyte in the catalyst layer and the electrolyte membrane
Was 800 g / equivalent.

【0120】(実施例6)実施例3と同様の手順に従
い、ナフィオンF体を含む厚さ10μmのシートを得
た。このシートを120℃の熱プレスにより、ナフィオ
ン111のF膜(スルホニルフロライド体)の両面に接
合し、接合体を得た。次に、この接合体をアンモニアガ
ス(1kg/cm(9.8×10Pa))により2
5℃で10分間処理し、シート及びF膜中のスルホニル
フロライド基の一部をスルホンアミド基に変換した。
Example 6 According to the same procedure as in Example 3, a sheet having a thickness of 10 μm containing a Nafion F body was obtained. This sheet was bonded to both sides of the F film (sulfonyl fluoride body) of Nafion 111 by hot pressing at 120 ° C. to obtain a bonded body. Next, this bonded body was subjected to ammonia gas (1 kg / cm 2 (9.8 × 10 4 Pa)) for 2 hours.
By treating at 5 ° C. for 10 minutes, a part of the sulfonyl fluoride groups in the sheet and the F film were converted into sulfonamide groups.

【0121】次に、この接合体をトリメチルアミンガス
(1kg/cm(9.8×10Pa))により80
℃で3時間処理した。さらに、この接合体について、実
施例1と同一の手順に従い、加水分解、プロトン交換及
び洗浄を行い、MEAを得た。触媒層内電解質及び電解
質膜の当量重量EWは、1150g/当量であった。
Next, the joined body was treated with trimethylamine gas (1 kg / cm 2 (9.8 × 10 4 Pa)) for 80 minutes.
Treated at ℃ for 3 hours. Further, the conjugate was subjected to hydrolysis, proton exchange, and washing according to the same procedure as in Example 1 to obtain an MEA. The equivalent weight EW of the electrolyte in the catalyst layer and the electrolyte membrane was 1150 g / equivalent.

【0122】(比較例1)白金担持カーボンとナフィオ
ンの混合水溶液(白金担持カーボン:ナフィオン=1:
1)をテトラフルオロエチレンシートに塗布し、乾燥す
ることにより、厚さ10μmの触媒層を形成した。触媒
層内電解質の当量重量EWは、1000g/当量であっ
た。この触媒層を用いて、実施例1と同一の手順に従
い、MEAを作製した。
(Comparative Example 1) A mixed aqueous solution of platinum-supported carbon and Nafion (platinum-supported carbon: Nafion = 1:
1) was applied to a tetrafluoroethylene sheet and dried to form a catalyst layer having a thickness of 10 μm. The equivalent weight EW of the electrolyte in the catalyst layer was 1000 g / equivalent. Using this catalyst layer, an MEA was manufactured according to the same procedure as in Example 1.

【0123】実施例1〜6及び比較例1で得られたME
Aについて、表1に示す条件下で定常運転(電流密度
0.5A/cm)を行い、その時の出力電圧を評価し
た。表2にその結果を示す。
The MEs obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1
For A, steady operation (current density 0.5 A / cm 2 ) was performed under the conditions shown in Table 1, and the output voltage at that time was evaluated. Table 2 shows the results.

【0124】[0124]

【表1】 [Table 1]

【0125】[0125]

【表2】 [Table 2]

【0126】比較例1のMEAの場合、セル温度100
℃の条件下では、0.53Vの出力電圧が得られた。し
かしながら、セル温度を110℃とすると、出力電圧
は、0.39Vまで低下した。
In the case of the MEA of Comparative Example 1, the cell temperature was 100
Under the condition of ° C., an output voltage of 0.53 V was obtained. However, assuming a cell temperature of 110 ° C., the output voltage dropped to 0.39V.

【0127】これに対し、実施例1〜4のMEAの場
合、セル温度100℃の条件下では、出力電圧は、0.
55〜0.66Vであり、いずれも比較例1より向上し
た。また、セル温度を110℃としても、出力電圧は、
0.45〜0.58Vであり、いずれも比較例1より高
い値を示した。これは、触媒層内電解質が酸性架橋基で
架橋されているために、触媒層の内部構造の安定性、保
水性及び耐熱性が向上したためである。
On the other hand, in the case of the MEAs of Examples 1 to 4, under the condition of the cell temperature of 100.degree.
55 to 0.66 V, all of which were improved from Comparative Example 1. Further, even when the cell temperature is 110 ° C., the output voltage is
0.45 to 0.58 V, all of which were higher than Comparative Example 1. This is because the stability, water retention and heat resistance of the internal structure of the catalyst layer were improved because the electrolyte in the catalyst layer was cross-linked by the acid cross-linking group.

【0128】さらに、実施例5及び6の場合、セル温度
100℃及び110℃のいずれの条件下でも、その出力
電圧は、それぞれ実施例3及び4より高い値を示した。
これは、電解質膜及び触媒層内電解質が酸性架橋基で架
橋されていることに加え、触媒層と電解質膜との間に共
有結合が形成されることによって、両者間の接合性及び
MEA全体の保水性が向上したためである。
Further, in the case of Examples 5 and 6, the output voltage showed higher values than those of Examples 3 and 4, respectively, under both conditions of the cell temperature of 100 ° C. and 110 ° C.
This is because the electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer are cross-linked by the acid cross-linking group, and the covalent bond is formed between the catalyst layer and the electrolyte membrane, so that the bonding between them and the overall MEA are improved. This is because the water retention was improved.

【0129】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention. is there.

【0130】例えば、上記実施例においては、固体高分
子型燃料電池に対して本発明に係るMEAを適用した例
について説明したが、本発明の用途はこれに限定される
ものではなく、各種電解装置、水素及び/又は酸素濃縮
器、あるいは各種センサ等に対しても適用することがで
きる。
For example, in the above embodiment, an example was described in which the MEA according to the present invention was applied to a polymer electrolyte fuel cell. However, the application of the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied to a device, a hydrogen and / or oxygen concentrator, or various sensors.

【0131】[0131]

【発明の効果】本発明に係るMEAは、ビススルホニル
イミド基、スルホニルカルボニルイミド基及びビスカル
ボニルイミド基から選ばれる少なくとも1つの架橋基を
介して架橋された触媒層内電解質を含む触媒層を備えて
いるので、高湿度条件下又は高温条件下であっても、触
媒層の内部構造が安定して保たれるという効果がある。
また、架橋基そのものが酸基として機能するので、触媒
層の保水性が向上し、高温低湿度条件下であっても、高
い出力が得られるという効果がある。
The MEA according to the present invention comprises a catalyst layer containing an electrolyte in the catalyst layer crosslinked via at least one crosslinking group selected from bissulfonylimide groups, sulfonylcarbonylimide groups and biscarbonylimide groups. Therefore, there is an effect that the internal structure of the catalyst layer is stably maintained even under a high humidity condition or a high temperature condition.
Further, since the crosslinking group itself functions as an acid group, the water retention of the catalyst layer is improved, and there is an effect that a high output can be obtained even under high temperature and low humidity conditions.

【0132】また、本発明に係るMEAの製造方法は、
官能基Aを備えた固体高分子化合物と、官能基Bを備え
た架橋剤又は固体高分子化合物に官能基Bを導入可能な
架橋剤とを反応させているので、内部構造の安定性、保
水性及び耐熱性に優れた触媒層を備えたMEAを容易に
製造できるという効果がある。
The method of manufacturing an MEA according to the present invention
Since the solid polymer compound having the functional group A is reacted with the cross-linking agent having the functional group B or the cross-linking agent capable of introducing the functional group B into the solid polymer compound, the stability of the internal structure and the water retention There is an effect that an MEA having a catalyst layer excellent in heat resistance and heat resistance can be easily manufactured.

【0133】さらに、本発明に係るMEAの2番目は、
触媒層内電解質と固体高分子電解質膜が共有結合で結合
されているので、その性能及び耐久性がさらに向上する
という効果がある。
Further, the second of the MEAs according to the present invention is:
Since the electrolyte in the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are covalently bonded, there is an effect that their performance and durability are further improved.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K011 AA23 AA30 BA02 BA04 BA07 DA03 DA05 DA11 5H018 AA06 BB12 BB16 EE03 EE05 EE17 HH00 5H026 AA06 BB00 BB08 BB10 CX05 EE18 HH00    ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    F term (reference) 4K011 AA23 AA30 BA02 BA04 BA07                       DA03 DA05 DA11                 5H018 AA06 BB12 BB16 EE03 EE05                       EE17 HH00                 5H026 AA06 BB00 BB08 BB10 CX05                       EE18 HH00

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電
解質膜の両面に接合された電極とを備え、 該電極の少なくとも一方は、ビススルホニルイミド基、
スルホニルカルボニルイミド基、及びビスカルボニルイ
ミド基から選ばれる少なくとも1つの架橋基を介して架
橋された固体高分子化合物からなる触媒層内電解質を含
む触媒層を備えている膜電極接合体。
1. A solid polymer electrolyte membrane, comprising electrodes joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, wherein at least one of the electrodes has a bissulfonylimide group,
A membrane electrode assembly comprising a catalyst layer including an electrolyte in a catalyst layer comprising a solid polymer compound crosslinked via at least one crosslinking group selected from a sulfonylcarbonylimide group and a biscarbonylimide group.
【請求項2】 前記触媒層内電解質の当量重量EWは、
250g/当量以上2000g/当量以下である請求項
1に記載の固体高分子型燃料電池。
2. The equivalent weight EW of the electrolyte in the catalyst layer is:
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the amount is from 250 g / equivalent to 2000 g / equivalent.
【請求項3】 官能基Aを有する固体高分子化合物を含
む触媒層を形成する触媒層形成工程と、 前記官能基Aと反応することによってビススルホニルイ
ミド基、スルホニルカルボニルイミド基及びビスカルボ
ニルイミド基から選ばれる少なくとも1つの架橋基を形
成可能な官能基Bを備えた架橋剤、又は前記固体高分子
化合物に前記官能基Bを導入可能な架橋剤を前記触媒層
に導入し、前記官能基Aと前記官能基Bとを反応させる
架橋工程と、 前記触媒層の加水分解及びプロトン交換を行うプロトン
化工程と、 前記触媒層と固体高分子電解質膜とを接合する接合工程
とを備えた膜電極接合体の製造方法。
3. A catalyst layer forming step of forming a catalyst layer containing a solid polymer compound having a functional group A, and a bissulfonylimide group, a sulfonylcarbonylimide group and a biscarbonylimide group by reacting with the functional group A. A cross-linking agent having a functional group B capable of forming at least one cross-linking group selected from the group consisting of: a cross-linking agent capable of introducing the functional group B into the solid polymer compound is introduced into the catalyst layer; A membrane electrode comprising: a crosslinking step of reacting the catalyst layer with the functional group B; a protonation step of performing hydrolysis and proton exchange of the catalyst layer; and a joining step of joining the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane. Manufacturing method of joined body.
【請求項4】 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電
解質膜の両面に接合された電極とを備え、 該電極の少なくとも一方は、該電極に備えられる触媒層
に含まれる触媒層内電解質の少なくとも一部が、前記固
体高分子電解質膜と共有結合で結合されている膜電極接
合体。
4. A solid polymer electrolyte membrane, and electrodes joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, wherein at least one of the electrodes is an electrolyte in a catalyst layer contained in a catalyst layer provided in the electrode. Is a membrane electrode assembly wherein at least a part of the membrane electrode assembly is covalently bonded to the solid polymer electrolyte membrane.
【請求項5】 前記共有結合は、ビススルホニルイミド
結合、スルホニルカルボニル結合、及びビスカルボニル
イミド結合から選ばれる少なくとも1つである請求項4
に記載の膜電極接合体。
5. The covalent bond is at least one selected from a bissulfonylimide bond, a sulfonylcarbonyl bond, and a biscarbonylimide bond.
3. The membrane electrode assembly according to item 1.
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