JP2004296435A - Electrode catalyst layer, its manufacturing method, and solid polymer type fuel cell using the same - Google Patents

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聖幸 希代
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode catalyst layer excellent in liquid permeability, gas diffusibility, electronic conductivity, and proton conductivity. <P>SOLUTION: A catalyst-polymer compound material containing a catalyst carrier carbon particle and a polymer has a 3D mesh porous structure. Because the manufacturing method of the electrode catalyst layer uses a wet solidifying method to produce a catalyst-polymer solution composition, the produced electrode catalyst layer is high in void content, and excellent in liquid permeability and gas permeability. An electrode and a membrane electrode assembly (MEA) using the electrode catalyst layer are thus excellent in output property, because the electrode catalyst has the above mentioned properties. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、液体燃料を用いる固体高分子形燃料電池に用いられる電極触媒層、それを用いた電極、およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst layer used for a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel, an electrode using the same, and a method for producing the same.

燃料電池は、排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。   A fuel cell is a power generation device that emits little, has high energy efficiency, and has a low burden on the environment. For this reason, they have been spotlighted again in recent years as global environmental protection has increased. Compared with the conventional large-scale power generation facilities, the power generation apparatus is expected to be a relatively small-scale distributed power generation facility and a power generation apparatus for mobile objects such as automobiles and ships in the future. In addition, it is attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be mounted on mobile phones and personal computers instead of secondary batteries such as nickel-metal hydride batteries and lithium ion batteries.

固体高分子型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の固体高分子型燃料電池(以下、PEFCと記載する)に加えて、液体燃料のメタノール水溶液を直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記載する)も注目されている。DMFCは、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In a polymer electrolyte fuel cell, in addition to a conventional polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) using hydrogen gas as a fuel, a direct methanol fuel cell (a direct methanol solution of a liquid fuel) is directly supplied. DMFC) is also attracting attention. DMFC has a lower output than conventional PEFC, but has the advantage of higher energy density and longer usage time of portable equipment per charge because the fuel is liquid and no reformer is used. is there.

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のイオン伝導体となる電解質膜とが、膜―電極複合体(MEA)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、燃料液体や気体の供給や生成物の放出と集(給)電を行う電極基材(ガス拡散電極あるいは集電体とも云う)と、実際に電気化学的反応場となる電極触媒層とから構成されている。   In a fuel cell, an anode and a cathode, in which a reaction responsible for power generation takes place, and an electrolyte membrane serving as an ion conductor between the anode and the cathode constitute a membrane-electrode assembly (MEA). The sandwiched cell is configured as a unit. Here, the electrode is an electrode base material (also referred to as a gas diffusion electrode or a current collector) for supplying a fuel liquid or a gas, discharging a product, and collecting (supplying) electricity, and is actually an electrochemical reaction field. And an electrode catalyst layer.

たとえば、固体高分子型燃料電池のアノード電極では、メタノール水溶液などの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトン、電子と二酸化炭素を生じ、電子は電極基材にプロトンは高分子固体電解質へと伝導し、二酸化炭素は系外に排出される。このため、アノード電極には、液体燃料の浸み込み、ガスの拡散性、電子伝導性、イオン伝導性が良好なことが要求される。
子固体電解質から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。特にDMFCにおいては、電解質膜を透過したメタノールと酸素あるいは空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、二酸化炭素と水を生成する反応も起こる。このため、従来のPEFCよりも生成水が多くなるため、さらに効率よく水を排出することが必要となる。
For example, at the anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel such as an aqueous methanol solution reacts in the catalyst layer of the anode electrode to generate protons, electrons and carbon dioxide, and the electrons are transferred to the electrode substrate and the protons are transferred to the polymer solid electrolyte. And carbon dioxide is discharged out of the system. Therefore, the anode electrode is required to have good penetration of liquid fuel, good gas diffusivity, good electron conductivity, and good ionic conductivity.
The protons conducted from the solid electrolyte and the electrons conducted from the electrode substrate react with each other to generate water. For this reason, in the cathode electrode, it is necessary to efficiently discharge generated water in addition to gas diffusion, electron conductivity, and ion conductivity. Particularly in a DMFC, a reaction in which methanol and oxygen or an oxidizing gas such as air permeating the electrolyte membrane is generated in the catalyst layer of the cathode electrode to generate carbon dioxide and water. For this reason, the amount of generated water is larger than that of the conventional PEFC, and it is necessary to discharge water more efficiently.

このような要求を満たすために、これまで電極触媒層にはさまざまな検討が加えられてきた。ガス拡散性を向上させた例(特許文献1〜3)や、プロトン伝導性を向上させた例(特許文献4〜6)がこれまで報告されている。   In order to satisfy such requirements, various studies have been made on the electrode catalyst layer. Examples of improving gas diffusivity (Patent Documents 1 to 3) and examples of improving proton conductivity (Patent Documents 4 to 6) have been reported so far.

これらの文献には、ガス拡散性向上を目的として多孔化触媒層にするために、触媒担持カーボンやポリマ(プロトン伝導性向上のためにはプロトン交換樹脂を用い、生成水の排出性向上のためにはPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を用いる)の粒径を大きくした例や、プロトン伝導性向上を目的として、触媒担持カーボンとプロトン交換樹脂を混ぜて触媒層を作製した例や触媒層にプロトン交換樹脂を塗布した後にプロトン交換膜と接合した例などが、知られている。   In these documents, a catalyst-supporting carbon or polymer (proton exchange resin is used for improving proton conductivity, and discharge of generated water is improved for forming a porous catalyst layer for the purpose of improving gas diffusivity) For example, PTFE (polytetrafluoroethylene) is used as the particle size, or a catalyst layer is prepared by mixing a catalyst-supporting carbon and a proton exchange resin for the purpose of improving proton conductivity. An example in which an exchange resin is applied and then joined to a proton exchange membrane is known.

また、三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層が報告されている(特許文献7)。
特開平8−88007号公報 特開平7−183035号公報 特開平6−203852号公報 特開平4−329264号公報 特開平7−296818号公報、 特開平7−254420号公報 特開2000−353528号公報
Further, an electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure has been reported (Patent Document 7).
JP-A-8-88007 JP-A-7-183035 JP-A-6-203852 JP-A-4-329264 JP-A-7-296818, JP-A-7-254420 JP 2000-353528 A

前述のように、燃料電池用の電極には、電極触媒層、電極基材(集電体)ともに下記のような課題がある。   As described above, both the electrode catalyst layer and the electrode substrate (current collector) have the following problems in the fuel cell electrode.

電極触媒層においては、液体の浸透性、ガス透過性、電子伝導性、プロトン伝導性が良好なことが要求されている。液体の浸透性やガス拡散性を良好にするためには空隙を大きくすること、つまり粗な構造であることが必要である。それに対して、電子伝導性を良好にするためには触媒層中の導電剤カーボン間の接触抵抗を下げること、つまり密な構造が必要となる。プロトン伝導性についても、触媒層に加えるプロトン伝導物質(プロトン交換樹脂)が連続的につながった構造、つまり密な構造が必要となる。   The electrode catalyst layer is required to have good liquid permeability, gas permeability, electron conductivity, and proton conductivity. In order to improve the liquid permeability and gas diffusivity, it is necessary to increase the gap, that is, to have a rough structure. On the other hand, in order to improve the electron conductivity, it is necessary to reduce the contact resistance between the conductive carbon in the catalyst layer, that is, to have a dense structure. As for the proton conductivity, a structure in which the proton conductive material (proton exchange resin) added to the catalyst layer is continuously connected, that is, a dense structure is required.

このように電極触媒層に求められる構造は、液体の浸透性やガス拡散性には粗な構造が求められ、電子伝導性やプロトン伝導性には密な構造が求められるという二律背反となっている。このため、従来の触媒層においては、液体の浸透あるいはガス拡散と電子伝導あるいはプロトン伝導との両立は充分とはいえなかった。   Thus, the structure required for the electrode catalyst layer is a trade-off between liquid permeability and gas diffusion, which require a coarse structure, and electron conductivity and proton conductivity, which require a dense structure. . For this reason, in the conventional catalyst layer, compatibility between liquid permeation or gas diffusion and electron conduction or proton conduction was not sufficient.

また、電解質膜表面と電極触媒層の界面の接着性は出力に影響すると推定されるが、今までの電極触媒層構造では十分な接着性を得ることができなかった。   In addition, the adhesiveness at the interface between the electrolyte membrane surface and the electrode catalyst layer is presumed to affect the output, but sufficient adhesiveness could not be obtained with the conventional electrode catalyst layer structure.

本発明は、上記課題を解決し、高性能な電極触媒層およびその製造方法並びに電極触媒層を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above problems and provide a high-performance electrode catalyst layer, a method for producing the same, and an electrode catalyst layer.

本発明は、上記課題を解決するために下記構成を有する。
「液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池用電極触媒層であって、少なくとも、触媒担持カーボン粒子と1種以上のポリマとを含む触媒−ポリマ複合体が、三次元方向に網目状の微多孔質構造を有していることを特徴とする電極触媒層。」
すなわち、本発明の電極触媒層は、少なくとも触媒担持カーボン粒子と1種以上のポリマを含む触媒−ポリマ複合体が、三次元網目微多孔質構造であることを特徴とする。
The present invention has the following configuration in order to solve the above-mentioned problems.
"An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel, wherein at least a catalyst-polymer composite containing catalyst-carrying carbon particles and at least one polymer is a three-dimensional network-like microporous material. An electrode catalyst layer characterized by having a porous structure. "
That is, the electrode catalyst layer of the present invention is characterized in that the catalyst-polymer composite containing at least the catalyst-supporting carbon particles and at least one polymer has a three-dimensional network microporous structure.

また、本発明の電極触媒層の製造方法は、少なくとも均一に分散された触媒粒子を含むポリマ溶液からなる触媒−ポリマ溶液組成物を基材に塗布した後に、この塗布層をポリマに対する凝固溶媒と接触させて、触媒−ポリマ溶液組成物の凝固と溶媒抽出とを同時に行うことを特徴とする。   In addition, the method for producing an electrode catalyst layer of the present invention includes, after applying a catalyst-polymer solution composition comprising a polymer solution containing at least uniformly dispersed catalyst particles to a substrate, coating the coating layer with a coagulating solvent for the polymer. The method is characterized in that coagulation of the catalyst-polymer solution composition and solvent extraction are simultaneously performed by contacting.

また、本発明の電極は、少なくとも、触媒担持カーボン粒子と1種以上のポリマとを含む触媒−ポリマ複合体が、三次元方向に網目状の微多孔質構造を有していることを特徴とする上記電極触媒層と電極基材とから成ることを特徴とする。   Further, the electrode of the present invention is characterized in that the catalyst-polymer composite containing at least the catalyst-supporting carbon particles and at least one polymer has a three-dimensionally network-like microporous structure. Characterized by comprising the above electrode catalyst layer and an electrode substrate.

また、本発明の液体燃料を用いる燃料電池は上記電極触媒層が適用されてなることを特徴とする。   Further, a fuel cell using a liquid fuel according to the present invention is characterized in that the above-mentioned electrode catalyst layer is applied.

さらに、本発明の移動体は、上記燃料電池を電力供給源としてなることを特徴とする。   Further, the moving object of the present invention is characterized in that the fuel cell serves as a power supply source.

本発明は、液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池において、少なくとも、触媒担持カーボン粒子を1種以上のポリマとを含む触媒−ポリマ複合体が、三次元方向に網目状の微多孔質構造を有することを特徴とする電極触媒層であるが、これにより、触媒層内のプロトン伝導性と電子伝導性を維持しつつ微多孔化構造が得られるため、燃料や反応生成物の移動促進により高性能することが可能となる。   The present invention provides a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel, in which at least a catalyst-polymer composite containing catalyst-supporting carbon particles and at least one polymer has a three-dimensional network-like microporous structure. The electrode catalyst layer is characterized in that it has a microporous structure while maintaining proton conductivity and electron conductivity in the catalyst layer, thereby enhancing the movement of fuel and reaction products. Performance.

以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本発明の電極触媒層は、少なくとも触媒担持カーボン粒子と1種以上のポリマとを含む触媒−ポリマ複合体が、三次元方向に網目状の微多孔質構造(以下、単に三次元網目微多孔質構造という)を有していることを特徴とする。以下、その内容を詳細に説明する。   In the electrode catalyst layer of the present invention, a catalyst-polymer composite containing at least catalyst-supporting carbon particles and one or more polymers has a network-like microporous structure in a three-dimensional direction (hereinafter simply referred to as a three-dimensional network microporous structure). Structure). Hereinafter, the contents will be described in detail.

従来、ポリマのみを湿式凝固する例はあるが、発明者らは鋭意検討の結果、触媒担持カーボンなどの触媒粒子を分散させたポリマ溶液組成物を湿式凝固することで得られる触媒−ポリマ複合体の三次元網目微多孔質構造が、優れた燃料電池性能を発現する電極触媒層となることを見いだしたものである。すなわち、本発明における触媒−ポリマ複合体は、触媒粒子を含んだポリマ複合体であって、この複合体が三次元網目微多孔質構造となっていることが特徴である。なお、「三次元網目微多孔構造」とは、触媒−ポリマ複合体が立体的に繋がった三次元状の網目構造をしている状態をいう。   Conventionally, there is an example in which only a polymer is wet-coagulated, but as a result of intensive studies, the inventors have obtained a catalyst-polymer composite obtained by wet-coagulating a polymer solution composition in which catalyst particles such as catalyst-supporting carbon are dispersed. Has been found to be an electrode catalyst layer exhibiting excellent fuel cell performance. That is, the catalyst-polymer composite of the present invention is a polymer composite containing catalyst particles, and is characterized in that the composite has a three-dimensional network microporous structure. The “three-dimensional network microporous structure” refers to a state in which the catalyst-polymer composite has a three-dimensional network structure three-dimensionally connected.

本発明における三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層は、燃料として水素などの気体よりもメタノールなどの液体を燃料とする固体高分子高分子燃料電池においてその効果を発揮することを見出したことも、本発明のポイントである。例えば前述のDMFCにおいては、アノード電極においては、燃料のメタノール水溶液の供給と反応生成物の二酸化炭素の排出が必要であるため、水素燃料のPEFCよりもより一層の十分な空隙が必要となる。また、DMFCにおいては、燃料のメタノールが電解質膜中をアノード極からカソード極に透過するメタノールクロスオーバー(MCO)が起こる。このため、カソードでは透過したメタノールが空気と反応して水を生成することから、水素燃料PEFCに比べて大量の水放出のために、より一層の十分な空隙が必要となる。   It has been found that the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure in the present invention exerts its effect in a polymer electrolyte fuel cell using a liquid such as methanol as a fuel rather than a gas such as hydrogen as a fuel. This is also a point of the present invention. For example, in the above-mentioned DMFC, the anode electrode needs to supply a methanol aqueous solution of fuel and discharge carbon dioxide as a reaction product, so that a more sufficient gap is required than the PEFC of hydrogen fuel. In a DMFC, methanol crossover (MCO) occurs in which methanol as fuel permeates through the electrolyte membrane from the anode to the cathode. For this reason, the permeated methanol reacts with the air to generate water at the cathode, so that more sufficient voids are required for discharging a large amount of water as compared with the hydrogen fuel PEFC.

本発明における三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層は、その厚さが10μm以上200μm以下であることが好ましい実施態様である。電極触媒層の厚さが10μm未満あるいは200μmを超えると、触媒層中の液体や気体等の物質移動に対する微多孔質構造の効果が得られない可能性がある。   It is a preferred embodiment that the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure in the present invention has a thickness of 10 μm or more and 200 μm or less. When the thickness of the electrode catalyst layer is less than 10 μm or more than 200 μm, there is a possibility that the effect of the microporous structure on the mass transfer of a liquid or gas in the catalyst layer may not be obtained.

本発明における三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層は、触媒金属重量が1mg/cm2以上、7mg/cm2以下であることが好ましい実施態様である。触媒金属量は、蛍光X線分析やICP発光分析により分析することができ、例えば、MEAから電極触媒層を掻き取り、含まれるポリマを溶媒で溶かした後に、残った触媒金属とカーボンから蛍光X線分析などにより触媒金属量を求めることが可能である。触媒金属重量が1mg/cm2未満であると発電性能が低くなる可能性がある。また、触媒金属量が7mg/cm2を超えると電極触媒層が厚くなりすぎるために性能が低下、あるいはコスト高となる可能性がある。 In an embodiment, the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure in the present invention preferably has a catalyst metal weight of 1 mg / cm 2 or more and 7 mg / cm 2 or less. The amount of catalyst metal can be analyzed by X-ray fluorescence analysis or ICP emission analysis.For example, after scraping the electrode catalyst layer from MEA and dissolving the contained polymer with a solvent, the remaining catalyst metal and carbon emit fluorescent X-ray. It is possible to determine the amount of catalytic metal by line analysis or the like. If the weight of the catalyst metal is less than 1 mg / cm 2 , the power generation performance may be reduced. On the other hand, if the amount of the catalyst metal exceeds 7 mg / cm 2 , the electrode catalyst layer becomes too thick, which may lower the performance or increase the cost.

本発明における三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層は、カーボン重量が0.2mg/cm2以上、4mg/cm2以下であることが好ましい実施態様である。電極触媒層中のカーボン量は、例えばMEAから電極触媒層を掻き取り、含まれるポリマを溶媒で溶かした後に、残った触媒金属とカーボンから触媒金属を差し引いて求めることが可能である。カーボン重量が0.2mg/cm2未満あるいは4mg/cm2を超えると、触媒層中の液体や気体等の物質移動に対する微多孔質構造の効果が得られない可能性がある。 It is a preferred embodiment that the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure in the present invention has a carbon weight of 0.2 mg / cm 2 or more and 4 mg / cm 2 or less. The amount of carbon in the electrode catalyst layer can be determined, for example, by scraping the electrode catalyst layer from MEA, dissolving the contained polymer with a solvent, and then subtracting the catalyst metal from the remaining catalyst metal and carbon. If the carbon weight is less than 0.2 mg / cm 2 or more than 4 mg / cm 2 , the effect of the microporous structure on the mass transfer of liquids and gases in the catalyst layer may not be obtained.

本発明における三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層は、電解質ポリマ重量が0.2mg/cm2以上、5mg/cm2以下であることが好ましい実施態様である。電極触媒層中の電解質ポリマ量は、例えばMEAから電極触媒層を掻き取り、含まれるポリマを溶媒で溶かした後に、溶かした電解質ポリマの重量評価などで求めることが可能である。電解質ポリマ重量が0.2mg/cm2未満であると発電性能が得られない可能性がある。また、5mg/cm2を超えると、触媒層中の液体や気体等の物質移動に対する微多孔質構造の効果が得られない可能性がある。 In an embodiment, the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure in the present invention preferably has an electrolyte polymer weight of 0.2 mg / cm 2 or more and 5 mg / cm 2 or less. The amount of the electrolyte polymer in the electrode catalyst layer can be determined, for example, by scraping the electrode catalyst layer from MEA, dissolving the contained polymer with a solvent, and evaluating the weight of the dissolved electrolyte polymer. If the weight of the electrolyte polymer is less than 0.2 mg / cm 2 , power generation performance may not be obtained. On the other hand, if it exceeds 5 mg / cm 2 , the effect of the microporous structure on mass transfer of liquids and gases in the catalyst layer may not be obtained.

本発明における触媒−ポリマ複合体の三次元網目微多孔質構造は、その微多孔径が0.05〜5μmであることが好ましい。より好ましくは、0.1〜1μmである。微多孔径は、走査型電子顕微鏡(SEM)などで、表面を撮影した写真から、20個以上好ましくは100個以上の平均から求めることができ、通常は100個で測定する。湿式凝固法によって製造された場合の本発明の微多孔質構造の触媒層は、微多孔径の分布が広いのでできるだけ多くの孔径の平均をとることが好ましい。   The three-dimensional network microporous structure of the catalyst-polymer composite in the present invention preferably has a microporous diameter of 0.05 to 5 μm. More preferably, it is 0.1 to 1 μm. The microporous diameter can be determined from an average of 20 or more, preferably 100 or more from a photograph of the surface taken with a scanning electron microscope (SEM) or the like, and is usually measured with 100. Since the catalyst layer having a microporous structure of the present invention when produced by a wet coagulation method has a wide distribution of microporous diameters, it is preferable to average as many pore diameters as possible.

三次元網目微多孔質構造の空孔率は、10〜95%であることが好ましい。より好ましくは50〜90%である。空孔率は、触媒層全体積から触媒−ポリマ複合体の占める体積を減じたものを触媒層全体積で除した百分率(%)である。触媒層は、電極基材、プロトン交換膜、それ以外の基材に塗布した後に湿式凝固を行うが、触媒層を単独で空孔率を求めることが困難な場合には、電極基材、プロトン交換膜、それ以外の基材の空孔率を予め求めておき、これら基材と触媒層とを含む空孔率を求めた後に、触媒層単独での空孔率を求めることも可能である。   The porosity of the three-dimensional network microporous structure is preferably from 10 to 95%. More preferably, it is 50 to 90%. The porosity is a percentage (%) obtained by subtracting the volume occupied by the catalyst-polymer composite from the total volume of the catalyst layer and dividing by the total volume of the catalyst layer. The catalyst layer is wet-solidified after being applied to the electrode substrate, the proton exchange membrane, and other substrates.If it is difficult to determine the porosity of the catalyst layer alone, the electrode substrate, the proton It is also possible to previously determine the porosity of the exchange membrane and the other substrates, determine the porosity including these substrates and the catalyst layer, and then determine the porosity of the catalyst layer alone. .

電極触媒層は、空孔率が大きくガス拡散性や生成水の排出が良好であり、かつ電子電導性やプロトン伝導性も良好である。従来の多孔化では、触媒粒子径や添加ポリマの粒子径を増大させたり、造孔剤を用いて空孔を形成するなどが行われているが、このような多孔化方式では触媒担持カーボン間やプロトン交換樹脂間の接触抵抗が電極触媒層に比べて大きくなってしまう。それに対して、本発明の湿式凝固法による三次元網目微多孔質構造では、触媒担持カーボンを含んだポリマ複合体が三次元網目状になっているので、このポリマ複合体を電子やプロトンが伝導しやすく、さらに微多孔質構造のためガス拡散性や生成水の排出も良好な構造となっている。   The electrode catalyst layer has a high porosity, good gas diffusibility and good discharge of generated water, and good electron conductivity and proton conductivity. In the conventional porous method, the catalyst particle diameter and the particle diameter of the added polymer are increased, and pores are formed using a pore-forming agent. And the contact resistance between the proton exchange resins becomes larger than that of the electrode catalyst layer. In contrast, in the three-dimensional network microporous structure formed by the wet coagulation method of the present invention, since the polymer composite containing the catalyst-supporting carbon has a three-dimensional network, electrons and protons conduct through the polymer composite. In addition, the gas diffusion property and the discharge of generated water are excellent because of the microporous structure.

触媒−ポリマ複合体の触媒担持カーボンに含まれる触媒は特に限定されるものではないが、プロトン化反応の効率の点から白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、2種以上の元素が含まれていても構わない。また、上記の触媒金属のみの微粒子を含んでいることも好ましい実施態様である。この場合、触媒金属微粒子が触媒金属担持カーボンを上回る重量であっても構わない。   The catalyst contained in the catalyst-supporting carbon of the catalyst-polymer composite is not particularly limited, but a noble metal catalyst such as platinum, gold, palladium, ruthenium, and iridium is preferably used from the viewpoint of the efficiency of the protonation reaction. Further, two or more elements such as alloys and mixtures of these noble metal catalysts may be contained. It is also a preferred embodiment to include fine particles of only the above-mentioned catalytic metal. In this case, the weight of the catalyst metal fine particles may be greater than the weight of the catalyst metal-supporting carbon.

触媒−ポリマ複合体の触媒担持カーボンに含まれるカーボンは特に限定されるものではないが、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラックが、電子電導性と比表面積の大きさから好ましいものである。オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製デンカブラックなどが挙げられる。特に、キャボット社製のバルカンXC−72Rが好ましく用いられる。   The carbon contained in the catalyst-supporting carbon of the catalyst-polymer composite is not particularly limited, but carbon blacks such as channel black, thermal black, and furnace black are preferred from the viewpoint of electron conductivity and the specific surface area. is there. Examples of the oil furnace black include Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Regal 400, Ketchen Black EC manufactured by Lion Corporation, Ketjen Black EC manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and # 3150 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation. , # 3250, and the like, and acetylene black includes Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo KK. Particularly, Vulcan XC-72R manufactured by Cabot Corporation is preferably used.

触媒−ポリマ複合体に用いられるポリマとしては、特に限定されるものではないが、触媒粒子を良く分散し、燃料電池内の酸化−還元雰囲気で劣化しないポリマが好ましい。このようなポリマとしては、フッ素原子を含むポリマが挙げられ、特に限定されるものではないが、たとえば、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)など、あるいはこれらの共重合体、これらモノマ単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマとの共重合体、さらには、ブレンドなども用いることができる。また、耐熱・耐酸化性ポリマも好ましい。この様なポリマとして例えば、ポリイミド(PI)、ポリフェニレンスルフィドスルフォン(PPSS)、ポリスルフォン(PSF)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルエーテルスルホン(PEES)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)などが挙げられる。さらに、ポリフォスファゼン(PPho)などを主骨格とするものも好ましく用いられる。   The polymer used in the catalyst-polymer composite is not particularly limited, but is preferably a polymer that disperses catalyst particles well and does not deteriorate in an oxidation-reduction atmosphere in a fuel cell. Examples of such a polymer include a polymer containing a fluorine atom, and are not particularly limited. For example, polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), Tetrafluoroethylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA) or the like, a copolymer thereof, a copolymer of these monomer units with another monomer such as ethylene or styrene, or a blend can also be used. Further, heat-resistant and oxidation-resistant polymers are also preferable. Examples of such a polymer include polyimide (PI), polyphenylene sulfide (PPSS), polysulfone (PSF), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene oxide (PPO), polyether ketone (PEK), and polyether ether ketone (PEEK ), Polyethersulfone (PES), polyetherethersulfone (PEES), polybenzimidazole (PBI) and the like. Further, those having polyphosphazene (PPho) or the like as a main skeleton are also preferably used.

この中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体は、非プロトン性極性溶媒を用い、プロトン性極性溶媒などを凝固溶媒とする湿式凝固法により、本発明の三次元網目微多孔質構造を有する触媒−ポリマ複合体が得られる点で、特に好ましいポリマである。これらポリマの溶媒としてはN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルイミダゾリジノン(DMI)などが挙げられ、凝固溶媒としては水や、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどの低級アルコール類などのほか、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の有機溶剤が用いられる。   Among them, polyvinylidene fluoride (PVDF) and hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer are obtained by a wet coagulation method using an aprotic polar solvent and a protic polar solvent as a coagulating solvent, by the three-dimensional method of the present invention. It is a particularly preferred polymer in that a catalyst-polymer composite having a network microporous structure can be obtained. Examples of solvents for these polymers include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAC), propylene carbonate (PC), dimethylimidazolidinone (DMI), and the like. In addition to lower alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and various aromatic or halogen-based organic solvents are used.

本発明の触媒−ポリマ複合体のポリマとしては、触媒層内のプロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマも好ましいものである。このようなポリマに含まれるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などがあるが特に限定されるものではない。また、このようなプロトン交換基を有するポリマも、特に限定されることなく選ばれるが、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマが好ましく用いられる。たとえば、DuPont社製のNafion(DuPont社の商標。以下同様。)なども好ましいものである。また、プロトン交換基を有する上述のフッ素原子を含むポリマや、エチレンやスチレンなどの他のポリマ、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。   As the polymer of the catalyst-polymer composite of the present invention, a polymer having a proton exchange group for improving proton conductivity in the catalyst layer is also preferable. Examples of the proton exchange group contained in such a polymer include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group, but are not particularly limited. Further, such a polymer having a proton exchange group is also selected without particular limitation, but a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain is preferably used. For example, Nafion manufactured by DuPont (a trademark of DuPont; the same applies hereinafter) and the like are also preferable. Further, a polymer containing the above-described fluorine atom having a proton exchange group, another polymer such as ethylene or styrene, a copolymer or a blend thereof may be used.

Nafionのポリマ溶液は、市販のNafion膜を非プロトン性極性溶媒に溶かしても良いし、Aldrich社製の水−メタノール−イソプロパノール混合溶媒のNafion溶液あるいはこのNafion溶液を溶媒置換したもの用いても良い。この場合、湿式凝固の際の凝固溶媒は、Nafion溶液の溶媒により適宜決められるべきものであるが、Nafion溶液の溶媒が非プロトン性極性溶媒である場合には、凝固溶媒としては水やアルコール類、エステル類のほか、種々の有機溶媒などが好ましく、水−メタノール−イソプロパノール混合溶媒などの場合には、酢酸ブチルなどのエステル類、種々の有機溶媒が好ましく用いられる。   The Nafion polymer solution may be obtained by dissolving a commercially available Nafion membrane in an aprotic polar solvent, or a Nafion solution of Aldrich water-methanol-isopropanol mixed solvent or a solvent obtained by replacing the Nafion solution with a solvent. . In this case, the coagulation solvent for wet coagulation should be appropriately determined depending on the solvent of the Nafion solution.However, when the solvent of the Nafion solution is an aprotic polar solvent, water or alcohols may be used as the coagulation solvent. And esters, and various organic solvents are preferred. In the case of a mixed solvent of water, methanol and isopropanol, esters such as butyl acetate and various organic solvents are preferably used.

触媒−ポリマ複合体に用いられるポリマは、上記のフッ素原子を含むポリマやプロトン交換膜を含むポリマを共重合あるいはブレンドして用いることも好ましいものである。特にポリフッ化ビニリデン、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン)共重合体などと、プロトン交換基にフルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖を有するNafionなどのポリマを、ブレンドすることは電極性能の点から好ましいものである。   As the polymer used in the catalyst-polymer composite, it is also preferable to use a polymer containing a fluorine atom or a polymer containing a proton exchange membrane by copolymerization or blending. In particular, blending polyvinylidene fluoride, poly (hexafluoropropylene-vinylidene fluoride) copolymer, and a polymer such as Nafion, which has a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain in the proton exchange group, can improve electrode performance. It is preferable from the viewpoint.

触媒−ポリマ複合体の主たる成分は触媒担持カーボンとポリマであり、それらの比率は必要とされる電極特性に応じて適宜決められるべきもので特に限定されるものではないが、触媒担持カーボン/ポリマの重量比率で5/95〜95/5が好ましく用いられる。特に固体高分子型燃料電池用電極触媒層として用いる場合には、触媒担持カーボン/ポリマ重量比率で40/60〜85/15が好ましいものである。   The main components of the catalyst-polymer composite are a catalyst-supporting carbon and a polymer, and the ratio thereof is to be appropriately determined according to the required electrode characteristics, and is not particularly limited. Is preferably used in a weight ratio of 5/95 to 95/5. In particular, when used as an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, the weight ratio of the catalyst-supporting carbon / polymer is preferably 40/60 to 85/15.

触媒−ポリマ複合体には、触媒担持カーボンに担持している前述のカーボンのほか、電子電導性向上のために種々の導電剤を添加することも好ましい実施態様となる。このような導電剤としては、前述の触媒担持カーボンに用いられるカーボンと同種のカーボンブラックに加えて、種々の黒鉛質や炭素質の炭素材、あるいは金属や半金属が挙げられるが特に限定されるものではない。このような炭素材としては、前述のカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などがある。これらの炭素材の形態としては、粒子状のほか繊維状のものも用いることができる。また、これら炭素材を後処理加工した炭素材も用いることが可能である。これら導電材の添加量としては、触媒−ポリマ複合体に対する重量比率として1〜80%が好ましく、5〜50%がさらに好ましい。   It is also a preferred embodiment to add various conductive agents to the catalyst-polymer composite in addition to the above-described carbon supported on the catalyst-supporting carbon in order to improve electron conductivity. Examples of such a conductive agent include, in addition to carbon black of the same type as the carbon used for the above-mentioned catalyst-supporting carbon, various graphitic and carbonaceous carbon materials, or metals and metalloids, but are particularly limited. Not something. Examples of such carbon materials include artificial graphite and carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, and furan resin, in addition to the above-described carbon black. As a form of these carbon materials, a fibrous material can be used in addition to a particle shape. It is also possible to use carbon materials obtained by post-processing these carbon materials. The amount of the conductive material to be added is preferably 1 to 80%, more preferably 5 to 50% as a weight ratio to the catalyst-polymer composite.

三次元網目微多孔質構造を有する触媒−ポリマ複合体の製造方法としては、湿式凝固法、延伸法、抽出法によるものが好ましい。湿式凝固法は、触媒−ポリマ溶液組成物を塗布した後に、この塗布層をポリマに対する凝固溶媒と接触させて、触媒−ポリマ溶液組成物の凝固析出と溶媒抽出とが同時に行なわれる。延伸法は、予め触媒−ポリマ複合体のシートを作製し、延伸して微多孔化する。また、抽出法は、予め造孔剤となる化合物を含んだ触媒−ポリマ複合体シートを作製し、溶媒に浸漬して造孔剤を抽出することで微多孔化する方法である。   As a method for producing a catalyst-polymer composite having a three-dimensional network microporous structure, a method using a wet coagulation method, a stretching method, or an extraction method is preferable. In the wet coagulation method, after the catalyst-polymer solution composition is applied, the coating layer is brought into contact with a coagulation solvent for the polymer, and coagulation precipitation of the catalyst-polymer solution composition and solvent extraction are simultaneously performed. In the stretching method, a catalyst-polymer composite sheet is prepared in advance and stretched to make it microporous. The extraction method is a method in which a catalyst-polymer composite sheet containing a compound to be a pore-forming agent is prepared in advance, and the sheet is immersed in a solvent to extract the pore-forming agent, thereby making the pore-forming agent fine.

この触媒−ポリマ溶液組成物は、ポリマ溶液中に触媒担持カーボンが均一に分散したものである。触媒担持カーボンとポリマは前述のものが好ましく用いられる。ポリマを溶かす溶媒については、用いられるポリマに応じて適宜決められるべきもので、特に限定されるものではない。ポリマ溶液は触媒担持カーボンを良く分散していることが重要である。分散状態が悪い場合には、湿式凝固の際に、触媒担持カーボンとポリマとが複合体を形成することができず、ポリマのみが三次元網目微多孔質構造を有することになり、本発明の特徴とは異なる実施態様となる。   This catalyst-polymer solution composition is obtained by uniformly dispersing the catalyst-supporting carbon in the polymer solution. The above-mentioned catalyst-supporting carbon and polymer are preferably used. The solvent for dissolving the polymer should be appropriately determined according to the polymer used, and is not particularly limited. It is important that the polymer solution disperse the catalyst-supporting carbon well. If the dispersion state is poor, the catalyst-carrying carbon and the polymer cannot form a complex during wet coagulation, and only the polymer will have a three-dimensional network microporous structure, and the present invention The embodiment will be different from the feature.

塗布方法については、触媒−ポリマ溶液組成物の粘度や固形分などに応じた塗布方法が選択され、特に限定されるべきものではないが、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーターなどの一般的な塗布方法が用いられる。   With respect to the coating method, a coating method is selected according to the viscosity and solid content of the catalyst-polymer solution composition, and it is not particularly limited, but a knife coater, a bar coater, a spray, a dip coater, a spin coater, A general coating method such as a roll coater, a die coater, and a curtain coater is used.

一方、ポリマを湿式凝固させる凝固溶媒についても特に限定されるものではないが、用いられるポリマを凝固析出しやすく、かつポリマ溶液の溶媒と相溶性がある溶媒が好ましい。湿式凝固が実際に行われる凝固溶媒との接触方法についても、特に限定されるものではないが、凝固溶媒に基材ごと浸漬する、塗布層のみを凝固溶媒の液面に接触させる、凝固溶媒を塗布層にシャワリングあるいはスプレーする、など特に限定されるものではない。   On the other hand, the coagulation solvent for wet coagulation of the polymer is not particularly limited, but a solvent which is easy to coagulate and precipitate the polymer to be used and which is compatible with the solvent of the polymer solution is preferable. The method of contact with the coagulation solvent in which wet coagulation is actually performed is also not particularly limited, but the base material is immersed in the coagulation solvent, only the coating layer is brought into contact with the liquid surface of the coagulation solvent, There is no particular limitation such as showering or spraying the coating layer.

この触媒−ポリマ溶液組成物が塗布される基材については、電極基材や固体電解質の何れにおいても塗布、その後に湿式凝固を行うことが可能である。また、電極基材や固体電解質以外の基材に塗布し、その後に湿式凝固を行い、三次元網目微多孔質構造を作製した後に、この触媒層を電極基材や固体電解質に転写あるいは狭持させても良い。この場合の基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のシート、あるいは表面をフッ素やシリコーン系の離型剤処理したガラス板や金属板なども用いられる。   The substrate on which the catalyst-polymer solution composition is applied can be applied to any of the electrode substrate and the solid electrolyte, and thereafter can be subjected to wet coagulation. In addition, after applying to a substrate other than the electrode substrate and the solid electrolyte, and then performing wet solidification to produce a three-dimensional network microporous structure, the catalyst layer is transferred or sandwiched to the electrode substrate or the solid electrolyte. You may let it. As the substrate in this case, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a fluorine or silicone release agent, or the like is used.

触媒−ポリマ複合体が形成される電極基材としては、燃料電池に一般に用いられる電極基材が特に限定されることなく用いられる。たとえば、導電性無機物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどが挙げられ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。導電性無機質の形態は繊維状あるいは粒子状など特に限定されない。なかでも、東レ製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが好ましく用いられる。   As the electrode substrate on which the catalyst-polymer composite is formed, an electrode substrate generally used for a fuel cell is used without any particular limitation. For example, a porous conductive sheet having a conductive inorganic material as a main constituent material may be mentioned. Examples of the conductive inorganic material include fired bodies from polyacrylonitrile, fired bodies from pitch, and carbon materials such as graphite and expanded graphite. , Stainless steel, molybdenum, titanium and the like. The form of the conductive inorganic material is not particularly limited, such as fibrous or particulate. Of these, carbon paper TGP series manufactured by Toray, SO series, carbon cloth manufactured by E-TEK, etc. are preferably used.

本発明の電極触媒層は、前述の電極基材と高分子固体電解質膜とを組み合わせることにより膜−電極複合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)とすることも好ましい実施態様である。   It is also a preferable embodiment that the electrode catalyst layer of the present invention is formed into a membrane-electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) by combining the above-mentioned electrode substrate and the polymer solid electrolyte membrane.

高分子固体電解質膜としては、通常の燃料電池に用いられる電解質であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換膜が本発明の燃料電池性能を発現するうえで好ましく用いられる。プロトン交換膜のプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基など特に限定されるものではない。   The polymer solid electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is an electrolyte used in a normal fuel cell, but a proton exchange membrane is preferably used for exhibiting the fuel cell performance of the present invention. The proton exchange group of the proton exchange membrane is not particularly limited, such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group.

このプロトン交換膜は、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体などの炭化水素系と、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成される共重合体のパーフルオロ系に大別され、燃料電池が用いられる用途や環境に応じて適宜選択されるべきものである。また、部分的にフッ素原子置換した部分フッ素膜も好ましく用いられる。パーフルオロ膜では、DuPont社製Nafion、旭化成製Aciplex、旭硝子製Flemionなどが例示され、部分フッ素膜では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。   This proton exchange membrane is roughly classified into a hydrocarbon system such as a styrene-divinylbenzene copolymer and a perfluoro system of a copolymer composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain. It should be appropriately selected according to the intended use and environment. Further, a partial fluorine film partially substituted with fluorine atoms is also preferably used. Examples of perfluoro membranes include DuPont's Nafion, Asahi Kasei's Aciplex, and Asahi Glass's Flemion.Examples of partial fluorine membranes include polymers of trifluorostyrene sulfonic acid and those obtained by introducing sulfonic acid groups to polyvinylidene fluoride. .

プロトン交換膜は1種のポリマばかりでなく、2種以上のポリマの共重合体やブレンドポリマ、2種以上の膜を貼り合わせた複合膜、プロトン交換膜を不織布や多孔フィルムなどで補強した膜なども用いることができる。   The proton exchange membrane is not only one kind of polymer, but also a copolymer or blend polymer of two or more kinds of polymers, a composite membrane in which two or more kinds of membranes are bonded together, or a membrane in which the proton exchange membrane is reinforced with a nonwoven fabric or a porous film. Etc. can also be used.

本発明の高分子固体電解質膜を構成するアニオン性基含有ポリマとしては、特に限定されるものではなく、スルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基などのアニオン性基を有するポリマが用いられる。例えば、ポリマ主鎖にスルホニル基(−SO2−)、オキシ基(−O−)、チオ基(−S−)、カルボニル基(−CO−)、エステル基(−COO−)、アミド基(−NRCO−)、イミド基などを含むポリマが好ましく用いられる。具体的には、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフォスファゼン、ポリイミド、およびポリスルホン(PSF)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリエーテルスルホン(PES)などの耐熱・耐酸化性ポリマが好ましく用いられる。中でもポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフォスファゼン、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリスルホンは、主鎖に水が配位すること好ましく用いられる。また、これらのポリマは2種類以上、組み合わせて使用することもできる。   The anionic group-containing polymer constituting the polymer solid electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, and a polymer having an anionic group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group. Is used. For example, a sulfonyl group (-SO2-), an oxy group (-O-), a thio group (-S-), a carbonyl group (-CO-), an ester group (-COO-), an amide group (- Polymers containing NRCO-), imide groups and the like are preferably used. Specifically, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfide, polyphosphazene, polyimide, and polysulfone (PSF), polyphenylene oxide (PPO), polyether ketone (PEK), polyether ether ketone (PEEK), polybenzimidazole (PBI) ), Heat-resistant and oxidation-resistant polymers such as polyethersulfone (PES) are preferably used. Among them, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfide, polyphosphazene, polyimide, polybenzimidazole, and polysulfone are preferably used because water coordinates to the main chain. Further, two or more of these polymers can be used in combination.

本発明の高分子固体電解質膜を構成するポリマは、ポリマ分子鎖が拘束されていることも好ましいものであり、その方法は特に限定されるものではなく、架橋や内部貫入高分子網目などによる方法が挙げられる。分子鎖の拘束は強いほど自由水の取り込みが抑制できるが、イオン伝導性が低下する可能性がある。このため、分子鎖の拘束度合いは必要特性に応じて適宜選ぶ必要がある。分子鎖を拘束する具体的方法はポリマに架橋可能な官能基を導入し分子同士で架橋させたり、別の架橋可能な高分子を用いて内部貫入高分子網目(IPN)構造とする方法などがある。別に架橋可能な高分子を用いたIPN構造とする方法としては、ジビニルベンゼンやジアクリレートなどの炭素を3次元架橋体とするものや、シロキサンなどの炭素以外の元素を架橋点とする3次元架橋体などが挙げられる。   The polymer constituting the polymer solid electrolyte membrane of the present invention is also preferably one in which the polymer molecular chains are constrained, and the method is not particularly limited, and may be a method by cross-linking or internal penetration polymer network or the like. Is mentioned. The stronger the constraint of the molecular chain, the more the uptake of free water can be suppressed, but the ion conductivity may be reduced. For this reason, the degree of restriction of the molecular chain needs to be appropriately selected according to the required characteristics. Specific methods for constraining the molecular chains include introducing a crosslinkable functional group into the polymer and causing the molecules to crosslink with each other, or using another crosslinkable polymer to form an internal penetrating polymer network (IPN) structure. is there. Other methods of forming an IPN structure using a crosslinkable polymer include a method of forming a three-dimensional cross-linked body of carbon such as divinylbenzene and diacrylate, and a method of forming a three-dimensional cross-linked body using elements other than carbon such as siloxane as cross-linking points. Body and the like.

本発明の高分子固体電解質膜がIPN構造を有する場合、炭素以外の元素を架橋点とする3次元架橋体の作製方法において、炭素以外の元素からなるアルコキシド化合物を用いて架橋体を作製することも好ましい実施態様である。このアルコキシド化合物は、加水分解可能であることが好ましく、さらにこの加水分解可能な化合物および/またはその加水分解物とアニオン性基を有するポリマを含む溶液を用いると、内部貫入高分子網目構造を形成しやすくなり好ましい。特に、アルコキシド化合物の縮合反応を利用して、IPN構造を作製することも好ましい作製方法である。また、混合する微粒子が表面官能基を有する場合には、アルコキシド化合物の縮合反応により、架橋体と微粒子とが化学結合を有し一体化され、MCO低減やプロトン伝導度向上への効果が大なるものとなる。   When the polymer solid electrolyte membrane of the present invention has an IPN structure, in the method for producing a three-dimensional crosslinked body having an element other than carbon as a crosslinking point, a crosslinked body is produced using an alkoxide compound composed of an element other than carbon. Is also a preferred embodiment. The alkoxide compound is preferably hydrolyzable, and when a solution containing the hydrolyzable compound and / or a hydrolyzate thereof and a polymer having an anionic group is used, an internal penetrating polymer network structure is formed. This is preferable because it is easy to perform. In particular, it is also a preferable manufacturing method to manufacture an IPN structure using a condensation reaction of an alkoxide compound. When the fine particles to be mixed have a surface functional group, the crosslinked product and the fine particles have a chemical bond and are integrated by the condensation reaction of the alkoxide compound, and the effect of reducing the MCO and improving the proton conductivity increases. It will be.

本発明では固体高分子電解質膜が、多孔質フィルムに電解質ポリマが充填されてなることも可能であり、この様にして得られた固体高分子電解質は膨潤による変形が抑制され、好ましいものである。多孔質フィルムは、ランダム方向に開孔した三次元網目微多孔、膜厚方向に開孔した貫通孔など特に限定されるものではない。   In the present invention, the solid polymer electrolyte membrane can be formed by filling a porous film with an electrolyte polymer, and the solid polymer electrolyte thus obtained is preferable because deformation due to swelling is suppressed. . The porous film is not particularly limited, such as a three-dimensional mesh microporous hole opened in a random direction and a through hole opened in a film thickness direction.

本発明の高分子固体電解質に用いられる多孔質フィルムの好ましい作製方法としては、例えばフォトリソグラフィー、レーザー穿孔、ニードルパンチング、湿式凝固あるいは延伸および抽出などによる微多孔質製膜方などの加工方法を適用することができる。   As a preferable production method of the porous film used for the polymer solid electrolyte of the present invention, for example, a processing method such as photolithography, laser perforation, needle punching, wet coagulation or a method of forming a microporous film by stretching and extraction is applied. can do.

多孔質フィルムに上記プロトン伝導体を充填する方法は特に限定されるものではない。たとえば、アニオン性基を有するポリマを溶液として、多孔質フィルムへの塗工あるいは浸漬することにより空隙内への充填が可能となる。空隙内への充填を容易にするために超音波を使用したり、減圧にするのも好ましく、これらを塗工あるいは浸漬時に併用するとさらに充填効率が向上し好ましい。また、アニオン性基を有するポリマの前駆体であるモノマを空隙内に充填した後に空隙内で重合する、あるいはモノマを気化してプラズマ重合を行う、などの方法を行っても良い。   The method for filling the porous film with the proton conductor is not particularly limited. For example, by filling or immersing a polymer having an anionic group in a solution as a solution onto a porous film, it becomes possible to fill the void. It is also preferable to use ultrasonic waves or to reduce the pressure in order to facilitate the filling into the voids, and it is preferable to use them at the time of coating or immersion because the filling efficiency is further improved. Further, a method may be employed in which a monomer, which is a precursor of a polymer having an anionic group, is filled in the gap and then polymerized in the gap, or plasma polymerization is performed by vaporizing the monomer.

膜−電極複合体の製造方法としては、特に限定されるものではない。触媒−ポリマ複合体からなる電極触媒層が電極基材上に作製されている場合には、この触媒層付き電極基材をプロトン交換膜などの電解質と接合するが、この接合条件についても触媒層あるいは電気化学装置の特性に応じて適宜決められるべきものである。また、触媒−ポリマ複合体からなる電極触媒層がプロトン交換膜などの固体電解質に作製されている場合には、この触媒層付き固体電解質を電極基材と接合するが、この接合条件についても触媒層あるいは電気化学装置の特性に応じて適宜決められるべきものである。   The method for producing the membrane-electrode composite is not particularly limited. When an electrode catalyst layer made of a catalyst-polymer composite is formed on an electrode substrate, the electrode substrate with a catalyst layer is bonded to an electrolyte such as a proton exchange membrane. Alternatively, it should be appropriately determined according to the characteristics of the electrochemical device. When the electrode catalyst layer comprising the catalyst-polymer composite is formed on a solid electrolyte such as a proton exchange membrane, the solid electrolyte with the catalyst layer is bonded to the electrode substrate. It should be appropriately determined according to the characteristics of the layer or the electrochemical device.

また、本発明の電極触媒層、および電極触媒層と電極基材とからなる電極、あるいは電極触媒層と電極基材と高分子固体電解質膜からなる膜−電極複合体(MEA)は、ダイレクトメタノール形燃料電池に適応することができる。   Further, the electrode catalyst layer of the present invention, and the electrode comprising the electrode catalyst layer and the electrode base material, or the membrane-electrode composite (MEA) comprising the electrode catalyst layer, the electrode base material and the polymer solid electrolyte membrane are prepared by direct methanol It can be applied to the shape fuel cell.

さらに、本発明の電極触媒層を用いた燃料電池の用途としては、特に限定されることなく考えられるが、固体高分子型燃料電池において有用な用途である移動体あるいは携帯機器の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、ノートパソコン、PDA、デジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯機器が好ましく、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道なども好ましい移動体である。   Further, the use of the fuel cell using the electrode catalyst layer of the present invention can be considered without any particular limitation, and a power supply source of a mobile object or a portable device, which is a useful application in a polymer electrolyte fuel cell, can be used. It is preferred. In particular, mobile devices such as mobile phones, notebook computers, PDAs, digital cameras, and video cameras are preferable, and automobiles such as passenger cars, buses, trucks, ships, and railways are also preferable mobile objects.

以下、本発明の詳細につき実施例を用いて、各手順に従ってさらに説明する。   Hereinafter, the details of the present invention will be further described in accordance with each procedure using examples.

実施例1
(1)カソード電極の作製
A.カソード触媒−ポリマ組成物の調製
DuPont社製Nafion溶液に、触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72R、白金担持量;50重量%)とイソプロパノールを加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物を調製した。
Example 1
(1) Production of cathode electrode Preparation of Cathode Catalyst-Polymer Composition
A catalyst-supporting carbon (catalyst; Pt, carbon; VulcanXC-72R, platinum supported amount: 50% by weight) and isopropanol were added to a DuPont Nafion solution, and the mixture was stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

B.カソード触媒−ポリマ組成物の塗布および湿式凝固
予め撥水処理(PTFEを20重量%含浸し焼結する)を行った電極基材(東レ製カーボンペーパーTGP−H−060)に、前記(1)で調製した触媒−ポリマ組成物を塗布した。塗布直後に、これを基材ごと酢酸ブチルに含浸後に乾燥して、電極基材上に湿式凝固法による触媒−ポリマ複合体から成るカソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
A.アノード触媒−ポリマ組成物の調製
DuPont社製Nafion溶液に、触媒担持カーボン(触媒;Pt-Ru(1:1)、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72R、白金担持量;30重量%)とイソプロパノールを加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物を調製した。
B. Coating of Cathode Catalyst-Polymer Composition and Wet Solidification The above-mentioned (1) was applied to an electrode substrate (carbon paper TGP-H-060 manufactured by Toray) which had been subjected to a water-repellent treatment (impregnated with 20% by weight of PTFE and sintered). The catalyst-polymer composition prepared in the above was applied. Immediately after the application, this was impregnated with butyl acetate together with the substrate, and then dried to prepare a cathode electrode made of a catalyst-polymer composite on an electrode substrate by a wet coagulation method.
(2) Preparation of anode electrode Preparation of Anode Catalyst-Polymer Composition
To a DuPont Nafion solution, a catalyst-supporting carbon (catalyst; Pt-Ru (1: 1), carbon; Cabot's VulcanXC-72R, platinum loading; 30% by weight) and isopropanol were added, and the mixture was stirred well and the catalyst- A polymer composition was prepared.

B.アノード触媒−ポリマ組成物の塗布および湿式凝固
前記(1)B.と同様にアノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
A.膜-電極複合体(MEA)の作製
前記(1)、(2)で作製した電極と電解質膜(DuPont社製Nafion117)を用い、ホットプレス法によりMEAを作製した。電解質膜は予め膨潤させておき、これを電極ではさみ、90℃、1時間、50kgf/cm2でプレスした。
B. Anode catalyst-coating and wet solidification of polymer composition (1) B. In the same manner as in the above, an anode electrode was produced.
(3) Preparation and evaluation of membrane-electrode composite (MEA) Production of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was produced by a hot press method using the electrodes produced in the above (1) and (2) and an electrolyte membrane (Nafion 117 manufactured by DuPont). The electrolyte membrane was swollen in advance, sandwiched between electrodes, and pressed at 90 ° C. for 1 hour at 50 kgf / cm 2.

B.MEAの評価
前記A項で作製したMEAを燃料電池評価セルを用い、燃料電池性能評価(電流−電圧(I−V)測定)を行った。セル温度は20℃、アノードには1Mメタノール水溶液を流し、カソードには空気を流した。また、電流密度40mA/cm2において、交流インピーダンス法により、電流振幅4mA/cm2、測定周波数1MHz〜100mHzにて、反応抵抗(Nyquistプロットにおける交流成分としての円弧)を求めた。結果を表1および表2に示した。
B. Evaluation of MEA Using the fuel cell evaluation cell, the MEA produced in the above section A was subjected to fuel cell performance evaluation (current-voltage (IV) measurement). The cell temperature was 20 ° C., a 1M aqueous methanol solution was passed through the anode, and air was flowed through the cathode. At a current density of 40 mA / cm 2 , a reaction resistance (an arc as an AC component in a Nyquist plot) was determined by an AC impedance method at a current amplitude of 4 mA / cm 2 and a measurement frequency of 1 MHz to 100 mHz. The results are shown in Tables 1 and 2.

C.電極触媒層の評価
前記A項で作製したMEAの、アノード電極触媒層およびカソード電極触媒層からそれぞれ電極触媒層の一定面積を掻き取り、N−メチル-2-ピロリドン(NMP)を用いて電解質ポリマ(Nafion)を溶かし、ろ過後の固形分から蛍光X線法により触媒金属量を求め、さらに固形分から触媒金属量を差し引くことでカーボン量を求めた。さらに、電解質ポリマを溶かしたNMP溶液を乾固して電解質ポリマ量を求めた。結果を表1および表2に示した。
C. Evaluation of Electrode Catalyst Layer A predetermined area of the electrode catalyst layer was scraped off from each of the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer of the MEA prepared in the above section A, and the electrolyte polymer was obtained using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). (Nafion) was dissolved, the amount of catalytic metal was determined from the solid content after filtration by a fluorescent X-ray method, and the amount of carbon was determined by subtracting the amount of catalytic metal from the solid content. Furthermore, the NMP solution in which the electrolyte polymer was dissolved was dried to obtain the amount of the electrolyte polymer. The results are shown in Tables 1 and 2.

この触媒層をSEM観察すると、触媒−ポリマ複合体が三次元網目微多孔質構造を有しており、微多孔径は平均0.5μm、空孔率は50%であった。アノード電極触媒層の厚さは50μm、カソード電極触媒層の厚さは100μmであった。図1がその断面のSEM観察写真である。   When the catalyst layer was observed by SEM, the catalyst-polymer composite had a three-dimensional network microporous structure, the microporous diameter was 0.5 μm on average, and the porosity was 50%. The thickness of the anode electrode catalyst layer was 50 μm, and the thickness of the cathode electrode catalyst layer was 100 μm. FIG. 1 is an SEM observation photograph of the cross section.

比較例1
(1)カソード電極の作製
A.カソード触媒−ポリマ組成物の調製
実施例1(1)Aと同様に、カソード電極触媒−ポリマ組成物を調製した。
Comparative Example 1
(1) Production of cathode electrode Preparation of Cathode Catalyst-Polymer Composition A cathode electrode catalyst-polymer composition was prepared in the same manner as in Example 1 (1) A.

B.カソード触媒−ポリマ組成物の塗布
実施例1(1)Bと同様に、予め撥水処理を行った電極基材に、前記(1)で調製した触媒−ポリマ組成物を塗布し、これを直ちに加熱送風乾燥機にて乾燥して、電極基材上に電極触媒層を設けたカソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
A.アノード触媒−ポリマ組成物の調製
実施例1(2)Aと同様にアノード電極触媒−ポリマ組成物を調製した。
B. Coating of Cathode Catalyst-Polymer Composition In the same manner as in Example 1 (1) B, the catalyst-polymer composition prepared in (1) was applied to the electrode substrate which had been previously subjected to the water-repellent treatment, and this was immediately applied. The resultant was dried with a heated air dryer to produce a cathode electrode provided with an electrode catalyst layer on an electrode substrate.
(2) Preparation of anode electrode Preparation of Anode Catalyst-Polymer Composition An anode electrode catalyst-polymer composition was prepared in the same manner as in Example 1 (2) A.

B.アノード触媒−ポリマ組成物の塗布
比較例1(1)Bと同様にアノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
A.膜-電極複合体(MEA)の作製
比較例1(1)、(2)で作製した電極を用い、実施例1(3)Aと同様にMEAを作製した。
B. Application of anode catalyst-polymer composition An anode electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 1 (1) B.
(3) Preparation and evaluation of membrane-electrode composite (MEA) Production of Membrane-Electrode Composite (MEA) Using the electrodes produced in Comparative Examples 1 (1) and (2), an MEA was produced in the same manner as in Example 1 (3) A.

B.MEAの評価
比較例1(3)Aで作製したMEAを実施例1(3)Bと同様に評価した。結果を表1および表2に示した。
B. Evaluation of MEA The MEA produced in Comparative Example 1 (3) A was evaluated in the same manner as in Example 1 (3) B. The results are shown in Tables 1 and 2.

C.電極触媒層の評価
比較例1(3)Aで作製したMEAのアノード電極触媒層およびカソード電極触媒層を、実施例1(3)Cと同様に評価した。結果を表1および表2に示した。
C. Evaluation of Electrode Catalyst Layer The anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer of the MEA produced in Comparative Example 1 (3) A were evaluated in the same manner as in Example 1 (3) C. The results are shown in Tables 1 and 2.

この触媒層をSEM観察を図2に示す。触媒−ポリマ複合体が三次元網目微多孔質構造を有しておらず、微多孔は観察されなかった。   FIG. 2 shows an SEM observation of this catalyst layer. The catalyst-polymer composite did not have a three-dimensional network microporous structure, and no microporosity was observed.

実施例2
(1)カソード電極の作製
比較例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
Example 2
(1) Production of cathode electrode A cathode electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 1 (1).
(2) Preparation of anode electrode An anode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (2).
(3) Production and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例3
(1)カソード電極の作製
実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
比較例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
Example 3
(1) Production of cathode electrode A cathode electrode was produced in the same manner as in Example 1 (1).
(2) Preparation of anode electrode An anode electrode was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 (2).
(3) Production and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例4
(1)カソード電極の作製
比較例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
電極触媒層に含まれる電解質ポリマに、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンを用い、湿式凝固の溶媒にジオキサンを用いた以外は、実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
Example 4
(1) Production of cathode electrode A cathode electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 1 (1).
(2) Preparation of anode electrode The anode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (2) except that sulfonated polyetheretherketone was used as the electrolyte polymer contained in the electrode catalyst layer and dioxane was used as the solvent for wet coagulation. Was prepared.
(3) Production and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例5
(1)カソード電極の作製
電極基材にカーボンクロス(E TEK社製)を用いた以外は、実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
電極基材にカーボンクロス(E TEK社製)を用いた以外は、実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
Example 5
(1) Preparation of cathode electrode A cathode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (1) except that carbon cloth (manufactured by ETEK) was used as the electrode base material.
(2) Preparation of anode electrode An anode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (2) except that carbon cloth (manufactured by ETEK) was used as the electrode substrate.
(3) Production and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例6
(1)カソード電極の作製
実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
電解質膜にスルホン化ポリフェニレンオキシドをシランカップリング剤でIPN(内部貫入高分子網目)化したポリマを用いた以外は、実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
実施例7
(1) カソード電極の作製
電極基材にカーボンクロス(E TEK社製)を用いた以外は、実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2) アノード電極の作製
電極触媒層に含まれるポリマに、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用い、湿式凝固の溶媒にメタノールを用いた以外は、実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)電解質膜の作製
電解質膜を下記の要領で作製した。
Example 6
(1) Production of cathode electrode A cathode electrode was produced in the same manner as in Example 1 (1).
(2) Preparation of anode electrode An anode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (2).
(3) Preparation and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) Example 1 (3) except that a polymer obtained by converting sulfonated polyphenylene oxide into an IPN (inner penetration polymer network) with a silane coupling agent was used for the electrolyte membrane. In the same manner as in (1), MEA was prepared and evaluated. The results are shown in Tables 1 and 2.
Example 7
(1) Preparation of cathode electrode A cathode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (1) except that carbon cloth (manufactured by ETEK) was used as an electrode substrate.
(2) Preparation of anode electrode An anode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (2) except that polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as a polymer contained in the electrode catalyst layer and methanol was used as a solvent for wet coagulation. Produced.
(3) Preparation of electrolyte membrane An electrolyte membrane was prepared in the following manner.

(フルオレニルポリエーテルエーテルケトンの合成)
炭酸カリウム35g、
ヒドロキノン14g、
4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール39g、
および4,4'−ジフルオロベンゾフェノン48g
を用いて、N−メチルピロリドン(NMP)中、170℃で重合を行った。
(Synthesis of fluorenyl polyether ether ketone)
35 g of potassium carbonate,
14 g of hydroquinone,
39 g of 4,4 ′-(9H-fluorene-9-ylidene) bisphenol,
And 48 g of 4,4'-difluorobenzophenone
Was used to perform polymerization at 170 ° C. in N-methylpyrrolidone (NMP).

重合後、水洗し、多量のメタノールで再沈することで精製を行い、フルオレニルポリエーテルエーテルケトン(以下FKと略す)を定量的に得た。その重量平均分子量は11万であった。   After the polymerization, the polymer was washed with water and purified by reprecipitation with a large amount of methanol to obtain fluorenyl polyether ether ketone (hereinafter abbreviated as FK) quantitatively. Its weight average molecular weight was 110,000.

(FKのスルホン化)
室温、N2雰囲気下で、上記で得られた重合体(FK)11gをクロロホルムに溶解させた後、激しく撹拌しながらクロロスルホン酸16mLをゆっくり滴下し、10分反応させた。白色沈殿を濾別し、粉砕し、水で十分洗浄した後、乾燥し、目的のスルホン化されたFK(以下SFKと略す)を得た。
(Sulfonation of FK)
After dissolving 11 g of the polymer (FK) obtained above in chloroform at room temperature under N2 atmosphere, 16 mL of chlorosulfonic acid was slowly added dropwise with vigorous stirring, and reacted for 10 minutes. The white precipitate was separated by filtration, pulverized, sufficiently washed with water, and dried to obtain a desired sulfonated FK (hereinafter abbreviated as SFK).

得られたSFKは、スルホン酸基密度2.5mmol/gであった。   The obtained SFK had a sulfonic acid group density of 2.5 mmol / g.

(製膜)
上記で得られたSFKを、N,N−ジメチルアセトアミド溶液としてガラス基板上に流延塗布し、100℃にて3時間乾燥し、溶媒を除去して、製膜した。
(Film formation)
The SFK obtained above was cast and applied as a N, N-dimethylacetamide solution on a glass substrate, dried at 100 ° C. for 3 hours, and the solvent was removed to form a film.

得られた膜は、膜厚220μmであり、無色透明の柔軟な膜であった。
(4) 膜−電極複合体(MEA)の作製および評価
電解質膜に前記(3)で作製したSFKを用い、ホットプレス時間を10分にした以外は実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
実施例8
(1)カソード電極の作製
実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
電極基材にカーボンクロス(E TEK社製)を用い、電極触媒層に含まれるポリマに、ポリスルホン(PSf)を用い、湿式凝固の溶媒にメタノールを用いた以外は、実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜−電極複合体(MEA)の作製および評価
実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
実施例9
(1)カソード電極の作製
実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
触媒−ポリマ組成物を電解質膜に塗布し、これを湿式凝固する以外は、実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜−電極複合体(MEA)の作製および評価
電解質膜に塗工したアノードに撥水処理を行った電極基材(TGP−H−060)を配置する以外は、実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
実施例10
(1) カソード電極の作製
電極触媒層に含まれる電解質ポリマに、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用い、湿式凝固の溶媒にメタノールを用いた以外は、実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2) アノード電極の作製
電極触媒層に含まれる電解質ポリマに、実施例7(3)で作製したSFKを用い、湿式凝固の溶媒に水を用いた以外は、実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3) 膜−電極複合体(MEA)の作製および評価
実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
実施例11
(1)カソード電極の作製
実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
電極触媒層に含まれるポリマに、PVdF50重量%とNafion50重量%とからなるポリマを用いた以外は、実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
実施例12
(1)カソード電極の作製
実施例1(1)と同様に、カソード電極を作製した。
(2)アノード電極の作製
電極触媒層に含まれるポリマに、PVdF70重量%とポリフェニレンスルフィド(PPS)30重量%とからなるポリマを用い、湿式凝固の溶媒にメタノールを用いた以外は、実施例1(2)と同様に、アノード電極を作製した。
(3)膜-電極複合体(MEA)の作製および評価
実施例1(3)と同様に、MEAを作製、評価を行った。結果を表1および表2に示した。
The obtained film had a thickness of 220 μm and was a colorless and transparent flexible film.
(4) Preparation and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) The MEA was prepared in the same manner as in Example 1 (3) except that the SFK prepared in the above (3) was used for the electrolyte membrane and the hot pressing time was 10 minutes. Was prepared and evaluated. The results are shown in Tables 1 and 2.
Example 8
(1) Production of cathode electrode A cathode electrode was produced in the same manner as in Example 1 (1).
(2) Preparation of anode electrode Except that carbon cloth (manufactured by ETEK) was used as the electrode base material, polysulfone (PSf) was used as the polymer contained in the electrode catalyst layer, and methanol was used as the solvent for wet coagulation. An anode electrode was produced in the same manner as in Example 1 (2).
(3) Preparation and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are shown in Tables 1 and 2.
Example 9
(1) Production of cathode electrode A cathode electrode was produced in the same manner as in Example 1 (1).
(2) Preparation of anode electrode An anode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (2), except that the catalyst-polymer composition was applied to an electrolyte membrane and was wet-solidified.
(3) Preparation and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) Example 1 (3) was repeated except that an electrode substrate (TGP-H-060) which had been subjected to a water-repellent treatment was placed on the anode applied to the electrolyte membrane. In the same manner as in (1), MEA was prepared and evaluated. The results are shown in Tables 1 and 2.
Example 10
(1) Preparation of cathode electrode The cathode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (1) except that polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as the electrolyte polymer contained in the electrode catalyst layer and methanol was used as the solvent for wet coagulation. Was prepared.
(2) Preparation of Anode Electrode Same as Example 1 (2) except that SFK prepared in Example 7 (3) was used as the electrolyte polymer contained in the electrode catalyst layer and water was used as a solvent for wet coagulation. Next, an anode electrode was produced.
(3) Production and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are shown in Tables 1 and 2.
Example 11
(1) Production of cathode electrode A cathode electrode was produced in the same manner as in Example 1 (1).
(2) Preparation of Anode Electrode An anode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 (2) except that the polymer contained in the electrode catalyst layer was composed of 50% by weight of PVdF and 50% by weight of Nafion.
(3) Production and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are shown in Tables 1 and 2.
Example 12
(1) Production of cathode electrode A cathode electrode was produced in the same manner as in Example 1 (1).
(2) Preparation of anode electrode Example 1 was repeated except that the polymer contained in the electrode catalyst layer was composed of 70% by weight of PVdF and 30% by weight of polyphenylene sulfide (PPS), and methanol was used as a solvent for wet coagulation. An anode electrode was produced in the same manner as in (2).
(3) Production and Evaluation of Membrane-Electrode Composite (MEA) An MEA was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例1で得られた電極触媒層の表面を撮影したSEM写真SEM photograph of the surface of the electrode catalyst layer obtained in Example 1 比較例1で得られた電極触媒層の表面を撮影したSEM写真SEM photograph of the surface of the electrode catalyst layer obtained in Comparative Example 1.

Claims (20)

液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池用電極触媒層であって、少なくとも触媒担持カーボン粒子と1種以上のポリマとを含む触媒−ポリマ複合体が、三次元方向に網目状の微多孔質構造を有していることを特徴とする電極触媒層。 An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel, wherein a catalyst-polymer composite containing at least catalyst-supported carbon particles and one or more polymers has a three-dimensional network-like microporous structure. An electrode catalyst layer comprising: 三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層の厚さが10μm以上、200μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の電極触媒層。 The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the thickness of the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure is 10 µm or more and 200 µm or less. 三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層に含まれる触媒金属重量が1mg/cm2以上、7mg/cm2以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の電極触媒層。 3. The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the weight of the catalyst metal contained in the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure is 1 mg / cm 2 or more and 7 mg / cm 2 or less. 三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層に含まれるカーボン重量が0.2mg/cm2以上、4mg/cm2以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電極触媒層。 The electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the weight of carbon contained in the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure is 0.2 mg / cm 2 or more and 4 mg / cm 2 or less. Catalyst layer. 三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層に含まれるポリマ重量が0.2mg/cm2以上、5mg/cm2以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電極触媒層。 The electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the weight of the polymer contained in the electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure is 0.2 mg / cm 2 or more and 5 mg / cm 2 or less. Catalyst layer. 三次元網目微多孔質構造における微多孔の内径が、0.05〜5μmであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電極触媒層。 The electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 5, wherein the inner diameter of the micropores in the three-dimensional network microporous structure is 0.05 to 5 µm. 三次元網目微多孔質構造における空孔率が、10〜95%であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の電極触媒層。 The electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 6, wherein the porosity of the three-dimensional network microporous structure is 10 to 95%. 触媒−ポリマ複合体に含まれるポリマが、プロトン交換基を有する1種以上のポリマであることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の電極触媒層。 The electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 7, wherein the polymer contained in the catalyst-polymer composite is at least one polymer having a proton exchange group. 触媒−ポリマ複合体に含まれるポリマが、フッ素原子を含む1種以上のポリマであることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の電極触媒層。 9. The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the polymer contained in the catalyst-polymer composite is at least one polymer containing a fluorine atom. 触媒−ポリマ複合体に含まれる触媒担持カーボンが、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムのうちの少なくとも1種以上を含むことを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の電極触媒層。 The electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 9, wherein the catalyst-supporting carbon contained in the catalyst-polymer composite contains at least one of platinum, gold, palladium, ruthenium, and iridium. . 三次元網目微多孔質構造を有する電極が、アノードであることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の電極触媒層。 11. The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the electrode having a three-dimensional network microporous structure is an anode. 三次元網目微多孔質構造を有する電極が、カソードであることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の電極触媒層。 12. The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the electrode having a three-dimensional network microporous structure is a cathode. 均一に分散された触媒粒子を含むポリマ溶液からなる触媒−ポリマ溶液組成物を基材に塗布した後に、この塗布層をポリマに対する凝固溶媒と接触させて、触媒−ポリマ溶液組成物の凝固と溶媒抽出とを同時に行うこと(以下、湿式凝固法という)を特徴とする電極触媒層の製造方法。 After a catalyst-polymer solution composition comprising a polymer solution containing uniformly dispersed catalyst particles is applied to a substrate, this coating layer is brought into contact with a coagulation solvent for the polymer to solidify the catalyst-polymer solution composition and the solvent. A method for producing an electrode catalyst layer, which comprises simultaneously performing extraction (hereinafter, referred to as wet coagulation method). 触媒−ポリマ溶液組成物を電極基材に塗布した後に、湿式凝固を行うことを特徴とする請求項13に記載の電極触媒層の製造方法。 The method for producing an electrode catalyst layer according to claim 13, wherein wet coagulation is performed after applying the catalyst-polymer solution composition to the electrode substrate. 触媒−ポリマ複合体を基材上に作製した後に複合体を基材から剥がして触媒層を作製することを特徴とする請求項13または14に記載の電極触媒層の製造方法。 The method for producing an electrode catalyst layer according to claim 13 or 14, wherein a catalyst layer is formed by peeling the composite from the substrate after the catalyst-polymer composite is formed on the substrate. 少なくとも、触媒担持カーボン粒子と1種以上のポリマとを含む触媒−ポリマ複合体が、三次元方向に網目状の微多孔質構造を有していることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の電極触媒層と電極基材とからなる電極。 The catalyst-polymer composite comprising at least the catalyst-supporting carbon particles and at least one polymer has a three-dimensionally network-like microporous structure. An electrode comprising the electrode catalyst layer and an electrode substrate according to any one of the above. 少なくとも、触媒担持カーボン粒子と1種以上のポリマとを含む触媒−ポリマ複合体が、三次元方向に網目状の微多孔質構造であることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の電極触媒層、電極基材、高分子固体電解質膜からなる膜−電極複合体。 The catalyst-polymer composite comprising at least the catalyst-supporting carbon particles and one or more polymers has a three-dimensionally network-like microporous structure. A membrane-electrode composite comprising an electrode catalyst layer, an electrode substrate, and a solid polymer electrolyte membrane. 液体燃料を用い請求項16に記載の電極からなる固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising a liquid fuel and comprising the electrode according to claim 16. 液体燃料を用い請求項17に記載の膜−電極複合体からなる固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 17 using a liquid fuel. 請求項18あるいは19の燃料電池を駆動源とする携帯機器あるいは移動体。 A portable device or a mobile object driven by the fuel cell according to claim 18.
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