JP2006054176A - Electrode for polymer electrolyte fuel cell, manufacturing method of electrode for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Electrode for polymer electrolyte fuel cell, manufacturing method of electrode for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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義治 今野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a polymer electrolyte fuel cell capable of obtaining the polymer electrolyte fuel cell which is superior in heat resistance and chemical resistance, and which functions stably even in a high temperature humidification state, and to provide a manufacturing method of the electrode for the polymer electrolyte fuel cell, and the polymer electrolyte fuel cell. <P>SOLUTION: This is the electrode for the polymer electrolyte fuel cell which has a porous conductor (A), a catalyst layer (B), and a gas diffusion layer (C). The catalyst layer (B) is composed of a proton conductor (B1), an electron conductive carbon (B2) which carries the catalyst, and the electron conductive carbon (B3), and in which the proton conductor (B1) is composed of a cross-linked structural body (a) consisting of a metal-oxygen bond, and an acid group containing structural body (b) having the acid group bonded by a covalent bond to the cross-linked structural body consisting of the metal-oxygen bond. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、耐熱性、耐薬品性に優れ、高温加湿状態でも安定的に機能する固体高分子形燃料電池を得ることが可能な固体高分子形燃料電池用電極、固体高分子形燃料電池用電極の製造方法及び固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention provides an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, which is excellent in heat resistance and chemical resistance, and can obtain a polymer electrolyte fuel cell that functions stably even in a high-temperature humidified state, and for a polymer electrolyte fuel cell The present invention relates to an electrode manufacturing method and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、発電効率が高くかつ環境特性に優れているため、近年、社会的に大きな課題となっている環境問題やエネルギー問題の解決に貢献できる次世代の発電装置として注目されている。なかでも、固体高分子形燃料電池は、電解質として用いられるイオン交換樹脂等が固体かつ高分子である点に特徴を有するものであり、近年、開発が盛んに行われている。このような固体高分子形燃料電池は、電解質を挟んで負極及び正極の両電極が配置された構造を有し、例えば、負極側に燃料の水素を、正極側に酸素又は空気を供給することにより、電気化学反応を起こさせ、電気を発生させる。
従って、固体高分子形燃料電池の性能を最大限に発生させるためには、プロトン及び電子を伝導し易い電極構造と、電極反応を高めるための触媒の高機能化が重要な課題となっている。
Since fuel cells have high power generation efficiency and excellent environmental characteristics, in recent years, fuel cells have attracted attention as next-generation power generation devices that can contribute to solving environmental problems and energy problems that have become major social issues. Among these, solid polymer fuel cells are characterized by the fact that ion exchange resins and the like used as electrolytes are solid and polymer, and have been actively developed in recent years. Such a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which both electrodes of a negative electrode and a positive electrode are arranged with an electrolyte interposed therebetween. For example, fuel hydrogen is supplied to the negative electrode side, and oxygen or air is supplied to the positive electrode side. Causes an electrochemical reaction to generate electricity.
Therefore, in order to maximize the performance of the polymer electrolyte fuel cell, an electrode structure that easily conducts protons and electrons and a highly functional catalyst for enhancing the electrode reaction are important issues. .

このような課題に対して、特許文献1には、イオン交換膜樹脂の内表面に触媒貴金属を析出させた後、その表面に触媒金属層を成長させる方法が開示されており、触媒金属層に用いられる金属成分としては、白金や他の白金族金属が示されている。
また、非特許文献1には、固体高分子電解質としてスルホン化フッ素樹脂の一種であるナフィオン117(登録商標:Du Pont社製)を用い、この材料と電子伝導体とを用いて電極化することにより、触媒層の反応サイトを三次元化して作用面積を向上させる方法が開示されている。このような方法を用いることにより、電解質と膜の接触面のみならず、触媒層内部の触媒も利用できるようになり、この触媒層により白金の利用率を飛躍的に向上させることが可能となる。更に、溶液中に高分散させた白金担持カーボンにイオン交換樹脂を滴下させて白金担持カーボン表面にイオン交換樹脂を被覆する触媒層を形成することで、更なる出力向上、白金利用率の向上が図られている。
For such a problem, Patent Document 1 discloses a method of depositing a catalytic noble metal on the inner surface of an ion exchange membrane resin and then growing a catalytic metal layer on the surface. As the metal component used, platinum and other platinum group metals are shown.
In Non-Patent Document 1, Nafion 117 (registered trademark: manufactured by Du Pont), which is a kind of sulfonated fluororesin, is used as a solid polymer electrolyte, and an electrode is formed using this material and an electronic conductor. Discloses a method for improving the working area by making the reaction site of the catalyst layer three-dimensional. By using such a method, not only the contact surface between the electrolyte and the membrane but also the catalyst inside the catalyst layer can be used, and the utilization rate of platinum can be dramatically improved by this catalyst layer. . Furthermore, by dropping the ion exchange resin onto the platinum-supported carbon highly dispersed in the solution to form a catalyst layer that coats the ion-exchange resin on the surface of the platinum-supported carbon, the output can be further improved and the platinum utilization rate can be improved. It is illustrated.

しかしながら、電極に用いるプロトン伝導体として、ナフィオン(登録商標)のような熱可塑性タイプのフッ素樹脂を用いた場合、高温加湿状態やメタノール等の薬品存在下において、非可逆な構造変化や一部溶解を起こすことがあった。従って、このような樹脂を用いた触媒含有電極を有する固体高分子形燃料電池は、高温作動した場合や燃料にメタノールを使用した場合に安定した出力が得られず、耐熱性、耐薬品性等の耐久性についても劣るものであった。このため、高温加湿状態やメタノール等の薬品存在下でも非可逆な構造変化を起こすことなく、プロトン伝導性及び触媒担持カーボンのバインド機能を保持することが可能なプロトン伝導体が必要とされていた。 However, when a thermoplastic fluoropolymer such as Nafion (registered trademark) is used as the proton conductor for the electrode, irreversible structural changes or partial dissolution occur in high-temperature humidified conditions or in the presence of chemicals such as methanol. There was a case. Therefore, a polymer electrolyte fuel cell having a catalyst-containing electrode using such a resin cannot obtain a stable output when operated at high temperature or when methanol is used as a fuel, and has heat resistance, chemical resistance, etc. The durability was also inferior. For this reason, there has been a need for a proton conductor capable of maintaining proton conductivity and the binding function of the catalyst-supporting carbon without causing irreversible structural changes even in the presence of chemicals such as high-temperature humidification or methanol. .

特公昭58−47471号公報Japanese Patent Publication No.58-47471 M.Uchida,Y.Fukuoka,Y.Sugawara,H.Ohta,and A.Ohta:J.Electrochem.Soc.,145,3708(1998)M.M. Uchida, Y. et al. Fukuoka, Y. et al. Sugawara, H .; Ohta, and A.A. Ohta: J.M. Electrochem. Soc. , 145, 3708 (1998)

本発明は、耐熱性、耐薬品性に優れ、高温加湿状態でも安定的に機能する固体高分子形燃料電池を得ることが可能な固体高分子形燃料電池用電極、固体高分子形燃料電池用電極の製造方法及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention provides an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, which is excellent in heat resistance and chemical resistance, and can obtain a polymer electrolyte fuel cell that functions stably even in a high-temperature humidified state, and for a polymer electrolyte fuel cell An object of the present invention is to provide an electrode manufacturing method and a polymer electrolyte fuel cell.

本発明は、多孔質伝導体(A)と触媒層(B)とガス拡散層(C)とを有する固体高分子形燃料電池用電極であって、触媒層(B)は、プロトン伝導体(B1)と、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)と、電子伝導性カーボン(B3)とからなり、前記プロトン伝導体(B1)は、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と、金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合した酸基を有する酸基含有構造体(b)とからなる固体高分子形燃料電池用電極である。
以下、本発明を詳細に説明する。
The present invention is an electrode for a polymer electrolyte fuel cell having a porous conductor (A), a catalyst layer (B), and a gas diffusion layer (C), wherein the catalyst layer (B) is a proton conductor ( B1), an electron conductive carbon (B2) carrying a catalyst, and an electron conductive carbon (B3). The proton conductor (B1) is a cross-linked structure (a ) And an acid group-containing structure (b) having an acid group covalently bonded to a crosslinked structure composed of a metal-oxygen bond.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明者らは、鋭意研究した結果、固体高分子形燃料電池用電極の触媒層を構成するプロトン伝導体として、金属−酸素結合からなる架橋構造体と、金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合した酸基を有する酸基含有構造体とからなる3次元架橋構造体を用いることにより、高温やメタノール等の薬品存在下で構造変化等が発生せず、100℃以上の高温でも安定的な性能を発揮する固体高分子形燃料電池用電極が得られることを見出した。また、触媒層に、触媒を担持してなる電子伝導性カーボンの他に、触媒を担持していない電子伝導性カーボンを添加することにより、上記触媒を担持していない電子伝導性カーボンがアノード側では反応ガスを触媒へ供給するガスのチャネルとして機能し、カソード側では反応生成水を排水するチャネルとして機能することによって、発電性能が良好な固体高分子形燃料電池を実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of diligent research, the present inventors have found that a proton conductor constituting the catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell electrode includes a crosslinked structure composed of metal-oxygen bonds and a crosslinked structure composed of metal-oxygen bonds. By using a three-dimensional cross-linked structure comprising an acid group-containing structure having an acid group covalently bonded, no structural change occurs in the presence of a chemical such as high temperature or methanol, and a high temperature of 100 ° C. or higher. However, it has been found that an electrode for a polymer electrolyte fuel cell that exhibits stable performance can be obtained. Further, in addition to the electron conductive carbon carrying the catalyst in the catalyst layer, the electron conductive carbon not carrying the catalyst is added to the anode side by adding the electron conductive carbon not carrying the catalyst. In the present invention, it has been found that a polymer electrolyte fuel cell with good power generation performance can be realized by functioning as a gas channel for supplying reaction gas to the catalyst and functioning as a channel for draining reaction product water on the cathode side. It came to complete.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極を用いることで、耐熱性、耐薬品性に優れ、高温加湿状態やメタノール等の薬品存在下でも安定的に機能することにより、動作温度を100℃以上に上げることが可能な固体高分子形燃料電池を得ることができる。この結果、発電効率の向上、触媒のCO非毒の低減を達成することができる。また、動作温度の向上は、熱利用によるコジェネシステムへの展開も考えられ、劇的なエネルギー効率の向上へとつなげることができる。 By using the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, it has excellent heat resistance and chemical resistance, and functions stably even in the presence of chemicals such as high-temperature humidification and methanol, so that the operating temperature is 100 ° C. or higher. It is possible to obtain a polymer electrolyte fuel cell that can be As a result, it is possible to improve the power generation efficiency and reduce the CO non-poisoning of the catalyst. In addition, the operating temperature can be expanded to a cogeneration system using heat, which can lead to a dramatic improvement in energy efficiency.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極は、多孔質伝導体(A)と触媒層(B)とガス拡散層(C)とを有するものである。
ここで、固体高分子形燃料電池用電極とは、水素の酸化反応及び酸素の還元反応が行われる部材のことをいい、このような固体高分子形燃料電池用電極を、プロトン伝導性固体高分子膜の両側に配置し、更にその両外側に燃料を供給するための構造を有する一対のセパレータが配置されているものを単位セルとして、相互に連結することにより、固体高分子形燃料電池として用いることができる。
The electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a porous conductor (A), a catalyst layer (B), and a gas diffusion layer (C).
Here, the polymer electrolyte fuel cell electrode refers to a member that undergoes an oxidation reaction of hydrogen and a reduction reaction of oxygen. Such an electrode for a polymer electrolyte fuel cell is referred to as a proton conductive solid high electrode. A polymer electrolyte fuel cell is formed by connecting a pair of separators arranged on both sides of a molecular film and having a structure for supplying fuel to both sides as unit cells. Can be used.

図1は、本発明の固体高分子形燃料電池用電極の構成の一例を示す断面模式図である。図1に示すように、固体高分子形燃料電池用電極1は、(A)多孔質伝導体2の上に、(C)ガス拡散層4、(B)触媒層3が積層された3層構造からなるものである。ただし、(C)ガス拡散層4は、(A)多孔質伝導体2か、又は(B)触媒層3と同時に形成され一体化していても構わない。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention. As shown in FIG. 1, an electrode 1 for a polymer electrolyte fuel cell is composed of (A) a porous conductor 2 and (C) a gas diffusion layer 4 and (B) a catalyst layer 3 laminated in three layers. It consists of a structure. However, (C) the gas diffusion layer 4 may be formed simultaneously with (A) the porous conductor 2 or (B) the catalyst layer 3 and integrated.

上記多孔質伝導体(A)は、本発明の固体高分子形燃料電池用電極の1構成層であり、集電体として、また、ガスの拡散をするための役割を担うものである。 The porous conductor (A) is one constituent layer of the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, and plays a role as a current collector and gas diffusion.

上記多孔質伝導体(A)の厚み方向の抵抗値の好ましい上限は50mΩ・cmである。50mΩ・cmを超えると、高電流密度時にオーム損が起こり、その影響で出力が低下することがある。
また、上記多孔質伝導体(A)のガス透過速度の好ましい下限は100mL・mm/(cm・hr・mmAg)である。100mL・mm/(cm・hr・mmAg)未満であると、水素及び酸素を触媒層(B)にスムーズに搬送することができないことがある。なお、上記ガス透過速度を上記範囲内とするため、上記多孔質伝導体(A)の気孔率(全体の体積と細孔部分の体積の比)は、50%以上であることが好ましい。
A preferable upper limit of the resistance value in the thickness direction of the porous conductor (A) is 50 mΩ · cm 2 . When it exceeds 50 mΩ · cm 2 , an ohmic loss occurs at a high current density, and the output may decrease due to the influence.
Moreover, the minimum with the preferable gas transmission rate of the said porous conductor (A) is 100 mL * mm / (cm < 2 > * hr * mmAg). If it is less than 100 mL · mm / (cm 2 · hr · mmAg), hydrogen and oxygen may not be smoothly conveyed to the catalyst layer (B). In addition, in order to make the said gas permeation rate into the said range, it is preferable that the porosity (ratio of the whole volume and the volume of a pore part) of the said porous conductor (A) is 50% or more.

上記多孔質伝導体(A)は撥水化されていることが好ましい。燃料電池の反応は、アノード側では、水素が酸化され、プロトンと電子が生成される一方、カソード側では酸素は還元され、水が生成される。このように、電極、特にカソード側の電極では、生成された水の影響を受け、電極の形成する微細な細孔に水が浸入し、フラッディング(生成水による目詰まり)を起こしてしまうことがある。しかしながら、上記多孔質伝導体(A)を撥水化することで、生成水を排除することができ、フラッディングの発生を効果的に防止することができる。 The porous conductor (A) is preferably water repellent. In the fuel cell reaction, hydrogen is oxidized and protons and electrons are generated on the anode side, while oxygen is reduced and water is generated on the cathode side. In this way, the electrode, particularly the cathode side electrode, is affected by the generated water, and water may enter the fine pores formed by the electrode, causing flooding (clogging by the generated water). is there. However, by making the porous conductor (A) water repellent, generated water can be eliminated and flooding can be effectively prevented.

上記多孔質伝導体(A)を撥水化する方法としては、例えば、多孔質伝導体(A)にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂を含浸させる方法や、多孔質伝導体(A)自体をフッ素化する方法等が挙げられるが、フッ素樹脂を含浸させる方法がより好ましい。
上記フッ素樹脂を含浸させる方法において使用するフッ素樹脂としては、溶融粘度の低いテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP樹脂)が特に好適である。上記FEP樹脂を含浸させて上記多孔質伝導体(A)を撥水化する場合、上記FEP樹脂を多孔質伝導体(A)に対して、5〜40重量%の範囲内で含浸させることが好ましい。
Examples of a method of making the porous conductor (A) water-repellent include a method of impregnating the porous conductor (A) with a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), or a porous conductor (A ) The method of fluorinating itself may be mentioned, but the method of impregnating with a fluororesin is more preferred.
As the fluororesin used in the method for impregnating the fluororesin, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP resin) having a low melt viscosity is particularly suitable. When the porous conductor (A) is water-repellent by impregnating the FEP resin, the FEP resin may be impregnated within a range of 5 to 40% by weight with respect to the porous conductor (A). preferable.

本発明の固体高分子形燃料電池は、ガス拡散層(C)を有する。上記ガス拡散層(C)を有することで、ガスの拡散性能を向上させ、適度な電子伝導性と水分管理等を可能にすることができる。なお、上記ガス拡散層(C)は、多孔質伝導体(A)と触媒層(B)との間に形成されることが好ましい。ただし、ガス拡散層(C)は、多孔質伝導体(A)又は触媒層(B)と同時に形成され一体化していても構わない。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a gas diffusion layer (C). By having the gas diffusion layer (C), it is possible to improve the gas diffusion performance and enable appropriate electronic conductivity and moisture management. The gas diffusion layer (C) is preferably formed between the porous conductor (A) and the catalyst layer (B). However, the gas diffusion layer (C) may be formed simultaneously with the porous conductor (A) or the catalyst layer (B).

上記ガス拡散層(C)は撥水化されていることが好ましい。上述のように電極、特にカソード側の電極では、生成された水によって、フラッディングを起こしてしまうことがあるが、上記ガス拡散層(C)を撥水化することで、生成水を排除することができ、フラッディングの発生を効果的に防止することができる。従って、上記ガス拡散層(C)は、撥水性材料であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と、電子伝導体であるカーボンブラックとの混合体であることが好ましい。この場合、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)との混合比は、好ましくは3:7〜7:3であり、より好ましくは5:5である。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)は、非伝導体であるため、多量に配合すると抵抗の増加をもたらすことがある。 The gas diffusion layer (C) is preferably water repellent. As described above, in the electrode, particularly the cathode side electrode, flooding may occur due to the generated water, but the generated water is eliminated by making the gas diffusion layer (C) water repellent. And flooding can be effectively prevented. Therefore, the gas diffusion layer (C) is preferably a mixture of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a water repellent material and carbon black as an electron conductor. In this case, the mixing ratio of carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferably 3: 7 to 7: 3, more preferably 5: 5. Since polytetrafluoroethylene (PTFE) is a non-conductor, adding a large amount may increase resistance.

また、ガス拡散層(C)の厚みの好ましい上限は0.1mmである。0.1mmを超えると、抵抗値が大きくなり、出力が低下することがある。更に、上記ガス拡散層(C)に用いるカーボンブラックは、適宜自由なものが使用できるが、特に比表面積10m/g以上のものが好ましい。 Moreover, the preferable upper limit of the thickness of a gas diffusion layer (C) is 0.1 mm. If it exceeds 0.1 mm, the resistance value increases and the output may decrease. Moreover, carbon black used in the gas diffusion layer (C) can be appropriately free materials can be used, particularly preferably not less than a specific surface area of 10 m 2 / g.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極は、触媒層(B)を有する。
上記触媒層(B)は、(i)燃料側の反応である水素をプロトン(水素イオン)と電子に分解する反応、及び、(ii)酸素側での反応であるプロトン、電子及び酸素を結合させて水を形成する反応を行う層である。
The electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a catalyst layer (B).
The catalyst layer (B) combines (i) a reaction that decomposes hydrogen on the fuel side into protons (hydrogen ions) and electrons, and (ii) a combination of protons, electrons, and oxygen on the oxygen side. It is a layer that performs a reaction to form water.

アノード(燃料極)側に配置された固体高分子形燃料電池用電極の触媒層(B)では、燃料として水素を供給すると、触媒層(B)の触媒によって、H→2H+2eの反応が促進され、プロトンと電子が生じ、プロトンは、電極に接触しているプロトン伝導性膜を通して、カソード(酸素極)側に配置された固体高分子形燃料電池用電極の触媒層(B)に供給される。また、電子は、燃料極側の固体高分子形燃料電池用電極で集電され、電気として使用された後、酸素極側に供給される。
一方、酸素極側触媒層では、供給された酸素、プロトン伝導性膜を通過してきたプロトン、電気として使用された電子を受け取り、1/2O+2H+2e→HOの反応が起こることとなる。このとき、触媒層(B)の触媒は、1/2O+2H+2e→HOの反応を促進させる機能を果たすことになる。
In the catalyst layer (B) of the polymer electrolyte fuel cell electrode arranged on the anode (fuel electrode) side, when hydrogen is supplied as the fuel, H 2 → 2H + + 2e The reaction is promoted to generate protons and electrons, and the protons pass through the proton conductive membrane in contact with the electrodes, and the catalyst layer (B) of the polymer electrolyte fuel cell electrode disposed on the cathode (oxygen electrode) side. To be supplied. Electrons are collected by the polymer electrolyte fuel cell electrode on the fuel electrode side, used as electricity, and then supplied to the oxygen electrode side.
On the other hand, the oxygen electrode side catalyst layer receives supplied oxygen, protons passing through the proton conductive membrane, and electrons used as electricity, and a reaction of 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O occurs. It becomes. At this time, the catalyst in the catalyst layer (B) functions to promote the reaction of 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O.

上記触媒層(B)は、プロトン伝導体(B1)と、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)と、電子伝導性カーボン(B3)とからなるものである。
上記プロトン伝導体(B1)は、触媒により生成したプロトンをプロトン伝導性膜に伝導する機能を有するものであり、上記プロトン伝導体(B1)は、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と、金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合した酸基を有する酸基含有構造体(b)とからなるものである。このような構造を有することにより、上記プロトン伝導体(B1)が熱によって変形、変質しにくくなり、三相界面が破壊されたり、変性したりすることがない。また、このようなプロトン伝導体(B1)を有する固体高分子形燃料電池は、高温で作動することができ、エネルギー効率が高まり、触媒被毒の低減、冷却効率向上による冷却装置簡易化等、大きなメリットを享受することができる。なお、三相界面とは、触媒−燃料ガス又は酸素ガス、触媒−プロトン伝導体、触媒−電子伝導材料(カーボンブラック)との間に形成される界面のことをいう。
The catalyst layer (B) is composed of a proton conductor (B1), an electron conductive carbon (B2) carrying a catalyst, and an electron conductive carbon (B3).
The proton conductor (B1) has a function of conducting protons generated by the catalyst to the proton conductive membrane, and the proton conductor (B1) is a crosslinked structure (a) composed of a metal-oxygen bond. And an acid group-containing structure (b) having an acid group bonded by a covalent bond and a crosslinked structure consisting of a metal-oxygen bond. By having such a structure, the proton conductor (B1) is not easily deformed or altered by heat, and the three-phase interface is not destroyed or modified. In addition, the polymer electrolyte fuel cell having such a proton conductor (B1) can operate at a high temperature, increases energy efficiency, reduces catalyst poisoning, simplifies a cooling device by improving cooling efficiency, etc. You can enjoy great benefits. The three-phase interface means an interface formed between the catalyst-fuel gas or oxygen gas, the catalyst-proton conductor, and the catalyst-electron conductive material (carbon black).

上記プロトン伝導体(B1)は、sol−gel反応により形成された金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と、金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合した酸基を有する酸基含有構造体(b)とからなる3次元架橋構造体であることが好ましい。上記sol−gel反応により金属−酸素結合からなる3次元架橋構造体を形成することで、上記プロトン伝導体(B1)のプロトン伝導性を向上させ、発電出力の上昇等、電池性能向上を実現することができる。
ここで、sol−gel反応とは、アルコキシシリル基等の金属アルコキシドやハロゲン化金属と酸、水との加水分解、縮合反応によって金属−酸素結合による3次元架橋構造体を形成する反応のことをいい、代表的なものとしては、ケイ素、チタン、ジルコニウム、アルミニウム等の金属元素と酸素とからなる金属−酸素結合からなる3次元架橋構造体を形成する反応が挙げられる。上記sol−gel反応は、アルコキシ基やハロゲンを有する金属化合物(プリカーサー)の加水分解、縮合反応であり、上記金属化合物としては、加水分解、縮合反応によって、金属−酸素結合による3次元架橋構造体が形成される化合物を用いることができる。
The proton conductor (B1) has a crosslinked structure (a) formed of a metal-oxygen bond formed by a sol-gel reaction and an acid group covalently bonded to the crosslinked structure formed of a metal-oxygen bond. A three-dimensional cross-linked structure composed of the acid group-containing structure (b) is preferable. By forming a three-dimensional crosslinked structure composed of metal-oxygen bonds by the sol-gel reaction, the proton conductivity of the proton conductor (B1) is improved, and the battery performance is improved, such as an increase in power generation output. be able to.
Here, the sol-gel reaction refers to a reaction that forms a three-dimensional crosslinked structure by a metal-oxygen bond by hydrolysis or condensation reaction of a metal alkoxide such as an alkoxysilyl group or a metal halide with an acid or water. A typical example is a reaction for forming a three-dimensional cross-linking structure composed of a metal-oxygen bond composed of metal elements such as silicon, titanium, zirconium, and aluminum and oxygen. The sol-gel reaction is a hydrolysis or condensation reaction of a metal compound (precursor) having an alkoxy group or a halogen. As the metal compound, a three-dimensional cross-linked structure with a metal-oxygen bond is obtained by hydrolysis or condensation reaction. Can be used.

上記金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)としては、ケイ素−酸素結合からなる架橋構造体が好ましく、中でも、下記化学式(1)に示す構造を有するものが好ましい。 As the cross-linked structure (a) composed of the metal-oxygen bond, a cross-linked structure composed of a silicon-oxygen bond is preferable, and among them, a structure having the structure represented by the following chemical formula (1) is preferable.

Figure 2006054176
式(1)中、Xは架橋に関与する−O−結合又はOH基であり、Rはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基又はフェニル基を表し、nは0〜3の整数である。
Figure 2006054176
In Formula (1), X is an —O— bond or OH group involved in crosslinking, R 1 represents a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, or a phenyl group, and n is an integer of 0 to 3. is there.

上記化学式(1)に示す構造を有する架橋構造体(a)では、nが0であることが好ましい。nが0であると、ケイ素原子1個に対する架橋に関与する−O−結合の数が最大となり、架橋構造体(a)からなる3次元架橋構造体をより強固なものとすることができ、耐熱性、耐薬品性に優れ、高温加湿状態やメタノール等の薬品存在下でも安定的に機能する触媒層(B)を得ることができる。 In the crosslinked structure (a) having the structure represented by the chemical formula (1), n is preferably 0. When n is 0, the number of —O— bonds involved in crosslinking with respect to one silicon atom is maximized, and the three-dimensional crosslinked structure formed of the crosslinked structure (a) can be made stronger. A catalyst layer (B) that is excellent in heat resistance and chemical resistance and that functions stably even in a high-temperature humidified state or in the presence of chemicals such as methanol can be obtained.

また、sol−gel反応によりケイ素−酸素結合からなる架橋構造体を形成する場合のプレカーサーとしては、例えば、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物が挙げられる。これらは大量かつ安価に入手可能であり、反応制御が容易で好ましい。また、上記アルコキシシラン化合物としては、一部をアルキル基又はフェニル基で置換したものを用いてもよい。 Moreover, as a precursor in the case of forming the crosslinked structure which consists of a silicon- oxygen bond by sol-gel reaction, alkoxysilane compounds, such as tetraethoxysilane and tetramethoxysilane, are mentioned, for example. These are preferable because they are available in large quantities and at low cost, and the reaction control is easy. Moreover, as the alkoxysilane compound, a compound partially substituted with an alkyl group or a phenyl group may be used.

上記プロトン伝導体(B1)は、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)に加えて、金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合した酸基を有する酸基含有構造体(b)を有する。
上記酸基を有することで、上記プロトン伝導体(B1)のプロトン濃度を充分確保することができ、上記プロトン伝導体(B1)のプロトン伝導性が低下することを防止することができる。なお、上記酸基を触媒層に固定させる方法としては、イオン相互作用等によって触媒層中に保持する方法も考えられるが、このような方法では、燃料電池に供給される水や、燃料電池作動時に生じる水等により、触媒層中から抽出、散逸してしまうことがある。しかしながら、本発明では、上記酸基含有構造体(b)が金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合していることから、酸基が容易に分離することがなく、上記プロトン伝導体(B1)のプロトン伝導性を安定的に維持することができる。
The proton conductor (B1) includes an acid group-containing structure having an acid group covalently bonded to a crosslinked structure composed of a metal-oxygen bond in addition to the crosslinked structure (a) composed of a metal-oxygen bond ( b)
By having the acid group, a sufficient proton concentration of the proton conductor (B1) can be secured, and a decrease in proton conductivity of the proton conductor (B1) can be prevented. In addition, as a method of fixing the acid group to the catalyst layer, a method of holding the acid group in the catalyst layer by ionic interaction or the like may be considered. However, in such a method, water supplied to the fuel cell, fuel cell operation, It may be extracted and dissipated from the catalyst layer due to water generated at times. However, in the present invention, since the acid group-containing structure (b) is covalently bonded to the crosslinked structure composed of metal-oxygen bonds, the acid groups are not easily separated, and the proton conduction is performed. The proton conductivity of the body (B1) can be stably maintained.

上記酸基含有構造体(b)としては、酸基を有し、かつ、金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合しているものであれば、特に限定されないが、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と同種の金属−酸素結合からなる架橋構造を有していることが好ましい。また、上記酸基含有構造体(b)は、下記一般式(2)示すものであることが好ましい。 The acid group-containing structure (b) is not particularly limited as long as it has an acid group and is covalently bonded to a crosslinked structure composed of a metal-oxygen bond. It preferably has a crosslinked structure composed of the same kind of metal-oxygen bond as the crosslinked structure (a) composed of a bond. The acid group-containing structure (b) preferably has the following general formula (2).

Figure 2006054176
Figure 2006054176

式(2)中、Xは架橋に関与する−O−結合又はOH基であり、Rはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基又はフェニル基、Rは酸基を含む炭素数1〜50の有機基を表し、mは0〜2の整数である。 In the formula (2), X is an —O— bond or OH group involved in crosslinking, R 2 is a methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group or phenyl group, and R 3 is carbon number 1 containing an acid group. Represents an organic group of ˜50, and m is an integer of 0˜2.

上記Rは、少なくとも1以上の酸基を有しており、共有結合により金属−酸素結合からなる架橋構造体へと結合している。上記酸基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基、硫酸基、リン酸基、ホウ酸基等が挙げられる。これらのなかでは、特にpKaが低く、触媒層中のプロトン濃度を充分に確保可能で熱的にも安定なことから、スルホン酸基を用いることが好ましい。
また、上記酸基は、アルキレン基を介して金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合しているものであってもよく、上記アルキレン基としては、特に限定されず、例えば、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ヘキサメチレン基、オクタメチレン基等が挙げられる。
また、上記酸基含有構造体(b)では、金属−酸素結合が多い方が、3次元架橋構造を保持することができ、かつ、性能劣化が少ないことから、上記一般式(2)において、mは0であることが好ましい。
R 3 has at least one acid group and is bonded to a crosslinked structure composed of a metal-oxygen bond by a covalent bond. Examples of the acid group include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxylic acid group, a sulfuric acid group, a phosphoric acid group, and a boric acid group. Among these, it is preferable to use a sulfonic acid group because the pKa is particularly low, the proton concentration in the catalyst layer can be sufficiently secured, and it is thermally stable.
The acid group may be covalently bonded to a crosslinked structure composed of a metal-oxygen bond via an alkylene group, and the alkylene group is not particularly limited. For example, a methylene group, Examples thereof include an ethylene group, a trimethylene group, a tetramethylene group, a hexamethylene group, and an octamethylene group.
Moreover, in the said acid group containing structure (b), since the one where there are many metal-oxygen bonds can hold | maintain a three-dimensional crosslinked structure, and there is little performance deterioration, in the said General formula (2), m is preferably 0.

更に、上記酸基含有構造体(b)のRは、下記一般式(3)に示す構造を有するものであることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that R 3 of the acid group-containing structure (b) has a structure represented by the following general formula (3).

Figure 2006054176
式(3)中、nは1〜20の整数である。
Figure 2006054176
In formula (3), n is an integer of 1-20.

上記一般式(3)のnが3である酸基含有構造体(b)の原料としては、例えば、トリヒドロキシシリルプロピルスルホン酸が挙げられる。なお、上記トリヒドロキシシリルプロピルスルホン酸は、Gelest社より市販されており、入手が容易で特に好ましく用いることができる。また、臭化アリルを原料とした合成法も確立されており、入手が容易である。 Examples of the raw material of the acid group-containing structure (b) in which n in the general formula (3) is 3 include trihydroxysilylpropyl sulfonic acid. The trihydroxysilylpropylsulfonic acid is commercially available from Gelest, and is easily available and can be used particularly preferably. In addition, a synthesis method using allyl bromide as a raw material has been established and is easily available.

上記プロトン伝導体(B1)は、上記架橋構造体(a)と、酸基含有構造体(b)、又は、架橋構造体(a)及び酸基含有構造体(b)からなる酸基含有オリゴマーとからなるものであることが好ましい。上記酸基含有オリゴマーを用いることで、酸基含有構造体(b)を単独で用いる場合よりも架橋構造体(a)との架橋制御が容易となり、更に安定的に触媒層(B)中に酸基を存在させることができる。即ち、酸基含有構造体(b)を単独で用いる場合には、ホモ構造(それぞれが独立して架橋し、混合物として存在している状態)となり、上記プロトン伝導体(B1)を金属−酸素結合による強固な3次元架橋構造体とすることができないことがある。また、特定の架橋構造体(a)との組み合わせにより、3次元架橋構造体を得ることはできる場合であっても、架橋構造体の種類や架橋反応条件の制約を受け、組み合わせる架橋構造体、架橋反応条件が好ましくない場合には、3次元架橋構造体が得られずホモ構造等になるか、酸基含有構造体(b)が散逸することがある。 The proton conductor (B1) is an acid group-containing oligomer comprising the crosslinked structure (a) and an acid group-containing structure (b), or a crosslinked structure (a) and an acid group-containing structure (b). It is preferable that it consists of. By using the acid group-containing oligomer, the crosslinking control with the crosslinked structure (a) becomes easier than in the case where the acid group-containing structure (b) is used alone, and more stably in the catalyst layer (B). Acid groups can be present. That is, when the acid group-containing structure (b) is used alone, it becomes a homostructure (a state where each is independently crosslinked and exists as a mixture), and the proton conductor (B1) is converted into metal-oxygen. It may not be possible to obtain a strong three-dimensional crosslinked structure by bonding. Moreover, even if it is a case where a three-dimensional crosslinked structure can be obtained by combination with a specific crosslinked structure (a), the crosslinked structure is combined under the restriction of the type of crosslinking structure and crosslinking reaction conditions, If the crosslinking reaction conditions are not preferred, a three-dimensional crosslinked structure may not be obtained, resulting in a homostructure or the like, or the acid group-containing structure (b) may be dissipated.

これに対し、酸基含有オリゴマーを用いた場合、オリゴマー中の架橋基を自由に制御できるため、組み合わせる架橋構造体、又は、架橋反応条件の自由度が格段に向上する。更に、酸基含有オリゴマーの組成や重合度を調整することにより、反応速度、極性等も調整可能であり、プロセスウインドウも広がり、3次元架橋構造体を形成することが容易となる。更に、予め酸基含有オリゴマー中にて複数の酸基を配列構造化することにより、効率的なプロトン伝導経路(イオンチャネル)を形成することができる。
例えば、プロトン伝導性を高める手段としては、大量に酸基を導入する方法もあるが、酸基がイオン経路とならない部分にまで導入されてしまい、その結果電極が極度に親水性となり、水との接触により電極がひび割れたり、水への溶解といった問題が発生する。これに対し、酸基含有オリゴマーを用いた場合は、イオン経路に沿って効率的に酸基を導入できるため、電極の物性(耐久性、耐熱性、耐水性等)を落とさず、充分なプロトン伝導性を確保することが可能となる。
On the other hand, when an acid group-containing oligomer is used, since the crosslinking group in the oligomer can be freely controlled, the degree of freedom of the crosslinked structure to be combined or the crosslinking reaction conditions is remarkably improved. Furthermore, by adjusting the composition and degree of polymerization of the acid group-containing oligomer, the reaction rate, polarity, etc. can be adjusted, the process window is widened, and it becomes easy to form a three-dimensional crosslinked structure. Furthermore, an efficient proton conduction path (ion channel) can be formed by previously arranging a plurality of acid groups in an acid group-containing oligomer.
For example, as a means for increasing proton conductivity, there is a method of introducing an acid group in a large amount, but the acid group is introduced even to a portion where it does not become an ion path, and as a result, the electrode becomes extremely hydrophilic, Due to this contact, the electrode cracks or dissolves in water. On the other hand, when an acid group-containing oligomer is used, an acid group can be introduced efficiently along the ion path, so that sufficient physical properties (durability, heat resistance, water resistance, etc.) of the electrode are not degraded and sufficient protons are obtained. It becomes possible to ensure conductivity.

上記酸基含有オリゴマーの製造方法としては、例えば、メルカプト基含有アルコキシシランを単独で重縮合させたり、上記メルカプト基含有アルコキシシランと他の加水分解性シリル化合物等とを共重縮合させたりした後、メルカプト基をスルホン酸基に置換する方法等が挙げられる。上記メルカプト基含有アルコキシシランとしては、少なくとも一つのメルカプト基と、少なくとも一つのアルコキシシリル基を有するものであればよく、特に限定されないが、下記一般式(4)に示す構造を有する化合物を用いることが好ましい。 Examples of the method for producing the acid group-containing oligomer include, for example, polycondensation of a mercapto group-containing alkoxysilane alone or copolycondensation of the mercapto group-containing alkoxysilane with another hydrolyzable silyl compound or the like. And a method of substituting a mercapto group with a sulfonic acid group. The mercapto group-containing alkoxysilane is not particularly limited as long as it has at least one mercapto group and at least one alkoxysilyl group, but a compound having a structure represented by the following general formula (4) is used. Is preferred.

Figure 2006054176
式(4)中、RはCH、C、C、C又はC、RはOCH、OC、OC又はOCであり、mは2〜3の整数、tは0〜1の整数であり、m+tは3である。また、nは1〜20の整数である。
Figure 2006054176
In formula (4), R 4 is CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 , C 4 H 9 or C 6 H 5 , and R 5 is OCH 3 , OC 2 H 5 , OC 3 H 7 or OC 4. is H 9, m is 2-3 integer, t is an integer from 0 to 1, m + t is 3. Moreover, n is an integer of 1-20.

上記Rとしては、アルコキシシリル基と反応しない非反応性基であれば特に限定されず、安定性やコスト等を勘案すると、炭素数4以下のアルキル基、フェニル基等が好適に用いられる。 R 4 is not particularly limited as long as it is a non-reactive group that does not react with an alkoxysilyl group, and an alkyl group having 4 or less carbon atoms, a phenyl group, or the like is preferably used in consideration of stability, cost, and the like.

上記Rとしては、縮合反応が可能なものや、加水分解により縮合可能な基が生成するものであればよく、例えば、ヒドロキシ基、アルコキシ基、アセトキシ基、塩素等が挙げられる。これらのなかでは、アルコキシ基が最も好ましく、中でも入手が容易な炭素数4以下のアルコキシ基が特に好ましい。 The R 5 is not particularly limited as long as it can undergo a condensation reaction or can generate a group that can be condensed by hydrolysis, and examples thereof include a hydroxy group, an alkoxy group, an acetoxy group, and chlorine. Among these, an alkoxy group is most preferable, and an alkoxy group having 4 or less carbon atoms that is easily available is particularly preferable.

上記一般式(4)に示す構造を有する化合物において、mは2〜3である。mが1であると、重縮合反応を行った場合に反応が停止してしまい、好ましいメルカプト基含有オリゴマーが形成できないか、メルカプト基含有オリゴマーの反応性を極度に低下させることがあり、主成分として用いることは困難である。なお、少量添加してメルカプト基含有オリゴマーの分子量調整を行うことは可能である。 In the compound having the structure represented by the general formula (4), m is 2 to 3. When m is 1, the reaction stops when the polycondensation reaction is performed, and a preferable mercapto group-containing oligomer cannot be formed or the reactivity of the mercapto group-containing oligomer may be extremely reduced. It is difficult to use as. It is possible to adjust the molecular weight of the mercapto group-containing oligomer by adding a small amount.

mが3であるメルカプト基含有アルコキシシランとしては、例えば、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリプロポキシシラン、3−メルカプトプロピルトリブトキシシラン、2−メルカプトエチルトリメトキシシラン、2−メルカプトエチルトリエトキシシラン、2−メルカプトエチルトリプロポキシシラン、2−メルカプトエチルトリブトキシシラン、メルカプトメチルトリメトキシシラン等が挙げられる。これらの中でも、RがOCH又はOCであるものが好ましく、特にtが0、mが3、nが3である3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシランは、Gelest社から市販されており、好ましく用いることができる。中でも、RがOCHの3−メルカプトプロピルトリメトキシシランは汎用品であり、大量かつ低価格で入手できるため好ましく用いることができる。 Examples of mercapto group-containing alkoxysilanes in which m is 3 include 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltripropoxysilane, 3-mercaptopropyltributoxysilane, 2-mercapto. Examples include ethyltrimethoxysilane, 2-mercaptoethyltriethoxysilane, 2-mercaptoethyltripropoxysilane, 2-mercaptoethyltributoxysilane, and mercaptomethyltrimethoxysilane. Among these, those in which R 5 is OCH 3 or OC 2 H 5 are preferable, and in particular, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane and 3-mercaptopropyltriethoxysilane in which t is 0, m is 3, and n is 3 are , Commercially available from Gelest, and can be preferably used. Among these, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane having R 5 of OCH 3 is a general-purpose product and can be preferably used because it is available in large quantities and at a low price.

mが2、tが1であるメルカプト基含有アルコキシシランとしては、例えば、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジエトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジプロポキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジブトキシシラン、3−メルカプトプロピルエチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルブチルジエトキシシラン、3−メルカプトプロピルフェニルジメトキシシラン、メルカプトメチルメチルジエトキシシラン等が挙げられる。これらの中でも、RがOCH又はOCであり、RがCHである化合物が好ましく、更に、nが3である3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシランはGelest社から市販されており、好適に用いられる。 Examples of mercapto group-containing alkoxysilanes in which m is 2 and t is 1 include 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldiethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldipropoxysilane, and 3-mercaptopropylmethyl. Examples include dibutoxysilane, 3-mercaptopropylethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropylbutyldiethoxysilane, 3-mercaptopropylphenyldimethoxysilane, mercaptomethylmethyldiethoxysilane, and the like. Among these, compounds in which R 5 is OCH 3 or OC 2 H 5 and R 4 is CH 3 are preferred, and 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane in which n is 3 is commercially available from Gelest. Are preferably used.

また、上記メルカプト基含有アルコキシシランは、2重結合とハロゲン基とを有する炭素数20以下の直鎖状炭化水素化合物に対し、2重結合部に白金錯体触媒を用いたヒドロシリル化反応により所望のアルコキシシリル基を導入し、ハロゲン基部分に水硫化ナトリウムを反応させる方法や、2重結合が2つある場合には、一方の2重結合にヒドロシリル化反応によりアルコキシシリル基を導入し、もう一方の2重結合にチオ硫酸等を付加させた後に加水分解する方法によっても、得ることができる。この場合、予めアルコキシシリル基を有し、ハロゲン基又は2重結合を有する化合物を原料として用いた場合、反応は1段階で完了することができ、好ましい。 In addition, the mercapto group-containing alkoxysilane is obtained by hydrosilylation reaction using a platinum complex catalyst in the double bond portion of a linear hydrocarbon compound having 20 or less carbon atoms having a double bond and a halogen group. A method of introducing an alkoxysilyl group and reacting sodium hydrosulfide with the halogen group, or when there are two double bonds, an alkoxysilyl group is introduced into one double bond by a hydrosilylation reaction, and the other It can also be obtained by a method of hydrolyzing after adding thiosulfuric acid or the like to the double bond. In this case, when a compound having an alkoxysilyl group in advance and having a halogen group or a double bond is used as a raw material, the reaction can be completed in one step, which is preferable.

また、上記酸基含有オリゴマーを製造する際に用いられる加水分解性シリル化合物としては、下記一般式(5)に示す構造を有する化合物を用いることができる。 Moreover, as a hydrolysable silyl compound used when manufacturing the said acid group containing oligomer, the compound which has a structure shown in following General formula (5) can be used.

Figure 2006054176
式(5)中、RはCl、OH、OCH、OC、OC、OC又はOCOCHである。
Figure 2006054176
In the formula (5), R 6 is Cl, OH, OCH 3 , OC 2 H 5 , OC 3 H 7 , OC 4 H 9 or OCOCH 3 .

上記一般式(5)に示す加水分解性シリル化合物としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等が挙げられる。このうち、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランは汎用品であり、安価であり、大量かつ容易に入手可能であるため、特に好ましく用いることができる。また、上記一般式(5)に示す加水分解性シリル化合物において、上記Rとしては、アルコキシ基が最も好ましく、中でも入手が容易な炭素数4以下のアルコキシ基が好ましい。 Examples of the hydrolyzable silyl compound represented by the general formula (5) include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, and tetrabutoxysilane. Among these, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are general-purpose products, are inexpensive, and are easily available in large quantities, and therefore can be particularly preferably used. In the hydrolyzable silyl compound represented by the general formula (5), as R 5 , an alkoxy group is most preferable, and an alkoxy group having 4 or less carbon atoms that is easily available is particularly preferable.

更に、上記酸基含有オリゴマーを製造する際に用いられる加水分解性シリル化合物としては、下記一般式(6)に示す構造を有する化合物を用いることができる。 Furthermore, as a hydrolysable silyl compound used when manufacturing the said acid group containing oligomer, the compound which has a structure shown to following General formula (6) can be used.

Figure 2006054176
式(6)中、RはCl、OH、OCH、OC、OC、OC又はOCOCHであり、RはCH、C、C、C、C13、C17、C1123、C1225、C1633、C1837又はCであり、mは2〜3の整数、nは1〜2の整数である。但し、m+n=4である。
Figure 2006054176
In the formula (6), R 7 is Cl, OH, OCH 3 , OC 2 H 5 , OC 3 H 7 , OC 4 H 9 or OCOCH 3 , and R 8 is CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 , C 4 H 9 , C 6 H 13 , C 8 H 17 , C 11 H 23 , C 12 H 25 , C 16 H 33 , C 18 H 37 or C 6 H 5 , m is 2 to 3 An integer, n is an integer of 1 to 2. However, m + n = 4.

上記一般式(6)に示す構造を有する加水分解性シリル化合物において、mは2〜3である。mが1であると、重縮合反応を行った場合に末端を封止したり、オリゴマーの反応性を極度に低下させる可能性があるのは、メルカプト基含有アルコキシシランの場合と同様である。なお、主成分として用いることは困難であるが、少量添加してメルカプト基含有オリゴマーの分子量調整を行うことは可能である。 In the hydrolyzable silyl compound having the structure represented by the general formula (6), m is 2 to 3. When m is 1, the end may be blocked when the polycondensation reaction is performed, or the reactivity of the oligomer may be extremely reduced, as in the case of mercapto group-containing alkoxysilane. Although it is difficult to use as a main component, it is possible to adjust the molecular weight of the mercapto group-containing oligomer by adding a small amount.

上記Rとしては、縮合反応が可能なものや、加水分解により縮合可能な基が生成するものであればよく、例えば、ヒドロキシ基、アルコキシ基、アセトキシ基、塩素等が挙げられる。これらのなかでは、アルコキシ基が最も好ましく、中でも入手が容易な炭素数4以下のアルコキシ基が特に好ましい。 As R 7 , any compound that can undergo a condensation reaction or that generates a group that can be condensed by hydrolysis may be used. Examples thereof include a hydroxy group, an alkoxy group, an acetoxy group, and chlorine. Among these, an alkoxy group is most preferable, and an alkoxy group having 4 or less carbon atoms that is easily available is particularly preferable.

上記一般式(6)に示す加水分解性シリル化合物としては、例えば、メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、i−プロピルトリメトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン等のメトキシ体、及び、これらのエトキシ体、イソプロポキシ体、ブトキシ体等が挙げられる。特に上記Rが、メトキシ、エトキシのものは反応制御、入手が容易であることから、好適に用いられる。 Examples of the hydrolyzable silyl compound represented by the general formula (6) include methyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenylmethyldimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, i Examples include methoxy compounds such as -propyltrimethoxysilane and n-butyltrimethoxysilane, and ethoxy compounds, isopropoxy compounds, and butoxy compounds thereof. In particular, when R 7 is methoxy or ethoxy, reaction control and availability are easy to use.

上記メルカプト基含有アルコキシシラン、又は、必要に応じて加水分解性シリル化合物を原料として、複数のメルカプト基を有するメルカプト基含有オリゴマーを製造する方法としては特に限定されず、例えば、特開平9−40911号公報、特開平8−134219号公報、特開2002−30149号公報、Journal of Polymer Science:PartA:Polymer Chemistry、第33巻、第751−754頁、1995、Journal of Polymer Science:PartA:Polymer Chemistry、第37巻、第1017−1026頁、1999等に示すような、公知の方法を用いることができる。 A method for producing a mercapto group-containing oligomer having a plurality of mercapto groups using the mercapto group-containing alkoxysilane or, if necessary, a hydrolyzable silyl compound as a raw material is not particularly limited. For example, JP-A-9-40911 Publication, JP-A-8-134219, JP-A-2002-30149, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 33, pp. 751-754, 1995, Journal of Polymer Science: Partner A: Party 37, pages 1017-1026, 1999, etc., can be used.

上述の方法で製造されたメルカプト基含有オリゴマーのメルカプト基を酸化して、スルホン酸基とし、スルホン酸基含有オリゴマーとすることにより、上記酸基含有オリゴマーとして用いることができる。上記メルカプト基の酸化方法としては、特に限定されず、例えば、過酸化水素、過酢酸、過蟻酸、硝酸、プラズマ、光、活性酸素、オゾン等を用いることによって行うことができる。なお、水溶液のものについては、生成したスルホン酸と水とによって、生成した酸基含有オリゴマーが3次元架橋構造体になってしまうことがあるため、このような場合はオゾン等水を含まないものを用いることが好ましい。 By oxidizing the mercapto group of the mercapto group-containing oligomer produced by the above-mentioned method to form a sulfonic acid group to form a sulfonic acid group-containing oligomer, the acid group-containing oligomer can be used. The method for oxidizing the mercapto group is not particularly limited, and for example, hydrogen peroxide, peracetic acid, performic acid, nitric acid, plasma, light, active oxygen, ozone, or the like can be used. In addition, about the thing of aqueous solution, since the produced | generated acid group containing oligomer may become a three-dimensional crosslinked structure with the produced | generated sulfonic acid and water, in such a case, what does not contain water, such as ozone Is preferably used.

本発明のプロトン伝導体(B1)における架橋構造体(a)と酸基含有構造体(b)との質量比率は、触媒層(B)が耐熱性、柔軟性、プロトン伝導性を満足する範囲であれば特に限定されず、それぞれの構造や製造方法によっても異なるが、1:9〜9:1の範囲が好ましい。架橋構造体(a)が少なすぎると、柔軟性、耐熱性が低下することがある。一方、酸基含有構造体(b)が少なすぎると、プロトン伝導性が極めて低くなってしまうことがある。 The mass ratio between the crosslinked structure (a) and the acid group-containing structure (b) in the proton conductor (B1) of the present invention is such that the catalyst layer (B) satisfies heat resistance, flexibility, and proton conductivity. If it is, it will not specifically limit, Although it changes also with each structure and manufacturing method, the range of 1: 9-9: 1 is preferable. When there are too few crosslinked structures (a), a softness | flexibility and heat resistance may fall. On the other hand, when there are too few acid group containing structures (b), proton conductivity may become very low.

上記触媒層(B)は、上記プロトン伝導体(B1)に加えて、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)及び電子伝導性カーボン(B3)を有する。これにより、上記触媒層(B)では、上記プロトン伝導体(B1)が、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)が形成する細孔の中に形成されるような形をとり、耐熱性、耐薬品性が高く、高温でも安定的に機能する固体高分子形燃料電池用電極とすることができる。 The catalyst layer (B) includes, in addition to the proton conductor (B1), an electron conductive carbon (B2) and an electron conductive carbon (B3) formed by supporting a catalyst. Thereby, in the said catalyst layer (B), the said proton conductor (B1) takes the form formed in the pore which the electron conductive carbon (B2) formed by carrying | supporting a catalyst, A polymer electrolyte fuel cell electrode having high heat resistance and chemical resistance and functioning stably even at high temperatures can be obtained.

上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)において、用いられる触媒としては、例えば、白金、白金を有する貴金属合金、その他公知の触媒等が挙げられる。上記白金を有する貴金属合金としては、白金−ルテニウム合金、白金−鉄合金等が挙げられ、直接メタノール形燃料電池においては、白金:ルテニウムの比率が1:1の白金−ルテニウム合金を用いることが好ましい。 Examples of the catalyst used in the electron conductive carbon (B2) carrying the catalyst include platinum, a noble metal alloy containing platinum, and other known catalysts. Examples of the noble metal alloy having platinum include a platinum-ruthenium alloy and a platinum-iron alloy. In a direct methanol fuel cell, it is preferable to use a platinum-ruthenium alloy having a platinum: ruthenium ratio of 1: 1. .

上記触媒の担持量の好ましい下限は、担体のカーボンブラックに対して10重量%である。10重量%未満であると、触媒担持量が少なく、得られる固体高分子形燃料電池の出力が低下することがある。より好ましい下限は、30重量%である。 A preferable lower limit of the amount of the catalyst supported is 10% by weight with respect to the carbon black of the carrier. If it is less than 10% by weight, the amount of catalyst supported is small, and the output of the obtained polymer electrolyte fuel cell may be lowered. A more preferred lower limit is 30% by weight.

本発明において、上記触媒は、燃料(水素ガスやメタノール等)と直接に接している必要がある。燃料と直接に接していないと、水素をプロトンと電子に分解する作用を及ぼすことはできない。また、触媒は、電子(電気)伝導可能な導電性材料(電子伝導性カーボン)と接している必要がある。触媒表面で生じた電子は、触媒そのものを通して触媒と接している導電性材料(電子伝導性カーボン)又は電極へと電子を伝え、外部へと誘導される。更に、触媒は、触媒層中のプロトン伝導体とも接している必要がある。すなわち、触媒表面で生じたプロトンを触媒層中のプロトン伝導体に伝え、更にプロトン伝導性電解質膜を通じてプロトンを酸素極側に伝える必要がある。 In the present invention, the catalyst needs to be in direct contact with fuel (hydrogen gas, methanol, etc.). If it is not in direct contact with the fuel, it cannot act to decompose hydrogen into protons and electrons. Further, the catalyst needs to be in contact with a conductive material (electron conductive carbon) capable of conducting electrons (electricity). Electrons generated on the surface of the catalyst are transmitted to the conductive material (electron conductive carbon) or electrode in contact with the catalyst through the catalyst itself, and are induced to the outside. Furthermore, the catalyst needs to be in contact with the proton conductor in the catalyst layer. That is, it is necessary to transmit the proton generated on the catalyst surface to the proton conductor in the catalyst layer, and further to transmit the proton to the oxygen electrode side through the proton conductive electrolyte membrane.

上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)に好適に用いられるカーボンブラックは、上記触媒を担持する担体としての機能、及び、触媒により発生した電子(電気)を外部の導体に伝導するための導電体としての機能を有する。なお、上記カーボンブラックは、一般に粒子同士が融着した状態で存在している。この粒子は、1次粒子又はアグリゲートと呼ばれ、このアグリゲートが集合したものはアグロメレート(凝集体)と呼ばれる。上記アグロメレート間の隙間は、反応ガスや水蒸気の拡散通路又は生成水の排水通路(ガスチャネル)として働く(例えば、J.Electrochem.Soc 第142巻、第2号、463頁)。触媒層上のカーボンブラックにおけるアグロメレートの一部は、ホットプレス等により電解質膜内に埋没し、強固に接合している。 The carbon black suitably used for the electron-conducting carbon (B2) carrying the catalyst carries the function as a carrier carrying the catalyst and conducts electrons (electricity) generated by the catalyst to an external conductor. It has a function as a conductor for the purpose. The carbon black generally exists in a state where particles are fused. These particles are called primary particles or aggregates, and the aggregates of these aggregates are called agglomerates (aggregates). The gap between the agglomerates serves as a reaction gas or water vapor diffusion passage or a generated water drainage passage (gas channel) (for example, J. Electrochem. Soc Vol. 142, No. 2, page 463). A part of the agglomerate in the carbon black on the catalyst layer is buried in the electrolyte membrane by hot pressing or the like and is firmly bonded.

上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)は、BET法で評価される比表面積の好ましい下限が100m/g、好ましい上限が1500m/gである。電極反応の起こる領域は、電解質膜と電極の接合面の近傍、膜の表面から10〜50μm程度の薄い部分に限定されるため、この領域内にできるだけ触媒密度の高い触媒層を形成することが、電極性能を高める上での必須条件となる。そのためには、表面積の大きなカーボンブラックを用いて、多くの量の触媒を担持させるのが好ましい。100m/g未満であると、触媒を高分散で担持することができないことがあり、1500m/gを超えると、カーボンブラックが脆くなって、崩れやすくなり好ましくない。従って、強度を維持しながら、高分散担持を実現するためには、200〜1000m/g程度がより好ましい。なお、上記BET法比表面積とは、JIS K 6217に準拠して、脱気したカーボンブラックを液体窒素に浸漬させ、平衡時におけるカーボンブラック表面に吸着した窒素量を測定し、その値から比表面積(m/g)を算出した値である。 In the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst, a preferable lower limit of the specific surface area evaluated by the BET method is 100 m 2 / g, and a preferable upper limit is 1500 m 2 / g. Since the region where the electrode reaction occurs is limited to the vicinity of the interface between the electrolyte membrane and the electrode and a thin portion of about 10 to 50 μm from the surface of the membrane, a catalyst layer having a catalyst density as high as possible can be formed in this region. This is an indispensable condition for improving electrode performance. For this purpose, it is preferable to support a large amount of catalyst using carbon black having a large surface area. If it is less than 100 m 2 / g, the catalyst may not be supported in a highly dispersed state. If it exceeds 1500 m 2 / g, the carbon black becomes brittle and tends to collapse, which is not preferable. Therefore, in order to realize high dispersion support while maintaining the strength, about 200 to 1000 m 2 / g is more preferable. The specific surface area of the BET method is determined by immersing degassed carbon black in liquid nitrogen in accordance with JIS K 6217, measuring the amount of nitrogen adsorbed on the carbon black surface at equilibrium, and calculating the specific surface area from the value. (M 2 / g) is a calculated value.

上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)は、DBP吸油量の好ましい下限が50ml/100gである。上記DBP吸油量が上記範囲外であると、反応ガスや水蒸気の拡散通路又は生成水の排水通路が少なくなり、三相界面が形成しにくくなるため好ましくない。なお、DBP吸油量は、カーボンブラックにジブチルフタレート(DBP)を吸収させた量(ml/100g)であり、カーボンブラック中のアグロメレート体積に相関する値である。 The preferable lower limit of the DBP oil absorption amount of the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst is 50 ml / 100 g. If the DBP oil absorption amount is outside the above range, the reaction gas and water vapor diffusion passages or the generated water drainage passages are reduced, and it is difficult to form a three-phase interface. The DBP oil absorption is an amount (ml / 100 g) of carbon black absorbed with dibutyl phthalate (DBP) and is a value correlated with the agglomerate volume in the carbon black.

上記触媒層(B)は、電子伝導性カーボン(B3)を有する。
上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)は、製造過程において触媒を担持する工程を有するため、使用可能なカーボンの種類が限定される。また、触媒担持性が良好なカーボンが、ガスチャネル形成に有利であるとは限らず、上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)のみを有する触媒層(B)は、ガスチャネルの形成が不充分となる場合がある。
そこで、本発明では、触媒担持性を追求する必要が無く、ガスチャネル形成に有利な電子伝導性カーボン(B3)を用いることにより、濃度過電圧の上昇を防ぐことが容易となり、良好な三相界面の実現、ひいては良好な発電性能を実現可能な固体高分子形燃料電池用電極が実現できる。
The catalyst layer (B) has electron conductive carbon (B3).
Since the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst has a step of supporting the catalyst in the production process, the types of usable carbon are limited. Also, carbon having good catalyst supportability is not necessarily advantageous for gas channel formation, and the catalyst layer (B) having only the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst has a gas channel structure. Formation may be insufficient.
Therefore, in the present invention, it is not necessary to pursue catalyst supportability, and by using electron conductive carbon (B3) advantageous for gas channel formation, it becomes easy to prevent an increase in concentration overvoltage, and a good three-phase interface. Thus, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell capable of realizing good power generation performance can be realized.

上記電子伝導性カーボン(B3)は、BET法で評価される比表面積の好ましい下限が10m/gである。10m/g未満であると、ガスチャネルが形成しにくくなることがある。 In the electron conductive carbon (B3), a preferable lower limit of the specific surface area evaluated by the BET method is 10 m 2 / g. If it is less than 10 m 2 / g, it may be difficult to form a gas channel.

上記電子伝導性カーボン(B3)は、DBP吸油量の好ましい下限が50ml/100gである。50ml/100g未満であると、ガスチャネルが形成しにくくなることがある。 In the electron conductive carbon (B3), a preferable lower limit of the DBP oil absorption is 50 ml / 100 g. If it is less than 50 ml / 100 g, it may be difficult to form a gas channel.

上記電子伝導性カーボン(B3)の含有量の好ましい下限は、上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)に対してカーボン重量比で1重量%、好ましい上限は100重量%である。1重量%未満であると、上記電子伝導性カーボン(B3)を添加する効果を充分に発揮することができず、100重量%を超えると、触媒層(B)の厚みが厚くなりすぎてしまい、プロトンの移動経路の増大によるオーム損の増加、ガス経路が長くなることによるガス拡散性能の低下が起こることがある。 The preferable lower limit of the content of the electron conductive carbon (B3) is 1% by weight in terms of the carbon weight ratio with respect to the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst, and the preferable upper limit is 100% by weight. If it is less than 1% by weight, the effect of adding the electron conductive carbon (B3) cannot be sufficiently exhibited, and if it exceeds 100% by weight, the thickness of the catalyst layer (B) becomes too thick. In some cases, the ohmic loss increases due to an increase in the proton transfer path, and the gas diffusion performance deteriorates due to a longer gas path.

上記触媒層(B)の厚みの好ましい上限は30μmである。30μmを超えると、プロトンの移動経路の増大によるオーム損の増加、ガス経路が長くなることによるガス拡散性能の低下が起こることがある。 A preferable upper limit of the thickness of the catalyst layer (B) is 30 μm. If it exceeds 30 μm, an increase in ohmic loss due to an increase in the proton transfer path and a decrease in gas diffusion performance due to a longer gas path may occur.

図2は、上記触媒層(B)中の触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)、電子伝導性カーボン(B3)の状態を示す概略図である。図2の(1)は触媒層に触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)のみを含む従来の電極の概略図であり、(2)は触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)と、電子伝導性カーボン(B3)の両方を含む本発明の固体高分子形燃料電池用電極の概略図である。
図2(1)に示す電極では、プロトン伝導体(B1)が触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)が形成する細孔の中に形成されるような形をとることによって、プロトンを運ぶ能力であるプロトンネットワーク機能が向上する一方、プロトン伝導体(B1)が、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)の形成する細孔を閉塞するため、電気化学における物質供給不足により、濃度過電圧が上昇してしまうことがある。しかしながら、図2(2)に示す電極では、電子伝導性カーボン(B3)がガスチャネルとして機能するため、電極内のプロトン伝導体(B1)の量が多くても、濃度過電圧の上昇を防ぐことができる。なお、カソード側では、更に反応生成水によるガスチャネルの閉塞が起こる可能性があるが、電子伝導性カーボン(B3)が反応生成水の排水チャネルとして機能するためガスチャネルを確保することができる。
FIG. 2 is a schematic view showing a state of the electron conductive carbon (B2) and the electron conductive carbon (B3) formed by supporting the catalyst in the catalyst layer (B). (1) in FIG. 2 is a schematic view of a conventional electrode including only an electron conductive carbon (B2) formed by supporting a catalyst on a catalyst layer, and (2) is an electron conductive carbon formed by supporting a catalyst ( It is the schematic of the electrode for polymer electrolyte fuel cells of this invention containing both B2) and electron conductive carbon (B3).
In the electrode shown in FIG. 2 (1), the proton conductor (B1) is formed in the pores formed by the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst. While the proton network function, which is the ability to carry oxygen, is improved, the proton conductor (B1) closes the pores formed by the electron-conductive carbon (B2) that supports the catalyst, so the material supply in electrochemistry is insufficient As a result, the concentration overvoltage may increase. However, in the electrode shown in FIG. 2 (2), since the electron conductive carbon (B3) functions as a gas channel, even if the amount of the proton conductor (B1) in the electrode is large, an increase in concentration overvoltage is prevented. Can do. On the cathode side, the gas channel may be further blocked by the reaction product water. However, since the electron conductive carbon (B3) functions as a drain channel for the reaction product water, the gas channel can be secured.

このように上記触媒層(B)では、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と、金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合した酸基を有する酸基含有構造体(b)とから構成されるプロトン伝導体(B1)が触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)が形成する細孔の中に形成されるような形をとり、耐熱性、耐薬品性が高く、しかも高温でも安定的に機能する電極を構成することができるようになる。また、本発明では、触媒担持性を追求する必要が無く、ガスチャネル形成に有利な電子伝導性カーボン(B3)を用いることにより、濃度過電圧の上昇を防ぐことが容易となり、良好な三相界面の実現、ひいては良好は発電性能を実現可能な固体高分子形燃料電池用電極が実現できる。 Thus, in the catalyst layer (B), a cross-linked structure (a) composed of a metal-oxygen bond and an acid group-containing structure having an acid group covalently bonded to the cross-linked structure composed of a metal-oxygen bond ( The proton conductor (B1) composed of b) is formed in the pores formed by the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst, and has heat resistance and chemical resistance. In addition, it is possible to construct an electrode that is high and that functions stably even at high temperatures. Further, in the present invention, it is not necessary to pursue catalyst supportability, and by using electron conductive carbon (B3) advantageous for gas channel formation, it becomes easy to prevent an increase in concentration overvoltage, and a good three-phase interface. Therefore, it is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell electrode capable of realizing power generation performance.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極は、多孔質伝導体(A)に、ガス拡散層(C)を設け、次いで触媒層(B)を積層することによって製造することができる。
ここで、触媒層(B)を構成するプロトン伝導体(B1)は、sol−gel反応により製造することが好ましい。しかしながら、上記sol−gel反応は極めて速い反応であることから、触媒層(B)の製造において、架橋構造体(a)や酸基含有構造体(b)等を同時に混合すると、徐々に粘度が上昇し、急激にゲル化するので、例えば、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)と、酸基含有構造体(b)とを混合してスラリーを作製する工程1、前記スラリーに、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)を混合し、ペーストを作製する工程2、前記ペーストに電子伝導性カーボン(B3)を添加する工程3、前記電子伝導性カーボン(B3)を添加したペーストをガス拡散層付多孔質伝導体上に塗布した後、プレスを行うことにより、触媒層(B)を形成する工程4、及び、前記触媒層(B)を乾燥及び電極全体を熱プレスする工程5を行うことにより、固体高分子形燃料電池用電極を製造することができる。このような固体高分子形燃料電池用電極の製造方法もまた、本発明の1つである。
The electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be produced by providing the porous conductor (A) with the gas diffusion layer (C) and then laminating the catalyst layer (B).
Here, the proton conductor (B1) constituting the catalyst layer (B) is preferably produced by a sol-gel reaction. However, since the sol-gel reaction is an extremely fast reaction, when the crosslinked structure (a) and the acid group-containing structure (b) are mixed at the same time in the production of the catalyst layer (B), the viscosity gradually increases. Since it rises and gels rapidly, for example, Step 1 for preparing a slurry by mixing an electron conductive carbon (B2) carrying a catalyst and an acid group-containing structure (b), Step 2 for mixing a cross-linked structure (a) composed of metal-oxygen bonds to prepare a paste, Step 3 for adding electron conductive carbon (B3) to the paste, and adding the electron conductive carbon (B3) The applied paste is applied onto a porous conductor with a gas diffusion layer and then pressed to form a catalyst layer (B) 4, and the catalyst layer (B) is dried and the entire electrode is hot-pressed Step 5 The Ukoto, it is possible to produce a polymer electrolyte fuel cell electrode. Such a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell is also one aspect of the present invention.

工程1は、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)と、酸基含有構造体(b)とを混合してスラリーを作製し、担体である触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)の表面に酸基含有化合物を修飾する工程である。なお、上記酸基含有構造体(b)としては、酸基含有オリゴマーを用いてもよい。 In step 1, the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst and the acid group-containing structure (b) are mixed to prepare a slurry, and the electron conductive carbon formed by supporting the catalyst as a carrier. This is a step of modifying the acid group-containing compound on the surface of (B2). In addition, you may use an acid group containing oligomer as said acid group containing structure (b).

上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)は、凝集性が強く、1次粒子では無く、1次粒子が連続した状態(凝集体)の集合体として存在しているため、工程1では、凝集した触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)を粉砕することにより、アグロメレートサイズを小さくした後、上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)の表面にプロトン伝導体の原材料となる酸基含有構造体(b)を吸着させる。
上記凝集した触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)を粉砕する方法としては、例えば、ボールミル法や超音波分散法等を用いることきができるが、特に、短時間に粉砕が可能な点から超音波分散法が好ましい。
The electron-conducting carbon (B2) formed by supporting the catalyst has strong agglomeration and is present not as primary particles but as an aggregate of primary particles (aggregates). Then, after pulverizing the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the agglomerated catalyst to reduce the agglomerate size, protons are formed on the surface of the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst. The acid group-containing structure (b) that is a raw material of the conductor is adsorbed.
As a method for pulverizing the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the agglomerated catalyst, for example, a ball mill method, an ultrasonic dispersion method, or the like can be used. From the viewpoint, the ultrasonic dispersion method is preferable.

上記触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)と酸基含有構造体(b)とを混合する場合は、溶媒を用いてもよい。上記溶媒としては、有機物質や金属アルコキシド等の溶解、混合に使用可能であれば特に限定されず、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、t−ブタノール等のアルコール類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のグリコールアルキルエーテル類、水等が挙げられる。上記溶媒の含有量については、特に限定されず、通常、固形分量が10〜80重量%程度が好ましい。 When the electron conductive carbon (B2) formed by supporting the catalyst and the acid group-containing structure (b) are mixed, a solvent may be used. The solvent is not particularly limited as long as it can be used for dissolving and mixing organic substances and metal alkoxides. For example, alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol and t-butanol, tetrahydrofuran, dioxane and the like Ethers, glycol alkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, water, and the like. The content of the solvent is not particularly limited, and usually the solid content is preferably about 10 to 80% by weight.

工程2は、工程1で得られたスラリーに、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)を混合することにより、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)の表面に吸着させた酸基含有構造体(b)と架橋構造体(a)との間でsol−gel反応を起こさせ、ペーストを生成させる工程である。 In Step 2, the slurry obtained in Step 1 was mixed with a crosslinked structure (a) composed of a metal-oxygen bond, and adsorbed on the surface of the electron conductive carbon (B2) carrying the catalyst. In this step, a sol-gel reaction is caused between the acid group-containing structure (b) and the crosslinked structure (a) to produce a paste.

工程2では、超音波分散によりsol−gel反応を起こさせることが好ましい。なお、工程1及び工程2は、sol−gel反応の進行により、反応混合物の粘度が、急激に上昇する恐れがあることから、上記ペーストの粘度は、後の工程で塗工可能な粘度に維持することが好ましい。ここで、塗工可能な粘度の好ましい下限は500cp、好ましい上限は10000cpである。上記範囲外であると次の工程における塗工をスムーズに行うことができないことがある。また、上記粘度を上記範囲内に維持するためには、混合物を0〜40℃に維持する工程を行うことが好ましい。具体的には、例えば、室温状態に温度を調整する方法、恒温恒湿槽に保持する方法等が挙げられる。 In step 2, it is preferable to cause a sol-gel reaction by ultrasonic dispersion. In Steps 1 and 2, since the viscosity of the reaction mixture may increase rapidly due to the progress of the sol-gel reaction, the viscosity of the paste is maintained at a viscosity that can be applied in a later step. It is preferable to do. Here, the preferable lower limit of the coatable viscosity is 500 cp, and the preferable upper limit is 10,000 cp. If it is out of the above range, the coating in the next step may not be performed smoothly. Moreover, in order to maintain the said viscosity in the said range, it is preferable to perform the process of maintaining a mixture at 0-40 degreeC. Specifically, for example, a method of adjusting the temperature to a room temperature state, a method of holding in a constant temperature and humidity chamber, and the like can be mentioned.

上記工程1又は工程2においては、架橋構造体(a)と酸基含有構造体(b)とから得られるプロトン伝導体(B1)の粒径制御、粒子間の結合制御、それに伴う粒子の間隙の制御を行うことを目的として、極性制御剤を添加することが好ましい。 In the above step 1 or 2, the particle size control of the proton conductor (B1) obtained from the crosslinked structure (a) and the acid group-containing structure (b), the bond control between the particles, and the accompanying particle gap For the purpose of controlling, it is preferable to add a polarity control agent.

上記極性制御剤は有機液体であって、水溶性であることが好ましい。水溶性であると、架橋構造体(a)、酸基含有構造体(b)の溶媒への溶解性を調整することが可能であり、適度な粒子の粒子径、粒子の間隙制御が可能となる。更に、得られた固体高分子形燃料電池用電極から水洗にて容易に抽出できるという利点もある。 The polarity control agent is an organic liquid and is preferably water-soluble. When it is water-soluble, it is possible to adjust the solubility of the crosslinked structure (a) and the acid group-containing structure (b) in the solvent, and it is possible to control the particle diameter of the particles and the gap between the particles. Become. Furthermore, there is an advantage that it can be easily extracted by washing with water from the obtained electrode for a polymer electrolyte fuel cell.

上記極性制御剤としては、例えば、水酸基、エーテル基、アミド基、エステル基等の極性置換基を有しているもの、カルボン酸基、スルホン酸基等の酸基又はその塩を有しているもの、アミン等の塩基又はその塩を有しているもの等が挙げられる。このうち、酸、塩基及びその塩類は、加水分解・縮合の際に触媒を用いる場合には、これら触媒との相互作用に気を付ける必要があるため、非イオン性のものが好ましい。具体的には、例えば、グリセリン及びその誘導体、エチレングリコール及びその誘導体、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、各種分子量のポリエチレングリコール等のエチレングリコール重合体、グルコース、フルクトース、マンニット、ソルビット、スクロース等の糖類、ペンタエリスリトール等の多価水酸基化合物、ポリオキシアルキレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、アクリル酸等の水溶性樹脂、炭酸エチレン、炭酸プロピレン等の炭酸エステル類、ジメチルスルホキシド等のアルキル硫黄酸化物、ジメチルホルムアミド等のアミド類、エチレングリコールモノメチルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルエーテル類等が挙げられる。 Examples of the polar control agent include those having a polar substituent such as a hydroxyl group, an ether group, an amide group and an ester group, an acid group such as a carboxylic acid group and a sulfonic acid group, or a salt thereof. And those having a base such as an amine or a salt thereof. Of these, acids, bases and salts thereof are preferably nonionic since it is necessary to pay attention to the interaction with these catalysts when using catalysts in the hydrolysis and condensation. Specifically, for example, glycerin and derivatives thereof, ethylene glycol and derivatives thereof, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, ethylene glycol polymers such as polyethylene glycol of various molecular weights, glucose, fructose, mannitol, sorbit, sucrose Sugars, polyhydric hydroxyl compounds such as pentaerythritol, water-soluble resins such as polyoxyalkylene, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, and acrylic acid, carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and alkyl sulfur oxides such as dimethyl sulfoxide Amides such as dimethylformamide, and polyoxyethylene alkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether.

また、エチレングリコール類の末端OHの一部又は全部が、アルキルエーテルとなったエチレングリコール(モノ/ジ)アルキルエーテル類も好適に用いることができる。具体的には例えば、エチレングリコール類のモノメチルエーテル、ジメチルエーテル、モノエチルエーテル、ジエチルエーテル、モノプロピルエーテル、ジプロピルエーテル、モノブチルエーテル、ジブチルエーテル、モノペンチルエーテル、ジペンチルエーテル、モノジシクロペンテニルエーテル、モノグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、モノフェニルエーテル、ジフェニルエーテル、モノビニルエーテルジビニルエーテル等が挙げられる。また、エチレングリコール類の末端OHの一部又は全部がエステルとなっていても良い。具体的には例えば、前記エチレングリコール類のモノアセテート、ジアセテート等が挙げられる。
また、酸及びその塩を用いてもよい場合には、酢酸、プロピオン酸、ドデシル硫酸、ドデシルスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸等の酸及びその塩類等が挙げられ、塩基及びその塩を用いても良い場合には塩化トリメチルベンジルアンモニウム等のアンモニウム塩類、N,N−ジメチルベンジルアミン等のアミン類及びその塩類等が挙げられる。更に、グルタミン酸ナトリウム等のアミノ酸類等の両性イオン化合物も使用することもできる。
In addition, ethylene glycol (mono / di) alkyl ethers in which a part or all of the terminal OH of the ethylene glycol is an alkyl ether can also be suitably used. Specifically, for example, ethylene glycol monomethyl ether, dimethyl ether, monoethyl ether, diethyl ether, monopropyl ether, dipropyl ether, monobutyl ether, dibutyl ether, monopentyl ether, dipentyl ether, monodicyclopentenyl ether, mono Examples thereof include glycidyl ether, diglycidyl ether, monophenyl ether, diphenyl ether, monovinyl ether divinyl ether, and the like. Further, part or all of the terminal OH of ethylene glycols may be an ester. Specific examples include monoacetates and diacetates of the ethylene glycols.
In addition, when an acid and a salt thereof may be used, an acid such as acetic acid, propionic acid, dodecyl sulfuric acid, dodecyl sulfonic acid, benzene sulfonic acid, dodecyl benzene sulfonic acid, toluene sulfonic acid and the like, and the like, When a base and a salt thereof may be used, ammonium salts such as trimethylbenzylammonium chloride, amines such as N, N-dimethylbenzylamine, and salts thereof may be used. Furthermore, zwitterionic compounds such as amino acids such as sodium glutamate can also be used.

上記極性制御剤として無機塩等も用いることは可能ではあるが、一般的に無機塩は凝集力が強く(融点が高く)、架橋構造体(a)、酸基含有構造体(b)を含む混合物に添加しても分子レベルの微細分散は困難で、大きな結晶やアモルファス固体となり、電極の物理物性に不利な大きな凝集体を形成する可能性が高い。 Although it is possible to use an inorganic salt or the like as the polarity control agent, generally, the inorganic salt has a strong cohesive force (high melting point) and includes a crosslinked structure (a) and an acid group-containing structure (b). Even if it is added to the mixture, it is difficult to finely disperse it at the molecular level, resulting in large crystals and amorphous solids, and there is a high possibility of forming large aggregates that are disadvantageous to the physical properties of the electrode.

上記極性制御剤としては、その他のイオン界面活性剤も好適に用いることができ、更に触媒との相互作用を勘案してアニオン、カチオン、両性の各界面活性剤等も用いることができる。
この中でも、液状の水溶性有機物であり、架橋構造体(a)、酸基含有構造体(b)に対して適度な相溶性や非相溶性を有するポリオキシアルキレンが好ましく、その中でも特にエチレングリコールの重合体が好ましく用いることができる。このポリオキシアルキレン類としては、例えば、下記一般式(7)で示すようなポリオキシアルキレンを用いることができる。
As the polarity control agent, other ionic surfactants can be suitably used, and anionic, cationic, amphoteric surfactants and the like can also be used in consideration of interaction with the catalyst.
Of these, polyoxyalkylene which is a liquid water-soluble organic substance and has appropriate compatibility and incompatibility with the crosslinked structure (a) and the acid group-containing structure (b) is preferable. These polymers can be preferably used. As the polyoxyalkylene, for example, a polyoxyalkylene represented by the following general formula (7) can be used.

Figure 2006054176
式(7)中、nは1〜14の整数である。
Figure 2006054176
In formula (7), n is an integer of 1-14.

上記一般式(7)で示すようなエチレングリコールの重合体は、2量体(ジエチレングリコール)から各種分子量のポリエチレングリコールまで幅広く市販されており、相溶性、粘度、分子サイズ等を適宜選択可能であることから、好ましく用いることができる。特に本発明においては、分子量が約100のジエチレングリコールから平均分子量600のポリエチレングリコールがより好ましく用いることができ、更に、分子量が200前後のテトラエチレングリコール又はポリエチレングリコールが特に好ましく用いることができる。 Polymers of ethylene glycol as represented by the above general formula (7) are commercially available from dimers (diethylene glycol) to polyethylene glycols of various molecular weights, and compatibility, viscosity, molecular size, etc. can be appropriately selected. Therefore, it can be preferably used. In particular, in the present invention, diethylene glycol having a molecular weight of about 100 to polyethylene glycol having an average molecular weight of 600 can be more preferably used, and tetraethylene glycol or polyethylene glycol having a molecular weight of around 200 can be particularly preferably used.

得られるプロトン伝導体(B1)の粒子径、粒子の間隙のサイズは、架橋構造体(a)、酸基含有構造体(b)との相溶性、溶媒や添加剤を含めた電極形成原料系全体との相溶性バランス、及び、極性制御剤の分子量、及び配合量により決定される。本発明の場合、極性制御剤の平均分子量と粒子の間隙の径に相関が見られ、分子量600を超えるポリエチレングリコールを用いた場合には大きな径となって物性が低下したり、電極が脆くなったりし、一方、分子量100未満であると、緻密な3次元架橋構造体となりすぎて、充分な粒子の間隙が形成されないことがある。 The particle diameter of the proton conductor (B1) obtained and the size of the gap between the particles are compatible with the crosslinked structure (a) and the acid group-containing structure (b), and an electrode forming raw material system including a solvent and an additive. It is determined by the compatibility balance with the whole and the molecular weight and blending amount of the polar controlling agent. In the case of the present invention, there is a correlation between the average molecular weight of the polarity control agent and the diameter of the gap between the particles, and when polyethylene glycol having a molecular weight of more than 600 is used, the diameter becomes large and the physical properties deteriorate or the electrode becomes brittle. On the other hand, if the molecular weight is less than 100, a dense three-dimensional crosslinked structure may be formed, and sufficient particle gaps may not be formed.

上記極性制御剤は、沸点の好ましい下限が100℃であり、融点の好ましい上限が25℃である。沸点が100℃未満であると、電極を形成する際に行う縮合反応時に揮発してしまい、粒子の粒子径制御、粒子の間隙制御が不充分になって所望のプロトン伝導性が確保できない。より好ましい下限は150℃であり、更に好ましい下限は200℃以上である。また、極性制御剤の分子間相互作用が大きすぎる場合には極性制御剤が固化して粒子の間隙以外に大きなドメインを形成する可能性があり、この場合、電極の強度が低下する可能性がある。
また、上記極性制御剤の分子間相互作用の大きさは、融点とほぼ相関があり、融点を指標とすることができる。従って、融点が25℃を超えると、適度な分子間相互作用が期待できない。より好ましい上限は15℃である。
The polar control agent has a preferred lower limit of boiling point of 100 ° C and a preferred upper limit of melting point of 25 ° C. When the boiling point is less than 100 ° C., it volatilizes during the condensation reaction performed when forming the electrode, and the particle diameter control of the particles and the particle gap control become insufficient, and the desired proton conductivity cannot be ensured. A more preferred lower limit is 150 ° C., and a more preferred lower limit is 200 ° C. or more. In addition, when the intermolecular interaction of the polarity control agent is too large, the polarity control agent may solidify to form a large domain other than the gap between the particles. In this case, the strength of the electrode may be reduced. is there.
Moreover, the magnitude of the intermolecular interaction of the polarity control agent is substantially correlated with the melting point, and the melting point can be used as an index. Therefore, when the melting point exceeds 25 ° C., an appropriate intermolecular interaction cannot be expected. A more preferred upper limit is 15 ° C.

上記極性制御剤の添加量としては、極性制御剤の種類や分子量、固体高分子形燃料電池用電極の構造等に依存するが、一般的には酸基含有構造体(b)及び架橋構造体(a)の混合物100重量部に対して好ましい下限が3重量部、好ましい上限が150重量部である。3重量部未満であると、粒子径及び粒子の間隙制御の効果がほとんど認められず、150重量部を超えると、粒子の間隙が大きくなりすぎ、得られる固体高分子形燃料電池用電極が脆くなったり、諸物性が低下することがある。 The amount of the polarity control agent added depends on the type and molecular weight of the polarity control agent, the structure of the polymer electrolyte fuel cell electrode, etc., but in general, the acid group-containing structure (b) and the crosslinked structure A preferred lower limit is 3 parts by weight and a preferred upper limit is 150 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the mixture of (a). When the amount is less than 3 parts by weight, the effect of controlling the particle diameter and particle gap is hardly observed. When the amount exceeds 150 parts by weight, the particle gap becomes too large and the resulting polymer electrolyte fuel cell electrode is brittle. And various physical properties may deteriorate.

工程3は、工程2で得られたペーストに電子伝導性カーボン(B3)を添加する工程である。
上記電子伝導性カーボン(B3)を添加することで、ガスチャネル形成に有利となることにより、濃度過電圧の上昇を防ぐことが容易となり、良好な三相界面の実現、ひいては良好は発電性能を実現可能な固体高分子形燃料電池用電極が実現できる。
Step 3 is a step of adding electron conductive carbon (B3) to the paste obtained in Step 2.
By adding the above-mentioned electron conductive carbon (B3), it is advantageous for gas channel formation, and it becomes easy to prevent the increase of concentration overvoltage, realizing a good three-phase interface, and in turn realizing good power generation performance. Possible solid polymer fuel cell electrodes can be realized.

工程4は、電子伝導性カーボン(B3)を添加したペーストをガス拡散層付多孔質伝導体上に塗布した後、プレスを行うことにより、触媒層(B)を形成する工程である。
上記ペーストを塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、グラビアコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法等が挙げられる。これらの中では、ドクターブレード法やスプレーコート法が好ましい。なお、上記ドクターブレード法によって塗布を行った場合は、得られる固体高分子形燃料電池用電極表面に凹凸が出来てしまうことがあるため、塗工後にロールでプレスする冷間プレスを行うことが好ましい。上記ドクターブレード法は、バーコ一ター又はナイフコ一ターを用いて行うことが好ましい。
Step 4 is a step of forming the catalyst layer (B) by applying a paste to which the electron conductive carbon (B3) is added on the porous conductor with a gas diffusion layer and then pressing.
Examples of the method for applying the paste include a screen printing method, a gravure coating method, a doctor blade method, and a spray coating method. Of these, the doctor blade method and the spray coating method are preferable. In addition, since the unevenness | corrugation may be formed in the electrode surface for obtained polymer electrolyte fuel cells when it apply | coats by the said doctor blade method, the cold press which presses with a roll after coating may be performed. preferable. The doctor blade method is preferably performed using a bar coater or a knife coater.

工程5は、上記触媒層(B)を乾燥及び電極全体を熱プレスする工程である。
上記触媒層(B)を乾燥、電極全体を熱プレスする工程としては、例えば、溶媒を乾燥する溶媒乾燥工程と、温度をかけて金属−酸素結合からなる架橋反応を促進、完結させるホットプレス工程とを行う方法等が挙げられる。
Step 5 is a step of drying the catalyst layer (B) and hot pressing the entire electrode.
Examples of the process for drying the catalyst layer (B) and hot pressing the entire electrode include, for example, a solvent drying process for drying the solvent, and a hot pressing process for accelerating and completing the crosslinking reaction consisting of metal-oxygen bonds by applying temperature. And the like.

上記ホットプレス工程は、高温で加熱することにより、ペースト中の混合状態にある酸基含有構造体(b)と架橋構造体(a)との積極的な架橋反応を進行させる工程である。
上記ホットプレス工程は、上記触媒層(B)を含む電極全体を挟み込みプレスする方法によって行うことが好ましい。このような方法を用いることにより、気化した溶媒の逃避経路が確保され、溶媒が急激に気化することによる圧力膨張に起因した、電極表面のヒビや割れを防止することができる。
上記ホットプレス工程の条件としては、温度を130〜200℃、圧力を0.5〜30kg/cm、時間を3秒〜30分間とすることが好ましい。特に、過度に高温、高圧とすると、得られる固体高分子形燃料電池用電極自体が粉々になる可能性がある。
The said hot press process is a process of advancing the positive crosslinking reaction of the acid group containing structure (b) in a mixed state in a paste, and a crosslinked structure (a) by heating at high temperature.
The hot pressing step is preferably performed by a method in which the entire electrode including the catalyst layer (B) is sandwiched and pressed. By using such a method, the escape route of the vaporized solvent is ensured, and cracks and cracks on the electrode surface due to pressure expansion due to rapid vaporization of the solvent can be prevented.
As conditions for the hot pressing step, it is preferable that the temperature is 130 to 200 ° C., the pressure is 0.5 to 30 kg / cm 2 , and the time is 3 seconds to 30 minutes. In particular, if the temperature and pressure are excessively high, the obtained polymer electrolyte fuel cell electrode itself may be shattered.

また、溶媒乾燥工程とホットプレス工程との間に、厚み調整を目的とする冷間プレス工程を行ってもよい。上記冷間プレス工程は、上下から力を加えることによる表面粗さの改善及びガス拡散層付多孔質導電体中に含有されている溶媒を除去するために行う。
上記冷間プレス工程は、塗布したペーストの上に、溶媒を吸収するような多孔材料(例えば、濾紙、PTFEメンブレンフィルター)等を載せた状態でプレスを行うことが好ましい。上記多孔材料としては、表面が撥水化されているものを用いることが好ましい。これにより、形成されたペーストが多孔材料に付着することなく均一な電極シートが形成できる。なお、冷間プレス工程は、溶媒除去及び厚み調整を目的として行うため、積極的な温度上昇をさせないように、条件としては、温度を0〜50℃、圧力を5〜20kg/cm、時間を10〜60秒間とすることが好ましい。
Moreover, you may perform the cold press process for the purpose of thickness adjustment between a solvent drying process and a hot press process. The cold pressing step is performed to improve the surface roughness by applying force from above and below and to remove the solvent contained in the porous conductor with a gas diffusion layer.
The cold pressing step is preferably performed in a state where a porous material (for example, filter paper, PTFE membrane filter) or the like that absorbs the solvent is placed on the applied paste. As the porous material, it is preferable to use a material having a water-repellent surface. Thereby, a uniform electrode sheet can be formed without the formed paste adhering to the porous material. In addition, since the cold press process is performed for the purpose of solvent removal and thickness adjustment, the temperature is 0 to 50 ° C., the pressure is 5 to 20 kg / cm 2 , and the time is set so as not to increase the temperature actively. Is preferably 10 to 60 seconds.

また、本発明の固体高分子形燃料電池用電極の製造方法の別の態様としては、例えば、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と、酸基含有構造体(b)とを混合してスラリーを作製する工程1、前記スラリーに、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)を混合し、ペーストを作製する工程2、前記ペーストに電子伝導性カーボン(B3)を添加する工程3、前記電子伝導性カーボン(B3)を添加したペーストをガス拡散層付多孔質伝導体上に塗布した後、プレスを行うことにより、触媒層(B)を作製する工程4、及び、前記触媒層(B)を乾燥及び電極全体を熱プレスする工程5を有する製造方法が挙げられる。このような別の態様の本発明の固体高分子形燃料電池用電極の製造方法もまた本発明の1つである。 As another embodiment of the method for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, for example, a crosslinked structure (a) composed of a metal-oxygen bond and an acid group-containing structure (b) are mixed. Step 1 for preparing a slurry, mixing the electron conductive carbon (B2) carrying the catalyst with the slurry, Step 2 for preparing a paste, and adding the electron conductive carbon (B3) to the paste Step 3, applying the paste to which the electron conductive carbon (B3) is added on the porous conductor with a gas diffusion layer, and then pressing to produce a catalyst layer (B), and The manufacturing method which has the process 5 which dries a catalyst layer (B) and heat-presses the whole electrode is mentioned. Such a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to another aspect of the present invention is also one aspect of the present invention.

別の態様の本発明の固体高分子形燃料電池用電極の製造方法では、まず、工程1として、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と、酸基含有構造体(b)とを混合してスラリーを作製し、工程2として、前記スラリーに、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)を混合し、ペーストを作製する点が上述した本発明の固体高分子形燃料電池用電極の製造方法と異なる。
このような工程を行うことにより、酸基含有構造体(b)がより強固に3次元架橋構造体に組み込まれるため、酸基含有構造体(b)がより散逸しにくくなる。
In another aspect of the method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, first, as step 1, a crosslinked structure (a) comprising a metal-oxygen bond and an acid group-containing structure (b) are prepared. The solid polymer fuel cell of the present invention described above is that a slurry is prepared by mixing, and in Step 2, the paste is prepared by mixing the slurry with electron conductive carbon (B2) carrying a catalyst. This is different from the manufacturing method of the electrode for a vehicle.
By performing such a process, the acid group-containing structure (b) is more firmly incorporated into the three-dimensional crosslinked structure, and therefore the acid group-containing structure (b) is less likely to dissipate.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極を電極して用い、プロトン伝導性固体高分子膜等を電解質として用いることにより、固体高分子形燃料電池を得ることができる。このような固体高分子形燃料電池もまた本発明の1つである。ここで、固体高分子形燃料電池とは、電解質としてプロトン伝導性の固体高分子膜(以下、単に電解質膜ともいう)を用いることを特徴とする燃料電池のことである。 A polymer electrolyte fuel cell can be obtained by using the electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention as an electrode and using a proton conductive solid polymer membrane or the like as an electrolyte. Such a polymer electrolyte fuel cell is also one aspect of the present invention. Here, the solid polymer fuel cell is a fuel cell characterized by using a proton conductive solid polymer membrane (hereinafter also simply referred to as an electrolyte membrane) as an electrolyte.

上記プロトン伝導性固体高分子膜としては、特に限定されないが、本発明の電極の特徴を活かすためには、耐熱性のある電解質膜を用いることが好ましい。上記耐熱性のある電解質膜としては、例えば、ポリベンズイミダゾール等の芳香族環を主鎖中に有するエンジニアリングプラスチックに、スルホン酸やリン酸を導入したものや、酸をドープしたシリカガラス、酸をドープした有機無機複合体等が挙げられる。また、膜中に金属−酸素結合を含むもの、例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタン等の金属酸化物を含むものを使用することができる。具体的には例えば、ナフィオン(登録商標)等のスルホン化フッ素樹脂にシリカ等を添加したものが挙げられる。更に、膜自体が金属−酸素結合、特にケイ素−酸素結合で架橋されたものも使用可能である。 The proton conductive solid polymer membrane is not particularly limited, but a heat resistant electrolyte membrane is preferably used in order to make use of the characteristics of the electrode of the present invention. As the above heat-resistant electrolyte membrane, for example, engineering plastics having an aromatic ring such as polybenzimidazole in the main chain into which sulfonic acid or phosphoric acid is introduced, acid-doped silica glass, and acid are used. Examples include doped organic-inorganic composites. Further, a film containing a metal-oxygen bond in the film, for example, a film containing a metal oxide such as silica, alumina, or titanium oxide can be used. Specific examples include those obtained by adding silica or the like to a sulfonated fluororesin such as Nafion (registered trademark). Further, it is also possible to use a film in which the film itself is cross-linked by a metal-oxygen bond, particularly a silicon-oxygen bond.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
(1)撥水カーボンペーパーの作製
撥水カーボンペーパーを図3に示す手順に従い作製した。具体的には、予め重量測定したカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−120)をテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP樹脂)水溶液(ダイキン工業社製、ネオフロン(登録商標)ND−1)に浸漬し、溶媒を蒸発乾燥した。そして、カーボンペーパーの重量に対して、10重量%のFEP樹脂が添加されるまでこの操作を繰り返した。次いで、イソプロパノール(以下、IPAともいう)中で超音波洗浄することで、含有する界面活性剤を除去した後、300℃で30分間焼成を行うことにより、撥水カーボンペーパーを作製した。
Example 1
(1) Production of water-repellent carbon paper Water-repellent carbon paper was produced according to the procedure shown in FIG. Specifically, carbon paper (TGP-H-120, manufactured by Toray Industries, Inc.), which has been weighed in advance, is added to a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP resin) aqueous solution (manufactured by Daikin Industries, Ltd., NEOFRON (registered trademark) ND). -1) and the solvent was evaporated to dryness. And this operation was repeated until 10 weight% FEP resin was added with respect to the weight of carbon paper. Next, ultrasonic cleaning was performed in isopropanol (hereinafter also referred to as IPA) to remove the contained surfactant, followed by baking at 300 ° C. for 30 minutes to prepare a water-repellent carbon paper.

(2)ガス拡散層の作製
まず、カーボンブラック(電気化学工業社製、デンカブラックAB12(登録商標))に35重量%のトライトン(登録商標)溶液(ローム アンド ハース社製、Triton(登録商標)X−100)を加え、ボールミル(FRITSCH社製、P−7)を用いて、30分間混合しカーボンペーストを作製した。次いで、このカーボンペーストと撥水材料であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン(三井・デュポンフロロケミカル社製、30−J)をカーボンブラック:PTFE比で6:4になるように添加し、ボールミルを用いて、30分間混合しガス拡散層用ペーストを得た。得られたガス拡散層用ペーストを(1)で得られた撥水カーボンペーパー上にバーコーター(PK PRINT−COAT INSTRUMENT社製、K CONTROL COATER)で塗工し、60℃で1時間乾燥した。乾燥後、冷間プレス(10kgf/cm、30秒)を行い、更に、IPAに浸漬することで、中に含まれているトライトン(登録商標)を除去し、その後、ホットプレス(360℃、2.5kN、3秒)を行い、水中で急冷することによってガス拡散層付撥水カーボンペーパーを作製した。
(2) Preparation of Gas Diffusion Layer First, a 35 wt% Triton (registered trademark) solution (Rohm and Haas, Triton (registered trademark)) in carbon black (manufactured by Denki Black AB12 (registered trademark)) X-100) was added and mixed for 30 minutes using a ball mill (manufactured by FRITSCH, P-7) to prepare a carbon paste. Next, this carbon paste and water repellent material polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (Mitsui / DuPont Fluorochemical Co., Ltd., 30-J) were added so that the carbon black: PTFE ratio was 6: 4. Using a ball mill, mixing was performed for 30 minutes to obtain a gas diffusion layer paste. The obtained gas diffusion layer paste was coated on the water-repellent carbon paper obtained in (1) with a bar coater (manufactured by PK PRINT-COAT INSTRUMENT, K CONTROL COATER) and dried at 60 ° C. for 1 hour. After drying, a cold press (10 kgf / cm 2 , 30 seconds) is performed, and further, triton (registered trademark) contained therein is removed by immersion in IPA, and then hot press (360 ° C., 2.5 kN, 3 seconds), and water-repellent carbon paper with a gas diffusion layer was prepared by quenching in water.

(3)固体高分子形燃料電池用電極の製造
(i)カーボンペースト(cp−1)の作製
BET比表面積が800m/gで、DBP吸油量が365ml/100gのケッチエンブラックEC(ケッチエンブラックインターナショナル社製)を担体とした白金触媒担持カーボンブラック(白金担持50重量%)2.0g、3−(トリヒドロキシシリル)−1−プロパンスルホン酸水溶液(濃度18.5重量%、Gelest社製、THS(pro)SOH/CB)=0.25)3.0gと水15gとを、超音波ホモジナイザー(SONICS社製、Viracell)を用いて、3分間混合しカーボンペースト(cp−1)を作製した。
(3) Production of polymer electrolyte fuel cell electrode (i) Production of carbon paste (cp-1) Ketchen Black EC (Ketchenen) having a BET specific surface area of 800 m 2 / g and DBP oil absorption of 365 ml / 100 g 2.0 g of platinum catalyst-supported carbon black (platinum-supported 50% by weight) using Black International as a carrier, 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid aqueous solution (concentration 18.5% by weight, manufactured by Gelest) , THS (pro) SO 3 H / CB) = 0.25) 3.0 g and 15 g of water were mixed for 3 minutes using an ultrasonic homogenizer (Viracell, manufactured by SONICS), and carbon paste (cp-1) Was made.

(ii)カーボンペースト(cp−2)の作製
得られたカーボンペースト(cp−1)を室温(25℃)に温度調整し、これにテトラエトキシシラン1.6gをIPA1.6gに溶解した溶液を加え、超音波ホモジナイザーで混合し、カーボンペースト(cp−2)を作製した。
(Ii) Preparation of carbon paste (cp-2) The temperature of carbon paste (cp-1) obtained was adjusted to room temperature (25 ° C.), and a solution obtained by dissolving 1.6 g of tetraethoxysilane in 1.6 g of IPA was added thereto. In addition, mixing with an ultrasonic homogenizer produced a carbon paste (cp-2).

(iii)カーボンペースト(cp−3)の作製
得られたカーボンペースト(cp−2)に電子伝導体成分であるカーボンブラック(BET比表面積:68m/g、DBP吸油量:175ml/100g)を0.5g添加した。その後、超音波ホモジナイザーで混合し、カーボンペースト(cp−3)を作製した。
(Iii) Preparation of carbon paste (cp-3) Carbon black (BET specific surface area: 68 m 2 / g, DBP oil absorption: 175 ml / 100 g) as an electron conductor component was added to the obtained carbon paste (cp-2). 0.5 g was added. Then, it mixed with the ultrasonic homogenizer and produced the carbon paste (cp-3).

(iv)カーボンペースト塗工工程
得られたカーボンペースト(cp−3)を(2)で得られたガス拡散層付撥水カーボンペーパー上に厚み20μmになるようにナイフコーター(松尾産業社製)で塗工し、更にロールプレスを行った。その際、塗工板の温度は、25℃になるようにした。
(Iv) Carbon paste coating process Knife coater (manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.) so that the obtained carbon paste (cp-3) has a thickness of 20 μm on the water-repellent carbon paper with gas diffusion layer obtained in (2). Coating was performed, and roll press was further performed. At that time, the temperature of the coated plate was set to 25 ° C.

(v)固体高分子形燃料電池用電極の作製
塗工後、オーブンで60℃で1時間乾燥した。その後、20℃で冷間プレス(10kgf/cm)を30秒間行い、続いて、150℃でホットプレス(20kgf/cm)を5分間行って、触媒層(B)を形成した。ホットプレスの際は、フッ素樹脂シート(厚み100μm)を電極の上下に挟んでプレスし、触媒層/ガス拡散層付撥水カーボンペーパーからなる電極を製造した。なお、電極は、図1に示す層構成を有し、触媒層(B)の厚みは20μm、多孔質伝導体(A)+ガス拡散層(C)の厚みは、0.36mmであった。
(V) Preparation of electrode for polymer electrolyte fuel cell After coating, it was dried in an oven at 60 ° C. for 1 hour. Thereafter, a cold press (10 kgf / cm 2 ) was performed at 20 ° C. for 30 seconds, followed by a hot press (20 kgf / cm 2 ) at 150 ° C. for 5 minutes to form a catalyst layer (B). At the time of hot pressing, a fluororesin sheet (thickness: 100 μm) was pressed between the upper and lower sides of the electrode and pressed to manufacture an electrode made of water-repellent carbon paper with catalyst layer / gas diffusion layer. The electrode had the layer configuration shown in FIG. 1, the catalyst layer (B) had a thickness of 20 μm, and the porous conductor (A) + gas diffusion layer (C) had a thickness of 0.36 mm.

(実施例2)
実施例1の(3)の(iii)において下記の操作を行った以外は実施例1と同様にして固体高分子形燃料電池用電極を作製した。
(iii)カーボンペースト(cp−4)の作製
得られたカーボンペースト(cp−2)に電子伝導体成分であるカーボンブラック(BET比表面積:290m/g、DBP吸油量:98ml/100g)を0.5g添加した。その後、超音波ホモジナイザーで混合し、カーボンペースト(cp−4)を作製した。
(Example 2)
A polymer electrolyte fuel cell electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the following operation was performed in (iii) of Example 1 (3).
(Iii) Preparation of carbon paste (cp-4)
0.5 g of carbon black (BET specific surface area: 290 m 2 / g, DBP oil absorption: 98 ml / 100 g) as an electron conductor component was added to the obtained carbon paste (cp-2). Then, it mixed with the ultrasonic homogenizer and produced the carbon paste (cp-4).

(実施例3)
(1)撥水カーボンペーパーの作製
撥水カーボンペーパーを図3に示す手順に従い作製した。具体的には、予め重量測定したカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−60)をテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP樹脂)水溶液(ダイキン工業社製、ネオフロン(登録商標)ND−1)に浸漬し、溶媒を蒸発乾燥した。カーボンペーパーの重量に対して、10重量%のFEP樹脂が添加されるまでこれを繰り返した。更に、IPA中で超音波洗浄することで、中に含まれている界面活性剤を除去し、その後300℃で30分間焼成を行い撥水カーボンペーパーを作製した。
(Example 3)
(1) Production of water-repellent carbon paper Water-repellent carbon paper was produced according to the procedure shown in FIG. Specifically, carbon paper (TGP-H-60, manufactured by Toray Industries, Inc.), which has been previously weighed, is added to an aqueous tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP resin) aqueous solution (manufactured by Daikin Industries, Ltd., NEOFRON (registered trademark) ND). -1) and the solvent was evaporated to dryness. This was repeated until 10 wt% FEP resin was added relative to the weight of the carbon paper. Furthermore, the surfactant contained therein was removed by ultrasonic cleaning in IPA, followed by baking at 300 ° C. for 30 minutes to produce a water-repellent carbon paper.

(2)固体高分子形燃料電池用電極の製造
(i)カーボンペースト(cp−5)の作製
BET比表面積が800m/gで、DBP吸油量が365ml/100gのケッチエンブラックEC(ケッチエンブラックインターナショナル製)を担体とした白金触媒担持カーボンブラック(白金担持50重量%)1.5g、3−(トリヒドロキシシリル)−1−プロパンスルホン酸水溶液(濃度30.0重量%:Gelest社製)1.5gと水20gを、超音波ホモジナイザー(SONICS社製、Viracell)を用いて、30分間混合しカーボンペースト(cp−5)を作製した。
(2) Production of polymer electrolyte fuel cell electrode (i) Production of carbon paste (cp-5) Ketchen Black EC (Ketchen Black) having a BET specific surface area of 800 m 2 / g and DBP oil absorption of 365 ml / 100 g 1.5 g of platinum catalyst-supported carbon black (platinum supported 50% by weight) using Black International as a carrier, 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid aqueous solution (concentration 30.0% by weight: manufactured by Gelest) 1.5 g and 20 g of water were mixed for 30 minutes using an ultrasonic homogenizer (manufactured by SONICS, Viracell) to prepare a carbon paste (cp-5).

(ii)カーボンペースト(cp−6)の作製
得られたカーボンペースト(cp−5)を室温(25℃)に温度調整し、これにテトラエトキシシラン0.9gをIPA5.0gに溶解した溶液を加え、超音波ホモジナイザーで混合し、カーボンペースト(cp−6)を作製した。
(Ii) Preparation of carbon paste (cp-6) The temperature of carbon paste (cp-5) obtained was adjusted to room temperature (25 ° C), and a solution obtained by dissolving 0.9 g of tetraethoxysilane in 5.0 g of IPA was added thereto. In addition, the mixture was mixed with an ultrasonic homogenizer to prepare a carbon paste (cp-6).

(iii)カーボンペースト(cp−7)の作製
カーボンペースト(cp−6)に電子伝導体成分であるカーボンブラック(BET比表面積:68m/g、DBP吸油量:175ml/100g)を0.5g添加した。その後、超音波ホモジナイザーで混合し、カーボンペースト(cp−7)を作製した。
(Iii) Preparation of carbon paste (cp-7) 0.5 g of carbon black (BET specific surface area: 68 m 2 / g, DBP oil absorption: 175 ml / 100 g) as an electron conductor component was added to carbon paste (cp-6). Added. Then, it mixed with the ultrasonic homogenizer and produced the carbon paste (cp-7).

(iv)カーボンペースト(cp−8)の作製
カーボンペースト(cp−7)にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)水溶液(三井デュポンフロロケミカル社製、PTFE30−J)1.5gと水10gを添加した。その後、超音波ホモジナイザーで混合し、カーボンペースト(cp−8)を作製した。
(Iv) Preparation of carbon paste (cp-8) 1.5 g of polytetrafluoroethylene (PTFE) aqueous solution (PTFE30-J, Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) and 10 g of water were added to carbon paste (cp-7). Then, it mixed with the ultrasonic homogenizer and produced the carbon paste (cp-8).

(v)カーボンペースト塗工工程
(1)で得られた撥水カーボンペーパー上に厚み20μmになるようにナイフコーター(松尾産業社製)で塗工し、更にロールプレスを行った。その際、塗工板の温度は、25℃になるようにした。
(V) On the water-repellent carbon paper obtained in the carbon paste coating step (1), coating was performed with a knife coater (manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.) so as to have a thickness of 20 μm, followed by roll pressing. At that time, the temperature of the coated plate was set to 25 ° C.

(vi)固体高分子形燃料電池用電極の作製
塗工後、オーブンで60℃で5分間乾燥した。その後、20℃での冷間プレス(10kgf/cm)を30秒間行い、続いて、150℃でのホットプレス(20kgf/cm)を20分間行って、触媒層(B)を形成した。ホットプレスの際は、フッ素樹脂シート(厚み100μm)を電極の上下に挟んでプレスし、触媒層/撥水カーボンペーパーからなる電極を製造した。なお、電極は、図1に示す層構成であり、触媒層(B)の厚みは20μm、多孔質伝導体(A)の厚みは、0.19mmであった。
(Vi) Preparation of electrode for polymer electrolyte fuel cell After coating, it was dried in an oven at 60 ° C. for 5 minutes. Thereafter, cold pressing (10 kgf / cm 2 ) at 20 ° C. was performed for 30 seconds, followed by hot pressing (150 kgf / cm 2 ) at 150 ° C. for 20 minutes to form a catalyst layer (B). At the time of hot pressing, a fluororesin sheet (thickness: 100 μm) was pressed between the top and bottom of the electrode and pressed to produce an electrode made of catalyst layer / water-repellent carbon paper. The electrode had the layer configuration shown in FIG. 1, the catalyst layer (B) had a thickness of 20 μm, and the porous conductor (A) had a thickness of 0.19 mm.

(比較例1)
実施例1の(3)において下記の操作を行った以外は実施例1と同様にして固体高分子形燃料電池用電極を作製した。
(i)カーボンペースト(cp−9)の作製
BET比表面積が800m/gで、DBP吸油量が365ml/100gのケッチエンブラックEC(ケッチエンブラックインターナショナル社製)を担体とした白金触媒担持カーボンブラック(白金担持20重量%)5.0g、3−(トリヒドロキシシリル)−1−プロパンスルホン酸水溶液(Gelest社製)3.0gと水15gを、超音波ホモジナイザー(SONICS社製、Viracell)を用いて、3分間混合しカーボンペースト(cp−9)を作製した。
(Comparative Example 1)
A polymer electrolyte fuel cell electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the following operation was performed in (3) of Example 1.
(I) Preparation of carbon paste (cp-9) Platinum catalyst-supported carbon using Ketchen Black EC (manufactured by Ketchen Black International) having a BET specific surface area of 800 m 2 / g and DBP oil absorption of 365 ml / 100 g as a carrier Black (platinum-supported 20% by weight) 5.0 g, 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid aqueous solution (manufactured by Gelest) 3.0 g and water 15 g, an ultrasonic homogenizer (manufactured by SONICS, Viracell) And mixed for 3 minutes to prepare a carbon paste (cp-9).

(ii)カーボンペースト(cp−10)の作製
得られたカーボンペースト(cp−9)を室温(25℃)に温度調整し、これにテトラエトキシシラン1.6gをIPA1.6gに溶解した溶液を加え、超音波ホモジナイザー(SONICS社製、Viracell)を用いて、3分間混合し、カーボンペースト(cp−10)を作製した。
(Ii) Preparation of carbon paste (cp-10) The temperature of carbon paste (cp-9) obtained was adjusted to room temperature (25 ° C), and a solution obtained by dissolving 1.6 g of tetraethoxysilane in 1.6 g of IPA was added thereto. In addition, a carbon paste (cp-10) was prepared by mixing for 3 minutes using an ultrasonic homogenizer (Vircell, manufactured by SONICS).

(iii)カーボンペースト塗工工程
カーボンペースト(cp−10)を10℃に調温した恒温恒湿槽(ESPECSH−240)で30分間保持した後、(2)で得られたガス拡散層付撥水カーボンペーパー上に厚み50μmになるようにナイフコ一ター(松尾産業社製)で塗工し、更にロールプレスを行った。その際、塗工板の温度は、25℃になるようにした。
(Iii) Carbon paste coating process After the carbon paste (cp-10) is held for 30 minutes in a constant temperature and humidity chamber (ESPESHSH-240) adjusted to 10 ° C., the repellent property with the gas diffusion layer obtained in (2) Coating was performed on water carbon paper with a knife coater (manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.) so as to have a thickness of 50 μm, and then roll pressing was performed. At that time, the temperature of the coated plate was set to 25 ° C.

(iv)固体高分子形燃料電池用電極の作製
塗工後、オーブンで60℃、1時間乾燥した。その後、20℃での冷間プレス(10kgf/cm)を30秒間行い、続いて、150℃でのホットプレス(20kgf/cm)を5分間行って、触媒層(B)を形成した。ホットプレスの際は、フッ素樹脂シート(厚み100μm)を電極の上下に挟んでプレスし、触媒層/ガス拡散層付撥水カーボンペーパーからなる電極を製造した。なお、電極は、図1に示す層構成であり、触媒層(B)の厚みは50μm、多孔質伝導体(A)+ガス拡散層(C)の厚みは、0.36mmであった。
(Iv) Preparation of electrode for polymer electrolyte fuel cell After coating, it was dried in an oven at 60 ° C. for 1 hour. Thereafter, cold pressing (10 kgf / cm 2 ) at 20 ° C. was performed for 30 seconds, followed by hot pressing (150 kgf / cm 2 ) at 150 ° C. for 5 minutes to form a catalyst layer (B). At the time of hot pressing, a fluororesin sheet (thickness: 100 μm) was pressed between the upper and lower sides of the electrode and pressed to manufacture an electrode made of water-repellent carbon paper with catalyst layer / gas diffusion layer. The electrode has the layer structure shown in FIG. 1, the catalyst layer (B) has a thickness of 50 μm, and the porous conductor (A) + gas diffusion layer (C) has a thickness of 0.36 mm.

(評価)
(1)発電性能
図4に示すように、プロトン伝導性電解質膜(ナフィオン112(登録商標:Du Pont社製))の両側に実施例1で得られた固体高分子形燃料電池用電極を配置し、更にその両側にセパレータを配し、集電板で挟み込み、ボルトにより締め付け評価用燃料電池用単セルを作製し、電子負荷装置(米国スクリブナ一社製「890B」)及びガス供給装置(東洋テクニカ社製「FC−GAS−1」)を用いて80℃での発電性能の評価を行った。なお、ガスは酸素及び水素を使用し、ガス流量は水素、酸素共に200ml/minとした。
結果を図5に示す。なお、図5の電流−電位曲線は、燃料電池発電の際の性能を示すものであり、一定電流密度になるように負荷を印加し、その際の電圧を測定し、横軸に電流密度(A/cm)、縦軸に電圧(mV)をプロットしたものである。
(Evaluation)
(1) Power generation performance As shown in FIG. 4, the polymer electrolyte fuel cell electrode obtained in Example 1 is disposed on both sides of a proton conductive electrolyte membrane (Nafion 112 (registered trademark: manufactured by Du Pont)). Further, separators are arranged on both sides of the separator, sandwiched between current collector plates, and a single cell for evaluation fuel cell is produced by tightening with a bolt. An electronic load device (“890B” manufactured by US Scribner Co., Ltd.) and a gas supply device (Toyo The power generation performance at 80 ° C. was evaluated using “FC-GAS-1” manufactured by Technica. The gas used was oxygen and hydrogen, and the gas flow rates were 200 ml / min for both hydrogen and oxygen.
The results are shown in FIG. The current-potential curve in FIG. 5 shows the performance during fuel cell power generation. A load is applied so that the current density is constant, the voltage at that time is measured, and the current density ( A / cm 2 ), and the voltage (mV) is plotted on the vertical axis.

(2)最大出力、限界電流密度
実施例及び比較例で得られた固体高分子形燃料電池用電極について、(1)と同様の評価用燃料電池用単セルを作製し、最大出力密度及び限界電流密度を測定した。なお、最大出力密度は、電流密度(A/cm)と電圧(mV)を掛け合わせた発電出力(mW/cm)の最大値であり、その値が大きいほど、燃料電池としての性能が優れていることを示す。また、限界電流密度は、測定の際、印加できる最大の電流密度(A/cm)であり、その値が大きいほど、燃料電池としての性能が優れていることを示している。
(2) Maximum Output, Limiting Current Density For the polymer electrolyte fuel cell electrodes obtained in Examples and Comparative Examples, a single cell for evaluation fuel cell similar to (1) was prepared, and the maximum output density and limit The current density was measured. The maximum output density is the maximum value of the power generation output (mW / cm 2 ) obtained by multiplying the current density (A / cm 2 ) and the voltage (mV). The larger the value, the better the performance as a fuel cell. It shows that it is excellent. The limit current density is the maximum current density (A / cm 2 ) that can be applied during measurement, and the larger the value, the better the performance as a fuel cell.

(3)耐熱水浸漬後最大出力
(2)で用いた燃料電池用単セルについて、飽和水蒸気下で120℃の熱水につけ、オートクレーブで24時間含浸させた後の最大出力を測定した。
結果を表1に示した。
(3) Maximum output after immersion in heat-resistant water The maximum output of the single cell for fuel cell used in (2) was measured after being immersed in hot water at 120 ° C. under saturated steam and impregnated with an autoclave for 24 hours.
The results are shown in Table 1.

Figure 2006054176
Figure 2006054176

表1に示すように、実施例1〜3で得られた固体高分子形燃料電池用電極を用いた燃料電池は、最大出力密度と限界電流密度においても優れた値を示していることが分かる。 As shown in Table 1, it can be seen that the fuel cells using the polymer electrolyte fuel cell electrodes obtained in Examples 1 to 3 show excellent values even in the maximum output density and the limit current density. .

本発明によれば、耐熱性、耐薬品性に優れ、高温加湿状態でも安定的に機能する固体高分子形燃料電池を得ることが可能な固体高分子形燃料電池用電極、固体高分子形燃料電池用電極の製造方法及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the polymer electrolyte fuel cell electrode which can obtain the polymer electrolyte fuel cell which is excellent in heat resistance and chemical resistance, and functions stably also in a high temperature humidification state, a polymer electrolyte fuel A battery electrode manufacturing method and a polymer electrolyte fuel cell can be provided.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極の一例を示す模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. (1)は従来の固体高分子形燃料電池用電極の構成の概略を示し、(2)は本発明の固体高分子形燃料電池用電極の構成を示す概略図である。(1) is a schematic diagram showing the configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell electrode, and (2) is a schematic diagram showing the configuration of the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention. 実施例における撥水カーボンペーパーの作製手順を示す図である。It is a figure which shows the preparation procedures of the water repellent carbon paper in an Example. 固体高分子形燃料電池用電極の発電性能の評価方法を示す図である。It is a figure which shows the evaluation method of the electric power generation performance of the electrode for polymer electrolyte fuel cells. 実施例1の電極で構成した燃料電池の80℃における発電性能を示すグラフである。2 is a graph showing the power generation performance at 80 ° C. of the fuel cell configured with the electrodes of Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子形燃料電池用電極
2 多孔質伝導体(A)
3 触媒層(B)
4 ガス拡散層(C)
1 Electrode for polymer electrolyte fuel cell 2 Porous conductor (A)
3 Catalyst layer (B)
4 Gas diffusion layer (C)

Claims (16)

多孔質伝導体(A)と触媒層(B)とガス拡散層(C)とを有する固体高分子形燃料電池用電極であって、
触媒層(B)は、プロトン伝導体(B1)と、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)と、電子伝導性カーボン(B3)とからなり、
前記プロトン伝導体(B1)は、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と、金属−酸素結合からなる架橋構造体と共有結合で結合した酸基を有する酸基含有構造体(b)とからなる
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池用電極。
An electrode for a polymer electrolyte fuel cell having a porous conductor (A), a catalyst layer (B), and a gas diffusion layer (C),
The catalyst layer (B) comprises a proton conductor (B1), an electron conductive carbon (B2) carrying a catalyst, and an electron conductive carbon (B3).
The proton conductor (B1) includes a crosslinked structure (a) composed of a metal-oxygen bond, and an acid group-containing structure (b) having an acid group covalently bonded to the crosslinked structure composed of a metal-oxygen bond. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
架橋構造体(a)は、下記一般式(1)に示す構造を有することを特徴とする請求項1記載の固体高分子形燃料電池用電極。
Figure 2006054176
式(1)中、Xは架橋に関与する−O−結合又はOH基であり、Rはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基又はフェニル基を表し、nは0〜3の整数である。
The electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the crosslinked structure (a) has a structure represented by the following general formula (1).
Figure 2006054176
In Formula (1), X is an —O— bond or OH group involved in crosslinking, R 1 represents a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, or a phenyl group, and n is an integer of 0 to 3. is there.
nが0であることを特徴とする請求項2記載の固体高分子形燃料電池用電極。 3. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 2, wherein n is 0. 酸基含有構造体(b)は、下記化学式(2)に示す構造を有することを特徴とする請求項1、2又は3記載の固体高分子形燃料電池用電極。
Figure 2006054176
式(2)中、Xは架橋に関与する−O−結合又はOH基であり、Rはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基又はフェニル基、Rは酸基を含有する炭素数1〜50の有機基を表し、mは0〜2の整数である。
4. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 1, wherein the acid group-containing structure (b) has a structure represented by the following chemical formula (2).
Figure 2006054176
In formula (2), X is an —O— bond or OH group involved in crosslinking, R 2 is a methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group or phenyl group, and R 3 is a carbon number containing an acid group. The organic group of 1-50 is represented, m is an integer of 0-2.
mが0であることを特徴とする請求項4記載の固体高分子形燃料電池用電極。 5. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 4, wherein m is 0. は、下記一般式(3)に示す構造を有することを特徴とする請求項4又は5記載の固体高分子形燃料電池用電極。
Figure 2006054176
式(3)中、nは1〜20の整数である。
6. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 4, wherein R 3 has a structure represented by the following general formula (3).
Figure 2006054176
In formula (3), n is an integer of 1-20.
nが3であることを特徴とする請求項6記載の固体高分子形燃料電池用電極。 7. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 6, wherein n is 3. 酸基含有構造体(b)、又は、架橋構造体(a)及び酸基含有構造体(b)は、酸基含有オリゴマーであることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6又は7記載の固体高分子形燃料電池用電極。 The acid group-containing structure (b), or the crosslinked structure (a) and the acid group-containing structure (b) are acid group-containing oligomers. 6. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to 6 or 7. 触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)は、BET法で評価される比表面積が100〜1500m/gであることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載の固体高分子形燃料電池用電極。 The electron conductive carbon (B2) formed by supporting a catalyst has a specific surface area of 100 to 1500 m 2 / g evaluated by a BET method. 7. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to 7 or 8. 触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)は、DBP吸油量が50ml/100g以上であることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8又は9記載の固体高分子形燃料電池用電極。 10. The electron conductive carbon (B2) formed by supporting a catalyst has a DBP oil absorption of 50 ml / 100 g or more, 10, 9, 9, 9 or 9. Electrode for solid polymer fuel cell. 電子伝導性カーボン(B3)は、BET法で評価される比表面積が10m/g以上であることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10記載の固体高分子形燃料電池用電極。 The electron conductive carbon (B3) has a specific surface area evaluated by the BET method of 10 m 2 / g or more, characterized in that the electron conductive carbon (B3) is 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 11. The electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to 10. 電子伝導性カーボン(B3)は、DBP吸油量が50ml/100g以上であることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10又は11記載の固体高分子形燃料電池用電極。 The solid according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or 11, wherein the electron conductive carbon (B3) has a DBP oil absorption of 50 ml / 100 g or more. Polymer fuel cell electrode. 触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)に対して、電子伝導性カーボン(B3)をカーボン重量比で1倍以下含有することを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11又は12記載の固体高分子形燃料電池用電極。 The electron conductive carbon (B3) containing the catalyst is contained in an amount of not more than 1 time in terms of carbon weight with respect to the electron conductive carbon (B2). 6. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, 7, 8, 9, 10, 11 or 12. 多孔質伝導体(A)と触媒層(B)とガス拡散層(C)とを有する固体高分子形燃料電池用電極の製造方法であって、
触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)と、酸基含有構造体(b)とを混合してスラリーを作製する工程1、
前記スラリーに、金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)を混合し、ペーストを作製する工程2、
前記ペーストに電子伝導性カーボン(B3)を添加する工程3、
前記電子伝導性カーボン(B3)を添加したペーストをガス拡散層付多孔質伝導体上に塗布した後、プレスを行うことにより、触媒層(B)を形成する工程4、及び、
前記触媒層(B)を乾燥及び電極全体を熱プレスする工程5
を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell having a porous conductor (A), a catalyst layer (B), and a gas diffusion layer (C),
Step 1 for preparing a slurry by mixing the electron conductive carbon (B2) carrying the catalyst and the acid group-containing structure (b),
Step 2 in which the slurry is mixed with a crosslinked structure (a) composed of a metal-oxygen bond to produce a paste,
Step 3 of adding electron conductive carbon (B3) to the paste,
Step 4 of forming the catalyst layer (B) by applying a paste after applying the paste containing the electron conductive carbon (B3) on the porous conductor with a gas diffusion layer, and
Step 5 of drying the catalyst layer (B) and hot pressing the entire electrode
A method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
多孔質伝導体(A)と触媒層(B)とガス拡散層(C)とを有する固体高分子形燃料電池用電極の製造方法であって、
金属−酸素結合からなる架橋構造体(a)と、酸基含有構造体(b)とを混合してスラリーを作製する工程1、
前記スラリーに、触媒を担持してなる電子伝導性カーボン(B2)を混合し、ペーストを作製する工程2、
前記ペーストに電子伝導性カーボン(B3)を添加する工程3、
前記電子伝導性カーボン(B3)を添加したペーストをガス拡散層付多孔質伝導体上に塗布した後、プレスを行うことにより、触媒層(B)を形成する工程4、及び、
前記触媒層(B)を乾燥及び電極全体を熱プレスする工程5
を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell having a porous conductor (A), a catalyst layer (B), and a gas diffusion layer (C),
Step 1 in which a crosslinked structure (a) composed of a metal-oxygen bond and an acid group-containing structure (b) are mixed to produce a slurry,
Step 2 in which the slurry is mixed with an electron conductive carbon (B2) formed by supporting a catalyst to produce a paste.
Step 3 of adding electron conductive carbon (B3) to the paste,
Step 4 of forming the catalyst layer (B) by applying a paste after applying the paste containing the electron conductive carbon (B3) on the porous conductor with a gas diffusion layer, and
Step 5 of drying the catalyst layer (B) and hot pressing the entire electrode
A method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12又は13記載の固体高分子形燃料電池用電極を用いてなることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 A solid polymer type comprising the electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 or 13. Fuel cell.
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