JP2007026708A - Electrode catalyst layer - Google Patents

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JP2007026708A
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Kimihiko Yoshii
公彦 吉井
Toshitaka Otsuki
敏敬 大月
Kaoru Fukuda
薫 福田
Ryoichiro Takahashi
亮一郎 高橋
Hiroshi Shinkai
洋 新海
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Honda Motor Co Ltd
JSR Corp
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Honda Motor Co Ltd
JSR Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell that can produce a higher output from the same catalytic metal amount. <P>SOLUTION: The electrode catalyst layer for a solid polymer membrane-electrode assembly includes: a sulfonated polyarylene including a structural unit represented by formula (A) and a structural unit represented by formula (B); and a carbon material supporting metal. At least part of the carbon material is at least one kind selected from carbon nanofibers, carbon nanotubes, and fullerenes. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池などに用いられる、固体高分子膜-電極接合体の電極
触媒層に関するものである。
The present invention relates to an electrode catalyst layer of a solid polymer membrane-electrode assembly used for a polymer electrolyte fuel cell or the like.

燃料電池は、騒音をほとんど発生せず、低公害および高効率の観点でクリーンな発電装置として、近年特に注目されている。特に、固体高分子型と呼ばれる燃料電池は、小型で高出力が可能であるため、車載用途、定置用途、携帯機器用途などの実用化へ向けての研究が盛んになっている。   In recent years, fuel cells have attracted particular attention as clean power generators that generate little noise and have low pollution and high efficiency. In particular, since a fuel cell called a solid polymer type is small and capable of high output, research for practical use such as in-vehicle use, stationary use, and portable device use is actively conducted.

燃料電池の実用に耐える発電性能を得るためには、電極触媒として貴金属を用いる必要がある。この貴金属触媒の利用効率が低いことは、貴金属のコストの高さから燃料電池の普及に際して大きな課題の一つとなっており、触媒の利用効率を上昇させること等により、触媒使用量を低減することが求められている。また、実用化にあたっては、より高温で使用するほうが高出力を得ることができ、触媒使用量の低減が可能となる。   In order to obtain the power generation performance that can withstand the practical use of the fuel cell, it is necessary to use a noble metal as an electrode catalyst. The low utilization efficiency of this precious metal catalyst is one of the major issues in the spread of fuel cells due to the high cost of precious metals, and the amount of catalyst used can be reduced by increasing the utilization efficiency of the catalyst. Is required. In practical use, higher output can be obtained by using at a higher temperature, and the amount of catalyst used can be reduced.

貴金属触媒の利用効率の高い触媒金属担持材料の開発がさかんに行われている。例えば特許文献1では触媒金属担持材料にカーボンナノファイバーを用いることで、触媒の利用効率を高める手法が提示されている。しかし、電極触媒層中の結着剤としてNafion(商品名、デュポン社製)を用いており、耐熱性が低いため高温での発電は困難であった。
特開2002−83604号公報
Development of catalytic metal support materials with high utilization efficiency of noble metal catalysts has been actively conducted. For example, Patent Document 1 proposes a technique for increasing the utilization efficiency of a catalyst by using carbon nanofibers as a catalyst metal-supporting material. However, Nafion (trade name, manufactured by DuPont) is used as a binder in the electrode catalyst layer, and power generation at high temperatures is difficult due to low heat resistance.
JP 2002-83604 A

本発明の課題は、上記のような従来技術における課題を背景としてなされたものであって、電極触媒金属の利用効率を高め、高温下で使用することにより、同一の触媒金属量に対して、より高出力を得ることができる固体高分子型燃料電池用の電極触媒層を提供することにある。   The problem of the present invention was made against the background of the problems in the prior art as described above. By increasing the utilization efficiency of the electrode catalyst metal and using it at a high temperature, the same catalyst metal amount can be obtained. An object of the present invention is to provide an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell capable of obtaining a higher output.

本発明者らは高温かつ高加湿の条件における発電出力密度について鋭意検討したところ、アノード電極触媒層および前記カソード電極触媒層の少なくとも一方に、スルホン酸基を有するポリアリーレンからなるイオン伝導成分含有芳香族系ポリマーを結着剤として用いることで高温下での発電性能が大きく向上し、さらにこの電極触媒層においてナノカーボン材料を触媒金属担持材料として用いることで、触媒の利用効率が大きく改善することを見いだし、本発明を完成させるに至った。   The present inventors diligently examined the power generation output density under conditions of high temperature and high humidity, and found that at least one of the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer had an ion conductive component-containing fragrance comprising a polyarylene having a sulfonic acid group. Power generation performance at high temperatures is greatly improved by using a group-based polymer as a binder, and the use efficiency of the catalyst is greatly improved by using a nanocarbon material as a catalyst metal support material in this electrode catalyst layer. As a result, the present invention has been completed.

本発明によれば下記電極触媒層が提供されて、本発明の前記目的が達成される。
(1)下記一般式(A)で表される構造単位および下記一般式(B)で表される構造単位を含むスルホン酸基を有するポリアリーレンと、触媒金属を担持したカーボン材料とを含む固体高分子膜-電極接合体の電極触媒層であって、前記の触媒金属を担持したカーボ
ン材料の少なくとも一部が、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブおよびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種のナノカーボン材料に触媒金属が担持された触媒金属担持ナノカーボン材料であることを特徴とする電極触媒層;
According to the present invention, the following electrode catalyst layer is provided to achieve the object of the present invention.
(1) A solid comprising a polyarylene having a sulfonic acid group containing a structural unit represented by the following general formula (A) and a structural unit represented by the following general formula (B), and a carbon material supporting a catalyst metal An electrode catalyst layer of a polymer membrane-electrode assembly, wherein at least a part of the carbon material supporting the catalyst metal is at least one kind selected from the group consisting of carbon nanofibers, carbon nanotubes, and fullerenes An electrode catalyst layer, which is a catalytic metal-supported nanocarbon material in which a catalytic metal is supported on a carbon material;

Figure 2007026708
Figure 2007026708

(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)および−C(CF32−からなる群より選ばれた少な
くとも1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−および−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3
で表される置換基を有する芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10) and —C (CF 3 ) represents at least one structure selected from the group consisting of 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 represents at least one structure selected from the group consisting of —, —O— and —S—, and Ar represents —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H
The aromatic group which has a substituent represented by this is shown, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. )

Figure 2007026708
Figure 2007026708

(式中、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH
−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およ
びハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−および−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、
フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示し、s、tは0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。)。
(In the formula, A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH.
-, - COO -, - ( CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O— and —S—. Represents a structure, B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, a hydrogen atom,
A fluorine atom, an alkyl group, at least one atom or group selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, allyl group, aryl group, nitro group and nitrile group partially or wholly halogenated; t represents an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more. ).

(2)前記金属担持ナノカーボン材料が、触媒層中に20〜70重量%含まれることを特徴とする(1)に記載の電極触媒層。   (2) The electrode catalyst layer according to (1), wherein the metal-supported nanocarbon material is contained in an amount of 20 to 70% by weight in the catalyst layer.

本発明によれば、触媒の利用効率の高い電極触媒層を形成でき、この電極触媒層を有する固体高分子膜-電極接合体を用いた燃料電池は初期の電圧が高く、耐久性に優れている
According to the present invention, an electrode catalyst layer with high catalyst utilization efficiency can be formed, and a fuel cell using a solid polymer membrane-electrode assembly having this electrode catalyst layer has a high initial voltage and excellent durability. Yes.

以下、本発明に係る電極触媒層についてより詳細に説明する。
本発明に係る電極触媒層は、固体高分子膜-電極接合体の電極触媒層であって、イオン
伝導成分含有芳香族系ポリマーと、触媒金属を担持したカーボン材料とを含む電極触媒層であって、前記カーボン材料の少なくとも一部がナノカーボン材料であることを特徴としている。このナノカーボン材料は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブおよびフラーレンからなるナノカーボン材料の群より選択される少なくとも一種である。
Hereinafter, the electrode catalyst layer according to the present invention will be described in more detail.
The electrode catalyst layer according to the present invention is an electrode catalyst layer of a solid polymer membrane-electrode assembly, and is an electrode catalyst layer containing an ion-conducting component-containing aromatic polymer and a carbon material supporting a catalyst metal. Thus, at least a part of the carbon material is a nanocarbon material. This nanocarbon material is at least one selected from the group of nanocarbon materials consisting of carbon nanofibers, carbon nanotubes, and fullerenes.

本発明に係る電極触媒層に含まれる各成分について説明する。
(i)触媒金属を担持したカーボン材料
本発明で用いられる触媒金属としては、白金、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、貴金属触媒は合金、混合物など、2種類以上の元素が含まれるものであってもよい。
Each component contained in the electrode catalyst layer according to the present invention will be described.
(I) Carbon material carrying a catalyst metal As the catalyst metal used in the present invention, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, gold, ruthenium, iridium is preferably used. The noble metal catalyst may contain two or more kinds of elements such as alloys and mixtures.

上記触媒を担持するカーボン材料としては、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを用いることができる。   Examples of the carbon material that supports the catalyst include carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black, carbon nanofibers, carbon nanotubes, and fullerenes.

オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製デンカブラックなどの商標で市販されているものが挙げられる。   Oil furnace black includes Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Lion Ketjen Black EC, Mitsubishi Chemical Corporation # 3150. , # 3250, and the like, and examples of acetylene black include those marketed under trademarks such as Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo.

カーボンナノファイバーとしては、さまざまな直径を持つものを用いることができるが、直径50〜500nmの範囲のものが挙げられる。カーボンナノチューブとしては、広い意味でカーボンナノファイバーと同義に用いられる場合もあるが、通常は直径が一般に数ナノメートル以下、主に1〜2nm程度である。フラーレンはC60が一般によく用いられるが、C70等の炭素数の多いものを用いることもでき、構造の一部に開放端を持つものを挙げることもできる。   Carbon nanofibers having various diameters can be used, and those having a diameter in the range of 50 to 500 nm can be mentioned. The carbon nanotubes may be used synonymously with carbon nanofibers in a broad sense, but usually the diameter is generally several nanometers or less, mainly about 1 to 2 nm. C60 is generally used as the fullerene, but C70 or the like having a large number of carbon atoms such as C70 can also be used, and a structure having an open end as a part of the structure can also be mentioned.

また本発明で用いられるカーボン材料として、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などを用いることもできる。   Further, as the carbon material used in the present invention, artificial graphite or carbon obtained from an organic compound such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, or the like can also be used.

本発明で用いられる触媒金属を担持したカーボン材料に担持される金属触媒の担持量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、担持量がカーボン材料の重量に対して0.1〜9.0g−metal/g−carbon、好ましくは0.15〜2.4g−metal/g−carbonの範囲にあることが望ましい。   The supported amount of the metal catalyst supported on the carbon material supporting the catalyst metal used in the present invention is not particularly limited as long as it is an amount that can effectively exhibit catalytic activity. It is desirable to be in the range of 0.1 to 9.0 g-metal / g-carbon, preferably 0.15 to 2.4 g-metal / g-carbon based on weight.

(ii)イオン伝導成分含有芳香族系ポリマー
イオン伝導成分含有芳香族系ポリマーは、前記触媒を担持したカーボン材料を結着させるバインダー成分として働くとともに、燃料極では触媒上の反応によって発生したイオンをイオン伝導膜へ効率的に供給することが可能であり、また空気極ではイオン伝導膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給することが可能となる。
(Ii) Aromatic polymer containing ion-conducting component The aromatic polymer containing ion-conducting component serves as a binder component that binds the carbon material carrying the catalyst, and at the fuel electrode, ions generated by a reaction on the catalyst. It is possible to efficiently supply ions to the ion conductive membrane, and it is possible to efficiently supply ions supplied from the ion conductive membrane to the catalyst at the air electrode.

本発明で用いられるイオン伝導成分含有芳香族系ポリマーは、スルホン酸基からなるイオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)と、プロトン伝導成分を有さないポリマーセグメント(B)が共有結合しているブロック共重合体である。より好ましくは、該共重合体を形成する主鎖骨格が芳香環を結合基で共有結合させた構造を有するポリアリーレンであり、特に好ましくは、下記一般式(A)で表される構造単位と、下記一般式(B)で表される構造単位とを含む下記一般式(C)で表されるスルホン酸基を有するポリアリーレンである。このようなポリアリーレンを使用すると、より耐熱性の高く、機械的強度の高い電極触媒層を形成することができる。   In the ion-conducting component-containing aromatic polymer used in the present invention, a polymer segment (A) having an ion-conducting component composed of a sulfonic acid group and a polymer segment (B) having no proton-conducting component are covalently bonded. It is a block copolymer. More preferably, the main chain skeleton forming the copolymer is a polyarylene having a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a linking group, and particularly preferably a structural unit represented by the following general formula (A): And a polyarylene having a sulfonic acid group represented by the following general formula (C) including a structural unit represented by the following general formula (B). When such polyarylene is used, an electrode catalyst layer having higher heat resistance and higher mechanical strength can be formed.

本発明に使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、下記一般式(A)で表されるスルホン酸基を有する構造単位と、下記一般式(B)で表されるスルホン酸基を有さない構造単位とを含むことが特徴であり、下記一般式(C)で表される重合体である。   The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention has a structural unit having a sulfonic acid group represented by the following general formula (A) and a sulfonic acid group represented by the following general formula (B). And a polymer represented by the following general formula (C).

<スルホン酸基を有する構造単位>   <Structural unit having sulfonic acid group>

Figure 2007026708
Figure 2007026708

一般式(A)において、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−CO
O−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)および−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち、−CO−、−SO2−が好ましい
In the general formula (A), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —CO.
It represents at least one structure selected from the group consisting of O—, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10) and —C (CF 3 ) 2 —. Of these, —CO— and —SO 2 — are preferable.

Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−および−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち直接結合、−O−が好ましい。 Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O— and —S—. The structure of the species is shown. Among these, a direct bond and -O- are preferable.

Arは−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置
換基(pは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す。
芳香族基として具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。−SO3
H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基(pは1〜12の整数を示す)は、芳香族基に少なくとも1個置換されていることが必要であり、芳香族基がナフチル基である場合には2個以上置換していることが好ましい。
Ar is an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). Indicates.
Specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. -SO 3
The substituent represented by H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12) is substituted with at least one aromatic group. When the aromatic group is a naphthyl group, it is preferable that two or more are substituted.

mは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは1〜4の整数を示す。
m、nの値とY、Z、Arの構造についての好ましい組み合わせとして、
(1)m=0、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有
するフェニル基である構造、
(2)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(3)m=1、n=1、k=1であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(4)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として2個の−SO3
Hを有するナフチル基である構造、
(5)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−O(CH24SO3Hを有するフェニル基である構造などを挙げることができる。
m is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k is an integer of 1 to 4.
As a preferable combination of the values of m and n and the structures of Y, Z and Ar,
(1) a structure in which m = 0, n = 0, Y is —CO—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(2) a structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(3) a structure in which m = 1, n = 1, k = 1, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(4) a m = 1, n = 0, Y is -CO-, 2 pieces of -SO 3 as Ar is a substituted group
A structure which is a naphthyl group having H,
(5) m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —O (CH 2 ) 4 SO 3 H as a substituent. Examples include structures.

<スルホン酸基を有さない構造単位>   <Structural unit without sulfonic acid group>

Figure 2007026708
Figure 2007026708

一般式(B)において、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−S
O−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(
CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香
族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−および−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ここで、−CR'2−で表される構造の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基などが挙げられる。
In the general formula (B), A and D are independently a direct bond or —CO—, —SO 2 —, —S.
O -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (
CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' represents an aliphatic hydrocarbon group, aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene And at least one structure selected from the group consisting of a group, a fluorenylidene group, -O- and -S-. Here, specific examples of the structure represented by —CR ′ 2 — include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group. Group, octadecyl group, phenyl group, trifluoromethyl group and the like.

これらのうち、直接結合または、−CO−、−SO2−、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基および−O−が好ましい。 Among these, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene Group, fluorenylidene group and -O- are preferred.

Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、酸素原子が好ましい。
1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル
基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which a part or all of them are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of

アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基などが挙げられる。ハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられる。アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。   Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, and an octyl group. Examples of the halogenated alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

s、tは0〜4の整数を示す。rは0または1以上の整数を示し、上限は通常100、好ましくは1〜80である。
s、tの値と、A、B、D、R1〜R16の構造についての好ましい組み合わせとしては

(1)s=1、t=1であり、Aが−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水
素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基またはフルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または−SO2−であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、
(2)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または−SO2−であ
り、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、
(3)s=0、t=1であり、Aが−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水
素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基またはフルオレニリデン基、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水素原子、フッ素原子またはニトリル基である
構造が挙げられる。
s and t represent an integer of 0 to 4. r shows 0 or an integer greater than or equal to 1, and an upper limit is 100 normally, Preferably it is 1-80.
Preferred combinations of the values of s and t and the structures of A, B, D, and R 1 to R 16 are as follows:
(1) s = 1, t = 1, and A is —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group or A structure which is a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom,
(2) a structure in which s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(3) s = 0, t = 1, and A is —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group or Examples include a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom, or a nitrile group.

<ポリマー構造>   <Polymer structure>

Figure 2007026708
Figure 2007026708

一般式(C)において、A、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R16は、それぞれ上記一般式(A)および(B)中のA、B、D、Y、Z、Ar、k
、m、n、r、s、tおよびR1〜R16と同義である。x、yはx+y=100モル%と
した場合のモル比を示す。
In the general formula (C), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t, and R 1 to R 16 are respectively in the general formulas (A) and (B). A, B, D, Y, Z, Ar, k
, M, n, r, s, t, and R 1 to R 16 . x and y represent molar ratios when x + y = 100 mol%.

本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、式(A)で表される構造単位すなわちxのユニットを0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で、式(B)で表される構造単位すなわちyのユニットを99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。   In the polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention, the structural unit represented by the formula (A), that is, the unit of x is 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99.999 mol%, The structural unit represented by the formula (B), that is, the unit of y is contained in a ratio of 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.

<ポリマーの製造方法>
スルホン酸基を有するポリアリーレンの製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法などの方法を用いることができる。
<Method for producing polymer>
For the production of a polyarylene having a sulfonic acid group, for example, the following methods A, B, C and the like can be used.

(A法)
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
(Method A)
For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be a structural unit represented by the general formula (A), and a structural unit represented by the general formula (B) A polyarylene having a sulfonic acid ester group is produced by copolymerization with a monomer or oligomer that can be synthesized, and the sulfonic acid ester group is deesterified, and then the sulfonic acid ester group is converted into a sulfonic acid group. be able to.

(B法)
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、この重合体をスルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。
(Method B)
For example, in the method described in JP-A No. 2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the general formula (A) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group, and the general formula (B) It can also be synthesized by copolymerizing a monomer or oligomer that can be a structural unit represented, and sulfonating the polymer using a sulfonating agent.

(C法)
一般式(A)において、Arが−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特開2005−60625号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(Method C)
In the general formula (A), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, for example, A precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A) and a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (B) by the method described in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-60625 Can be synthesized by a method in which an alkylsulfonic acid or a fluorine-substituted alkylsulfonic acid is introduced.

(A法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりう
るスルホン酸エステル基を有するモノマーの具体的な例として、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。
Specific examples of the monomer having a sulfonate group that can be used in (Method A) and can be the structural unit represented by the above general formula (A) are disclosed in JP-A Nos. 2004-137444 and 2004-2004. Examples thereof include sulfonic acid esters described in Japanese Patent Nos. 3459997 and 2004-346163.

(B法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241号公報、特開2002−293889号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。   As a specific example of a monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the above general formula (A) that can be used in (Method B), JP-A-2001-342241 Examples thereof include dihalides described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-293889.

(C法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーの具体的な例として、特開2005−36125号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。   Specific examples of precursor monomers that can be used in (Method C) and can be structural units represented by the above general formula (A) include dihalides described in JP-A-2005-36125. Can be mentioned.

また、いずれの方法においても用いられる、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの具体的な例として、
r=0の場合、例えば4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンズアニリド、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−
クロロフェニルエステル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。これらの化合物に
おいて塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物などが挙げられる。
In addition, as a specific example of a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (B) used in any method,
When r = 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) -1, 1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-
Examples include chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, and 2,6-dichlorobenzonitrile. In these compounds, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom is exemplified.

r=1の場合、例えば特開2003−113136号公報に記載の化合物を挙げることができる。
r≧2の場合、例えば特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特開2005−112985号公報、に記載の化合物を挙げることができる。
In the case of r = 1, for example, compounds described in JP-A-2003-113136 can be exemplified.
In the case of r ≧ 2, for example, compounds described in JP-A Nos. 2004-137444, 2004-244517, and 2005-112985 can be exemplified.

スルホン酸基を有するポリアリーレンを得るためは、まず、これらの、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。   In order to obtain a polyarylene having a sulfonic acid group, first, a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A) and a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (B), Alternatively, it is necessary to copolymerize with an oligomer to obtain a precursor polyarylene. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. This catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (2) a reducing agent as essential components, and further increase the polymerization rate. Therefore, “salt” may be added.

これらの触媒成分の具体的な例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241号公報に記載の化合物を挙げることができる。   Specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the polymerization conditions such as the reaction solvent, concentration, temperature, time, etc. include the compounds described in JP-A No. 2001-342241.

スルホン酸基を有するポリアリーレンは、この前駆体のポリアリーレンを、スルホン酸基を有するポリアリーレンに変換して得ることができる。この方法としては、下記のA法、B法、C法などの方法がある。   The polyarylene having a sulfonic acid group can be obtained by converting the precursor polyarylene into a polyarylene having a sulfonic acid group. Examples of this method include the following methods A, B, and C.

(A法)
前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法。
(Method A)
A method of deesterifying a polyarylene having a sulfonate group of a precursor by a method described in JP-A-2004-137444.

(B法)
前駆体のポリアリーレンを、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホ
ン化する方法。
(Method B)
A method of sulfonating a precursor polyarylene by a method described in JP-A No. 2001-342241.

(C法)
前駆体のポリアリーレンに、特開2005−60625号公報に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。
(Method C)
A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene by the method described in JP-A-2005-60625.

上記のような方法により製造される、一般式(C)で表されるスルホン酸基を有するポリアリーレンのイオン交換容量は、通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがあるため好ましくない。   The ion exchange capacity of the polyarylene having a sulfonic acid group represented by the general formula (C) produced by the method as described above is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g. More preferably, it is 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered, which is not preferable.

上記のイオン交換容量は、例えば一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。   The ion exchange capacity is, for example, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A), a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (B), or the kind of oligomer, and the use ratio. It can be adjusted by changing the combination.

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
(電極触媒層の製造方法)
(電極ペーストの調製)
本発明に係る電極触媒層の製造方法としては、特に限定されることはないが、例えば前記の触媒金属を担持したカーボン材料と、前記のイオン伝導成分含有芳香族系ポリマーとを用いて調製した電極ペースト組成物を用いて、電極基材、転写基材、またはイオン導電膜上に塗布し、乾燥して電極触媒層を作製する方法を挙げることができる。
The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).
(Method for producing electrode catalyst layer)
(Preparation of electrode paste)
The method for producing the electrode catalyst layer according to the present invention is not particularly limited. For example, the electrode catalyst layer is prepared using the carbon material supporting the catalyst metal and the ion-conducting component-containing aromatic polymer. A method for preparing an electrode catalyst layer by applying the electrode paste composition onto an electrode substrate, a transfer substrate, or an ionic conductive film and drying it can be mentioned.

上記の電極ペースト組成物の調製方法は特に限定はされないが、例えば前記触媒金属を担持したカーボン材料と、前記イオン伝導成分含有芳香族系ポリマーとを、従来公知の方法で混練することにより調製される。   The method for preparing the electrode paste composition is not particularly limited. For example, the electrode paste composition is prepared by kneading the carbon material supporting the catalyst metal and the ion conductive component-containing aromatic polymer by a conventionally known method. The

各成分の混合順序は特定に限定されないが、例えば全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、有機溶媒や水の量を調整して、組成物の粘度を調整してもよい。   Although the mixing order of each component is not specifically limited, for example, all components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then a dispersant is added as necessary. It is preferable to add and to stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of an organic solvent and water as needed, and may adjust the viscosity of a composition.

上記の塗布方法としては、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などがあり、他の基材(転写基材)上に塗布して触媒電極をいったん形成した後、電極基材またはイオン伝導膜に転写してもよい。この場合の転写基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のシート、または表面を離型剤処理したガラス板や金属板なども用いることができる。   Examples of the coating method include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, spray coating, and the like. The catalyst electrode is coated on another substrate (transfer substrate). Once formed, it may be transferred to an electrode substrate or an ion conductive membrane. As the transfer substrate in this case, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet or a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a release agent can be used.

上記の電極基材としては、燃料電池に一般に用いられる電極基材が特に限定されることなく用いられる。例えば、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどが挙げられ、この導電性物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛および膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。導電性物質の形態は繊維状または粒子状など特に限定されないが、繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートとしては、織布または不織布いずれの構造も使用可能である。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ
法、メルトブロー法などの方法で製造されたものが特に限定されること無く用いられる。また無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートは編物であっても構わない。
As said electrode base material, the electrode base material generally used for a fuel cell is used without being specifically limited. For example, a porous conductive sheet having a conductive material as a main constituent material can be mentioned. Examples of the conductive material include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, a carbon material such as graphite and expanded graphite, stainless steel, and the like. Examples include steel, molybdenum, and titanium. The form of the conductive material is not particularly limited, such as fibrous or particulate, but a fibrous conductive inorganic substance (inorganic conductive fiber), particularly carbon fiber is preferable. As a porous conductive sheet using inorganic conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. As the woven fabric, plain weaving, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving and the like are not particularly limited. Moreover, as a nonwoven fabric, what was manufactured by methods, such as a papermaking method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, a melt blow method, is used, without being specifically limited. The porous conductive sheet using inorganic conductive fibers may be a knitted fabric.

これらの布帛として特に炭素繊維を用いる場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化または黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工をした後に炭化または黒鉛化した不織布、耐炎化糸または炭化糸または黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましい。例えば、東レ製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが好ましく用いられる。   In particular, when carbon fibers are used as these fabrics, a woven fabric obtained by carbonizing or graphitizing a plain woven fabric using flame-resistant spun yarn, or carbonizing or non-woven fabric after processing the flame-resistant yarn by a needle punch method or a water jet punch method. A graphitized non-woven fabric, a mat non-woven fabric by a paper making method using a flame-resistant yarn, a carbonized yarn or a graphitized yarn is preferable. For example, Toray carbon paper TGP series, SO series, E-TEK carbon cloth, etc. are preferably used.

多孔質導電シートには、導電性向上のために補助剤としてカーボンブラックなどの導電性粒子や、炭素繊維などの導電性繊維を添加することも好ましい実施態様である。
プロトン伝導膜上に形成する場合としては、公知にイオン伝導膜であれば特に制限されるものではないが、スルホン酸基を有するポリアリーレンなどの耐熱性に優れたポリマーからなるイオン伝導膜上に形成することが好適である。
It is also a preferred embodiment that conductive particles such as carbon black or conductive fibers such as carbon fibers are added to the porous conductive sheet as an auxiliary agent in order to improve conductivity.
The formation on the proton conductive membrane is not particularly limited as long as it is a known ion conductive membrane, but on the ion conductive membrane made of a polymer having excellent heat resistance such as polyarylene having a sulfonic acid group. It is preferable to form.

塗布された塗膜の厚さ(すなわち触媒電極の厚さ)としては特に制限されるものではないが、触媒として担持された金属が、コーティングの単位表面積当り、0.05〜4.0mg/cm2、好ましくは0.1〜2.0mg/cm2の範囲にあることが望ましい。 The thickness of the applied coating film (i.e., the thickness of the catalyst electrode) is not particularly limited, but the metal supported as a catalyst is 0.05 to 4.0 mg / cm per unit surface area of the coating. 2 , preferably in the range of 0.1 to 2.0 mg / cm 2 .

この範囲にあれば充分に高い触媒活性が発揮され、また、効率的にプロトンを取り出すことができる。
このようにして得られた電極触媒層中に含まれる触媒金属を担持したカーボン材料は、ナノカーボン材料以外のカーボン材料に触媒が担持された触媒金属担持カーボン材料と、触媒金属担持ナノカーボン材料との混合物であってもよいが、触媒金属担持ナノカーボン材料のみであることが好ましい。電極触媒層中には、触媒金属担持ナノカーボン材料が20〜70重量%、好ましくは30〜70重量%含まれることが好ましい。
Within this range, sufficiently high catalytic activity is exhibited, and protons can be extracted efficiently.
The carbon material carrying the catalyst metal contained in the electrode catalyst layer thus obtained includes a catalyst metal-carrying carbon material in which a catalyst is carried on a carbon material other than the nanocarbon material, a catalyst metal-carrying nanocarbon material, The catalyst metal-supporting nanocarbon material is preferable. The electrode catalyst layer contains 20 to 70% by weight, preferably 30 to 70% by weight of the catalyst metal-supported nanocarbon material.

電極触媒層中に金属担持ナノカーボン材料が、上記のような量で含まれると、触媒の利用効率が上昇し、初期の電圧が高くなる。また、長期間使用しても、電圧低下がほとんどなく、優れた耐久性を有する。   When the metal-supported nanocarbon material is contained in the electrode catalyst layer in the above amount, the utilization efficiency of the catalyst is increased and the initial voltage is increased. Moreover, even if it is used for a long time, there is almost no voltage drop and it has excellent durability.

(有機溶剤)
前記電極ペースト組成物の調製に用いる有機溶剤としては、特に限定されることはないが、好ましくは、沸点(b.p.)が75〜250℃の範囲にあり、かつ−O−、−OH、−CO−、−SO−、−SO2−、−COO−、−CONR−(Rは、水素原子、炭化水
素基)からなる基を少なくとも1種類以上有する有機溶剤を用いることができる。
(Organic solvent)
The organic solvent used for the preparation of the electrode paste composition is not particularly limited, but preferably has a boiling point (b.p.) in the range of 75 to 250 ° C, and -O-, -OH. , —CO—, —SO—, —SO 2 —, —COO—, —CONR— (wherein R represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group), an organic solvent having at least one group can be used.

上記有機溶剤の沸点が上記範囲未満であると、電極用ペーストの乾燥性が速く、ダイのノズルが詰まり易い等の現象により、塗工時の生産性が低下することがあり、一方、上記有機溶媒の沸点が上記範囲を越えると、溶媒の除去が困難となり、電極中の細孔が閉塞し、発電性能が低下することがある。   When the boiling point of the organic solvent is less than the above range, productivity of the coating may decrease due to a phenomenon such as fast drying of the electrode paste and easy clogging of the die nozzle. When the boiling point of the solvent exceeds the above range, removal of the solvent becomes difficult, pores in the electrode are blocked, and power generation performance may be reduced.

上記有機溶剤の具体例としては、エタノール(b.p.78.3℃)、n−プロピルアルコール(b.p.97℃)、2−プロパノール(b.p.82.4℃)、2−メチル−2−プロパノール(b.p.82.5℃)、2−ブタノール(b.p.99.5℃)、n−ブチルアルコール(b.p.117℃)、2−メチル−1−プロパノール(b.p.108℃)、1−ペンタノール(b.p.138℃)、2−ペンタノール(b.p.119℃)、3−ペンタノール(b.p.115℃)、2−メチル−1−ブタノール(b.p.129℃)、3−メチル−1−ブタノール(b.p.131℃)、2−メチル−2−ブタノール(b.p.102℃)
、3−メチル−2−ブタノール(b.p.112℃)、2,2−ジメチル1−プロパノール
(b.p.113℃)、シクロヘキサノール(b.p.161℃)、1−ヘキサノール(b.
p.157℃)、2−メチル−1−ペンタノール(b.p.148℃)、2−メチル−2−
ペンタノール(b.p.121℃)、4−メチル−2−ペンタノール(b.p.132℃)、2−エチル−1−ブタノール(b.p.147℃)、1−メチルシクロヘキサノール(b.
p.156)、2−メチルシクロヘキサノール(b.p.168℃)、3−メチルシクロヘ
キサノール(b.p.168℃)、4−メチルシクロヘキサノール(b.p.171℃)、1−オクタノール(bp.195℃)、2−オクタノール(b.p.180℃)、2−エチル−1−ヘキサノール(b.p.184℃)、ジオキサン(b.p.101℃)、ブチルエーテル(b.p.140℃)、フェニルエーテル(b.p.187℃)、イソペンチルエーテル(b.p.173℃)、1,2−ジメトキシエタン(b.p.85.2℃)、ジエトキシエタン
(b.p.102℃)、ビス(2−メトキシエチル)エーテル(b.p.160℃)、ビス(2−エトキシエチル)エーテル(b.p.189℃)、シネオール(b.p.176℃)、ベンジルエチルエーテル(b.p.185℃)、アニソール(b.p.154℃)、フェネトール(b.p.170℃)、アセタール(b.p.104℃)、メチルエチルケトン(b.p.79.6℃)、2−ペンタノン(b.p.102℃)、3−ペンタノン(b.p.102℃)、シクロペンタノン(b.p.131℃)、シクロヘキサノン(b.p.156℃)、2−ヘキサノン(b.p.128℃)、4−メチル−2−ペンタノン(b.p.117℃、)、2−ヘプタノン(b.p.151℃)、2,4−ジメチル−3−ペンタノン(b.p.125℃)、
2−オクタノン(b.p.173℃)、γ−ブチロラクトン(b.p.204℃)、酢酸−n−ブチル(b.p.126℃)、酢酸イソブチル(b.p.126℃)、酢酸sec-ブチル(b.p.112℃)、酢酸ペンチル(b.p.150℃)、酢酸イソペンチル(b.p.142℃)、3−メトキシブチルアセタート(b.p.173℃)、酪酸メチル(b.p.102℃)、酪酸エチル(b.p.121℃)、乳酸メチル(b.p.145℃)、乳酸エチル(b.p.155℃)、乳酸ブチル(b.p.185℃)、2−メトキシエタノール(b.p.125℃)、2−エトキシエタノール(b.p.136℃)、2−(メトキシメトキシ)エタノール(b.p.168℃)、2−イソプロポキシエタノール(b.p.142℃)、1−メトキシ−2−プロパノール(b.p.120℃)、1−エトキシ−2−プロパノール(b.p.132℃)、ジメチルスルホキシド(b.p.189℃)、N−メチルホルムアミド(b.p.185℃)、N,N−ジメチルホルムアミド(b.p.153℃)、N,N−ジエチルホルムアミド(b.p.178℃)、N,N−ジメチルアセトアミド(b.p.166℃)、N−メチ
ル−2−ピロリドン(b.p.202℃)、テトラメチル尿素(b.p.177.5℃)などを挙げることができ、これらは2種類以上を組み合わせて用いることもできる。
Specific examples of the organic solvent include ethanol (bp 78.3 ° C), n-propyl alcohol (bp 97 ° C), 2-propanol (bp 82.4 ° C), 2- Methyl-2-propanol (bp 82.5 ° C.), 2-butanol (bp 99.5 ° C.), n-butyl alcohol (bp 117 ° C.), 2-methyl-1-propanol (Bp 108 ° C), 1-pentanol (bp 138 ° C), 2-pentanol (bp 119 ° C), 3-pentanol (bp 115 ° C), 2- Methyl-1-butanol (bp 129 ° C.), 3-methyl-1-butanol (bp 131 ° C.), 2-methyl-2-butanol (bp 102 ° C.)
3-methyl-2-butanol (bp 112 ° C), 2,2-dimethyl 1-propanol (bp 113 ° C), cyclohexanol (bp 161 ° C), 1-hexanol (b .
p.157 ° C.), 2-methyl-1-pentanol (bp 148 ° C.), 2-methyl-2-
Pentanol (bp 121 ° C), 4-methyl-2-pentanol (bp 132 ° C), 2-ethyl-1-butanol (bp 147 ° C), 1-methylcyclohexanol ( b.
156), 2-methylcyclohexanol (bp 168 ° C), 3-methylcyclohexanol (bp 168 ° C), 4-methylcyclohexanol (bp 171 ° C), 1-octanol (Bp. 195 ° C), 2-octanol (bp 180 ° C), 2-ethyl-1-hexanol (bp 184 ° C), dioxane (bp 101 ° C), butyl ether (bp 140 ° C), phenyl ether (bp 187 ° C), isopentyl ether (bp 173 ° C), 1,2-dimethoxyethane (bp 85.2 ° C), diethoxyethane (b p.102 ° C), bis (2-methoxyethyl) ether (bp 160 ° C), bis (2-ethoxyethyl) ether (bp 189 ° C), cineol (bp 176 ° C) , Benzyl ethyl ether (bp 185 ° C.) Anisole (bp 154 ° C), phenetole (bp 170 ° C), acetal (bp 104 ° C), methyl ethyl ketone (bp 79.6 ° C), 2-pentanone (bp 102 ° C), 3-pentanone (bp 102 ° C), cyclopentanone (bp 131 ° C), cyclohexanone (bp 156 ° C), 2-hexanone (bp 128 ° C), 4-methyl-2-pentanone (bp 117 ° C.), 2-heptanone (bp 151 ° C.), 2,4-dimethyl-3-pentanone (bp 125 ° C.),
2-octanone (bp 173 ° C.), γ-butyrolactone (bp 204 ° C.), n-butyl acetate (bp 126 ° C.), isobutyl acetate (bp 126 ° C.), acetic acid sec-butyl (bp 112 ° C), pentyl acetate (bp 150 ° C), isopentyl acetate (bp 142 ° C), 3-methoxybutyl acetate (bp 173 ° C), butyric acid Methyl (bp 102 ° C), ethyl butyrate (bp 121 ° C), methyl lactate (bp 145 ° C), ethyl lactate (bp 155 ° C), butyl lactate (bp 185 ° C), 2-methoxyethanol (bp 125 ° C), 2-ethoxyethanol (bp 136 ° C), 2- (methoxymethoxy) ethanol (bp 168 ° C), 2-isopropoxy Ethanol (bp 142 ° C), 1-methoxy-2-propanol (bp 120 ° C), 1 Ethoxy-2-propanol (bp 132 ° C), dimethyl sulfoxide (bp 189 ° C), N-methylformamide (bp 185 ° C), N, N-dimethylformamide (bp 153) ), N, N-diethylformamide (bp 178 ° C.), N, N-dimethylacetamide (bp 166 ° C.), N-methyl-2-pyrrolidone (bp 202 ° C.), tetra Examples include methylurea (bp 177.5 ° C.), and two or more of these can be used in combination.

上記有機溶剤の使用割合は、電極ペースト組成部中において重量比で5重量%〜95重量%、好ましくは15重量%〜90重量%であることが望ましい。
有機溶剤の使用割合が、上記範囲内にあると、発電に必要な電極中の細孔容積が十分確保できる。また上記範囲にあれば、組成物がペースト状となりハンドリングに好適である。
The organic solvent is used in an amount of 5% to 95% by weight, preferably 15% to 90% by weight in the electrode paste composition.
When the use ratio of the organic solvent is within the above range, a sufficient pore volume in the electrode necessary for power generation can be secured. Moreover, if it exists in the said range, a composition will become a paste-form and is suitable for handling.

(水)
上記電極ペースト組成物は、必要に応じて水を添加することができる。水としては、蒸留水、イオン交換水等を挙げることができる。水の添加により、電極ペースト調製時の発熱を低減する効果がある。水の使用割合は、電極ペースト組成中において重量比で0重量%〜70重量%、好ましくは2重量%〜30重量%である。水の使用割合が、前記範囲内であると電極ペースト作製時の発熱を効率的に低減できる。
(water)
Water may be added to the electrode paste composition as necessary. Examples of water include distilled water and ion exchange water. The addition of water has the effect of reducing heat generation during electrode paste preparation. The proportion of water used is 0 to 70% by weight, preferably 2 to 30% by weight in the electrode paste composition. When the ratio of water used is within the above range, heat generation during electrode paste production can be efficiently reduced.

また、前記有機溶媒および水の除去は、乾燥温度20℃〜180℃、好ましくは50℃〜160℃、乾燥時間5分〜600分、好ましくは30分〜400分で行う。前記有機溶媒の除去は必要に応じて、水浸漬により除去することもできる。水浸漬温度5℃〜120
℃、好ましくは15℃〜95℃、水浸漬時間は1分〜72時間、好ましくは5分〜48時間である。
The organic solvent and water are removed at a drying temperature of 20 ° C. to 180 ° C., preferably 50 ° C. to 160 ° C., and a drying time of 5 minutes to 600 minutes, preferably 30 minutes to 400 minutes. The organic solvent can be removed by water immersion as necessary. Water immersion temperature 5 ° C to 120 ° C
° C, preferably 15 ° C to 95 ° C, and the water immersion time is 1 minute to 72 hours, preferably 5 minutes to 48 hours.

(分散剤)
本発明に係る電極触媒層作製用の電極ペースト組成物は、必要に応じて分散剤を添加することができる。電極用ペースト組成物に分散剤を添加すると、電極用ペーストの分散性、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。
(Dispersant)
The electrode paste composition for producing an electrode catalyst layer according to the present invention may contain a dispersant as required. When a dispersant is added to the electrode paste composition, the electrode paste is excellent in dispersibility, storage stability and fluidity, and productivity during coating is improved.

上記分散剤としては、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成燐酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等のアニオン界面活性剤;ベンジルジメチル{2−[2−(p−1,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキシ)エトオキシ]エチル}
アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル−2−牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニル−ヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物等のカチオン界面活性剤;ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω−フルオロア
クカノイル−N−エチルアミノ]−1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]−N,N−ジメチルーN−カルボキシメチレンアンモニウムベタイン等の両性界面活性剤;およびヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エス
テル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステル等の非イオン界面活性剤などを挙げることができ、これらは2種類以上を組み合わせて用いることもでき、好ましくは塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性もしくは、カチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは、分子量5千〜3万の界面活性剤である。
Examples of the dispersant include oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, amine of special modified polyether ester acid Salts, amine salts of higher fatty acid derivatives, amine salts of specially modified polyester acids, amine salts of high molecular weight polyetherester acids, amine salts of specially modified phosphoric acid esters, high molecular weight polyester acid amidoamine salts, amidoamine salts of special fatty acid derivatives, higher Fatty acid alkylamine salts, high molecular weight polycarboxylic acid amidoamine salts, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate sodium lauryl sulfate, sodium cetyl sulfate Salt, sodium stearyl sulfate, sodium oleyl sulfate, lauryl ether sulfate, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, higher alcohol phosphate monoester disodium salt, higher Anionic surfactants such as alcohol sodium diester disodium salt and zinc dialkyldithiophosphate; benzyldimethyl {2- [2- (p-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl}
Ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzylammonium chloride Tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethylimidazoline, stearamide ethyl diethylamine acetate, stearer Doethyldiethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkyl amine ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, perfluoroalkyl quaternary ammonium iodide, etc. Cationic surfactants: dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3- [ω-fluoro Accanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonate sodium, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl -Amphoteric surfactants such as N-carboxymethylene ammonium betaine; and coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), bovine fatty acid Diethanolamide (1: 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol palm amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine , Polyethylene glycol dioleylamine, dimethyl lauryl amine oxide, dimethyl stearyl amine oxide, dihydroxyethyl lauryl amine oxide, perfluoro Alkylamine oxide, polyvinylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid ester of pentaerythrit, fatty acid ester of sorbit, Nonionic surfactants such as fatty acid esters of sorbitan, fatty acid esters of sugar, etc. can be mentioned, and these can be used in combination of two or more, preferably surfactants having a basic group, and more An anionic or cationic surfactant is preferable, and a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000 is more preferable.

上記分散剤の使用割合は、電極ペースト組成物中において重量比で0重量%〜10重量%、好ましくは0重量%〜2重量%である。
分散剤の使用割合が上記範囲内にあると、分散性、保存安定性および流動性に優れた電極ペーストが得られる。
The use ratio of the dispersant is 0 to 10% by weight, preferably 0 to 2% by weight in the electrode paste composition.
When the use ratio of the dispersant is within the above range, an electrode paste excellent in dispersibility, storage stability and fluidity can be obtained.

(炭素繊維)
前記電極ペースト組成物は、必要に応じて炭素繊維を添加することができる。本発明で用いられる炭素繊維としては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバー系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等を挙げることができ、好ましくは、気相成長炭素繊維である。電極ペースト組成物に炭素繊維を添加すると、電極中の細孔容積が増大し、ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディング現象を改善でき、発電性能が向上する。
(Carbon fiber)
Carbon fiber can be added to the electrode paste composition as necessary. Examples of the carbon fiber used in the present invention include rayon-based carbon fiber, PAN-based carbon fiber, lignin pover-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, and vapor-grown carbon fiber, and preferably vapor-grown carbon fiber. It is. When carbon fiber is added to the electrode paste composition, the pore volume in the electrode is increased, the gas diffusibility is improved, and the flooding phenomenon due to the generated water can be improved, and the power generation performance is improved.

なお、電極ペースト組成物において、イオン伝導成分含有芳香族系ポリマーは、重量比で0.5重量%〜50重量%、好ましくは1重量%〜40重量%であることが望ましい。
イオン伝導成分含有芳香族系ポリマーの使用割合が、上記範囲未満であると、バインダーとしての役割を果たせなくなり、触媒電極を形成できない。また、上記範囲より大きいと、触媒電極中の細孔容積が減少し、十分な発電性能が得られない。
In the electrode paste composition, the ion conductive component-containing aromatic polymer is desirably 0.5 to 50% by weight, preferably 1 to 40% by weight.
When the proportion of the ion-conducting component-containing aromatic polymer is less than the above range, it cannot function as a binder and a catalyst electrode cannot be formed. On the other hand, if it is larger than the above range, the pore volume in the catalyst electrode decreases, and sufficient power generation performance cannot be obtained.

[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、スルホン酸当量、分子量の測定、燃料電池の作成および性能の評価は以下のようにして求めた。
1.スルホン酸当量
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からスルホン酸当量を求めた。
2.分子量の測定
スルホン酸基を有しないポリアリーレンの分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。
3.燃料電池の作成および性能の評価
後述する合成例1のポリマーからなる膜厚50μmの膜を1枚用意し、2枚の撥水処理カーボンペーパー上に形成された電極触媒層で挟み、圧力50kg/cm2下で、160
℃×10minの条件でホットプレス成形して、電極接合体を作製した。次に、作製した電極膜接合体を2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の燃料電池を組み立てた。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. The measurement of sulfonic acid equivalent, molecular weight, preparation of fuel cell and evaluation of performance were obtained as follows.
1. Sulfonic acid equivalent The polymer having the sulfonic acid group was washed with water until the water was neutral, thoroughly washed with water except for free remaining acid, dried, weighed a predetermined amount, THF / Phenolphthalein dissolved in a mixed solvent of water was used as an indicator, titration was performed using a standard solution of NaOH, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.
2. Measurement of Molecular Weight The molecular weight of polyarylene having no sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene (THF) as a solvent and the molecular weight in terms of polystyrene. The molecular weight of polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene as a molecular weight using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent.
3. Preparation of fuel cell and evaluation of performance A single 50 μm-thick film made of the polymer of Synthesis Example 1 described later is prepared, sandwiched between two electrode catalyst layers formed on two water-repellent carbon papers, and a pressure of 50 kg / 160 cm 2 below
The electrode assembly was manufactured by hot press molding under the condition of ° C. × 10 min. Next, sandwiching the electrode membrane assembly was prepared made of two titanium collectors, the heater disposed outside, assembled fuel cell having an effective area of 25 cm 2 further.

燃料電池の温度を80℃に保ち、湿度100%RHで水素および酸素を背圧0.02MPaで供給し、電極触媒層の面積に対して電流密度1.0A/cm2一定で負荷したとき
のセル電圧の初期値、100時間後の値を測定した。
When the temperature of the fuel cell is kept at 80 ° C., hydrogen and oxygen are supplied at a humidity of 100% RH at a back pressure of 0.02 MPa, and the current density is constant at 1.0 A / cm 2 with respect to the area of the electrode catalyst layer. The initial value of the cell voltage, the value after 100 hours, was measured.

[合成例1]
(1)ポリアリーレンの合成
撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた1000mLの3口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル90.3g(225mmo
L)、2,5−ジクロロベンゾフェノン69.1g(275mmol)、4−クロロベン
ゾフェノン1.08g(5mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド9.81g(15mmol)、ヨウ化ナトリウム2.25g(15mmol)、トリフェニルホスフィン52.5g(200mmol)、亜鉛78.4g(1200mmol)を加えた。フラスコ内を2時間真空乾燥した後、乾燥窒素置換し、脱水したジメチルアセトアミド(DMAc)373mLを加え、重合を開始した。
[Synthesis Example 1]
(1) Synthesis of polyarylene 90.3 g of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate (225 mmo) was added to a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube.
L) 2,5-dichlorobenzophenone 69.1 g (275 mmol), 4-chlorobenzophenone 1.08 g (5 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 9.81 g (15 mmol), sodium iodide 2.25 g (15 mmol) ), 52.5 g (200 mmol) of triphenylphosphine, and 78.4 g (1200 mmol) of zinc. After the inside of the flask was vacuum-dried for 2 hours, 373 mL of dimethylacetamide (DMAc) that had been purged with dry nitrogen and dehydrated was added to initiate polymerization.

反応温度が90℃を超えないように制御しながら、3時間重合を続けた。次いで、DMAc1400mLを加えて重合溶液を希釈し、不溶部をろ過した。ろ液を10Lのメタノールに注ぎ、重合体を凝固させた。沈殿した重合体を真空乾燥し、120gのポリアリーレンを得た。GPCで求めた生成物の数平均分子量は39000、重量平均分子量は153000であった。
(2)スルホン酸基を有するポリアリーレンの合成
撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた300mL3口フラスコに、ポリアリーレン120g、DMAc970mL、臭化リチウム29.3g(338mmol)を加え、120℃で7時間撹拌した。反応溶液を5Lのアセトンに注ぎ、重合体を凝固させた。得られた固体を蒸留水/濃塩酸溶液(3.0L/0.37L)で2度処理した後、蒸留水でpHが中性になるまで洗浄した。70℃で12時間乾燥し、スルホン酸基を有するポリアリーレン100gを得た。このポリマーのイオン交換容量は2.0meq/gであった。重量平均分子量は、116000であった。
The polymerization was continued for 3 hours while controlling the reaction temperature not to exceed 90 ° C. Next, 1400 mL of DMAc was added to dilute the polymerization solution, and the insoluble part was filtered. The filtrate was poured into 10 L of methanol to solidify the polymer. The precipitated polymer was vacuum dried to obtain 120 g of polyarylene. The number average molecular weight of the product determined by GPC was 39000, and the weight average molecular weight was 153000.
(2) Synthesis of polyarylene having a sulfonic acid group To a 300 mL three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 120 g of polyarylene, 970 mL of DMAc, and 29.3 g (338 mmol) of lithium bromide were added, at 120 ° C. Stir for 7 hours. The reaction solution was poured into 5 L of acetone to solidify the polymer. The obtained solid was treated twice with distilled water / concentrated hydrochloric acid solution (3.0 L / 0.37 L), and then washed with distilled water until the pH became neutral. It dried at 70 degreeC for 12 hours, and obtained 100 g of polyarylenes which have a sulfonic acid group. The ion exchange capacity of this polymer was 2.0 meq / g. The weight average molecular weight was 116000.

[合成例2]
2,5−ジクロロ−4'−フェノキシベンゾフェノン193.5g(540mmol)
、4,4'−ジクロロベンゾフェノン15.1g(60mmol)、ヨウ化ナトリウム11.7g(78mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド11.8g(18mmol)、トリフェニルホスフィン63.0g(240mmol)、亜鉛94.1g(1.44mol)を冷却管、三方コックを取り付けた三口フラスコに入れ、70℃のオイルバスにつけ、窒素置換後、窒素雰囲気下にN−メチル−2−ピロリドン1000mLを加え、反応を開始した。20時間反応後、N−メチル−2−ピロリドン500mLで希釈し、1:10塩酸/メタノール溶液に重合反応液を注ぎ、ポリマーを析出、洗浄後、ろ過、真空乾燥後、白色の粉末を得た。収量は、153gであった。また、重量平均分子量は、159000であった。このポリマー150gに対し、濃硫酸1500mLを加え室温で24時間、攪拌しスルホン化反応を行った。反応後、大量の純水中に注ぎ、スルホン化ポリマーを析出させた。pH7になるまでポリマーを純水によって洗浄し、ろ過後、スルホン化ポリマーを回収し、90℃で真空乾燥した。スルホン化ポリマーの収量は179gであった。このポリマーのイオン交換容量は2.3meq/g、重量平均分子量は183000であった。
[Synthesis Example 2]
193.5 g (540 mmol) of 2,5-dichloro-4′-phenoxybenzophenone
4,4′-dichlorobenzophenone 15.1 g (60 mmol), sodium iodide 11.7 g (78 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 11.8 g (18 mmol), triphenylphosphine 63.0 g (240 mmol), Place 94.1 g (1.44 mol) of zinc in a three-necked flask equipped with a condenser and a three-way cock, put it in a 70 ° C. oil bath, replace with nitrogen, add 1000 mL of N-methyl-2-pyrrolidone under a nitrogen atmosphere, and react. Started. After the reaction for 20 hours, the reaction mixture was diluted with 500 mL of N-methyl-2-pyrrolidone, poured into a 1:10 hydrochloric acid / methanol solution, the polymer was precipitated, washed, filtered, and vacuum dried to obtain a white powder. . Yield was 153 g. The weight average molecular weight was 159000. To 150 g of this polymer, 1500 mL of concentrated sulfuric acid was added and stirred at room temperature for 24 hours to carry out a sulfonation reaction. After the reaction, it was poured into a large amount of pure water to precipitate a sulfonated polymer. The polymer was washed with pure water until the pH reached 7, and after filtration, the sulfonated polymer was recovered and dried in vacuum at 90 ° C. The yield of sulfonated polymer was 179 g. The ion exchange capacity of this polymer was 2.3 meq / g, and the weight average molecular weight was 183,000.

[実施例1]
[触媒金属担持カーボンナノファイバーの合成]
酸化Niと酸化Cuを混合し、500℃の温度で水素ガス中で還元処理を行い、Cu−Ni合金(Cu/Ni=1/1)を得た。エチレン/水素=1/4のガスを、前記で得られたCu−Ni合金に接触させ、500℃で熱CVD法によりカーボンナノファイバーを得た。
[Example 1]
[Synthesis of catalytic metal-supported carbon nanofibers]
Ni oxide and Cu oxide were mixed and reduced in hydrogen gas at a temperature of 500 ° C. to obtain a Cu—Ni alloy (Cu / Ni = 1/1). A gas of ethylene / hydrogen = 1/4 was brought into contact with the Cu—Ni alloy obtained above, and carbon nanofibers were obtained by a thermal CVD method at 500 ° C.

得られたカーボンナノファイバー表面を希硝酸で洗浄し、水洗したのち100℃で1時間乾燥させ、表面のCu−Ni合金を除去した。得られたカーボンナノファイバーのSEM観察から、ファイバーの直径の平均は200nmであった。   The surface of the obtained carbon nanofiber was washed with dilute nitric acid, washed with water, and then dried at 100 ° C. for 1 hour to remove the Cu—Ni alloy on the surface. From the SEM observation of the obtained carbon nanofiber, the average fiber diameter was 200 nm.

カーボンナノファイバー1gを、還流冷却器を取り付けたフラスコ中で100mLの水に分散させて懸濁液を作製した。その後、塩化白金酸水溶液(Pt:40mg/mL)を8mL加え、炭酸水素ナトリウムの2.5重量%濃度の水溶液を30分かけて徐々に滴下した。フラスコ中にはマグネチックスターラーを入れ攪拌した。   A suspension was prepared by dispersing 1 g of carbon nanofibers in 100 mL of water in a flask equipped with a reflux condenser. Thereafter, 8 mL of a chloroplatinic acid aqueous solution (Pt: 40 mg / mL) was added, and a 2.5 wt% aqueous solution of sodium bicarbonate was gradually added dropwise over 30 minutes. A magnetic stirrer was placed in the flask and stirred.

1時間の還流を行った後、フラスコ中の混合物をろ過し、得られた沈殿物をイオン交換水で洗浄した。洗浄操作は沈殿物の重量に対し100倍量の水を用いて行い、水を5回交換して行った。得られた沈殿物を100℃で1時間乾燥させた。   After refluxing for 1 hour, the mixture in the flask was filtered, and the resulting precipitate was washed with ion-exchanged water. The washing operation was performed using 100 times the amount of water with respect to the weight of the precipitate, and the water was changed five times. The resulting precipitate was dried at 100 ° C. for 1 hour.

沈殿物を200℃の炉中に入れ、水素/窒素混合ガス中で10時間の還元処理を行った。得られた白金担持カーボンナノファイバーの重量は1.20gであった。
[電極ペーストAの調製]
50mLのガラス瓶に直径5mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、前記で得られた白金担持カーボンナノファイバー1.50g、蒸留水0.88g、合成例1のスルホン酸基を有するポリアリーレンの20重量%N−メチル−2−ピロリドン溶液3.23g、N−メチル−2−ピロリドン12.47gの混合物をウエーブローターで10分間攪拌した後、分散剤(商品名:DA234、楠本
化成株式会社製)0.028gを加え、さらにウエーブローターで30分間攪拌し電極ペーストAを得た。
The precipitate was placed in a furnace at 200 ° C. and subjected to reduction treatment for 10 hours in a hydrogen / nitrogen mixed gas. The weight of the obtained platinum-supported carbon nanofibers was 1.20 g.
[Preparation of electrode paste A]
Put 50 g of zirconia balls (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25 g in a 50 mL glass bottle, 1.50 g of platinum-supported carbon nanofibers obtained above, 0.88 g of distilled water, and sulfone of Synthesis Example 1 A mixture of a 20 wt% N-methyl-2-pyrrolidone solution of polyarylene having an acid group and 12.47 g of N-methyl-2-pyrrolidone was stirred for 10 minutes with a wave blower, and then a dispersant (trade name: DA234 (manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) (0.028 g) was added, and the mixture was further stirred for 30 minutes with a wafer blower to obtain electrode paste A.

[電極触媒層Aの製造]
撥水化処理されたカーボンペーパー(東レ製)の片面に、電極ペーストAを、ドクターブレードを用いて塗布し、120℃×60分間乾燥することで白金塗布量が0.5mg/cm2になる電極触媒層Aを形成させた。電極触媒層Aを用いた燃料電池性能の評価結果
を表1に示す。
[Production of Electrode Catalyst Layer A]
Electrode paste A is applied to one side of carbon paper (Toray) treated with water repellency using a doctor blade, and dried at 120 ° C. for 60 minutes to give a platinum coating amount of 0.5 mg / cm 2 . Electrode catalyst layer A was formed. The evaluation results of the fuel cell performance using the electrode catalyst layer A are shown in Table 1.

[実施例2]
[電極ペーストBの調製]
50mLのガラス瓶に直径5mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、実施例1で得た白金担持カーボンナノファイバー1.50g、蒸留水0.88g、合成例2のスルホン酸基を有するポリアリーレンの20重量%N−メチル−2−ピロリドン溶液3.23g、N−メチル−2−ピロリドン12.47gの混合物をウエーブローターで10分間攪拌した後、分散剤(商品名:DA234、楠本
化成株式会社製)0.028gを加え、さらにウエーブローターで30分間攪拌し電極ペーストBを得た。
[Example 2]
[Preparation of electrode paste B]
Into a 50 mL glass bottle, 25 g of a zirconia ball having a diameter of 5 mm (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) was added, 1.50 g of platinum-supported carbon nanofibers obtained in Example 1, 0.88 g of distilled water, A mixture of a polyarylene having a sulfonic acid group, 3.23 g of a 20% by weight N-methyl-2-pyrrolidone solution and 12.47 g of N-methyl-2-pyrrolidone was stirred for 10 minutes with a wave blower, and then a dispersant (trade name) : DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) 0.028 g was added, and the mixture was further stirred for 30 minutes with a wafer blower to obtain electrode paste B.

[電極触媒層Bの製造]
撥水化処理されたカーボンペーパー(東レ製)の片面に、電極ペーストBを、ドクターブレードを用いて塗布し、120℃×60分間乾燥することで白金塗布量が0.5mg/cm2になる電極触媒層Bを形成させた。電極触媒層Bを用いた燃料電池性能の評価結果
を表1に示す。
[Production of Electrode Catalyst Layer B]
Electrode paste B is applied to one side of a water-repellent carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc.) using a doctor blade and dried at 120 ° C. for 60 minutes to give a platinum coating amount of 0.5 mg / cm 2 . Electrode catalyst layer B was formed. Table 1 shows the evaluation results of the fuel cell performance using the electrode catalyst layer B.

[実施例3]
[触媒金属担持カーボンナノチューブの合成]
カーボンナノチューブとしては、高純度黒鉛をレーザーアブレーション法で処理して得られたものを用いた。チューブの直径は約2nmであった。
[Example 3]
[Synthesis of catalytic metal-supported carbon nanotubes]
As a carbon nanotube, what was obtained by processing high purity graphite by a laser ablation method was used. The tube diameter was about 2 nm.

カーボンナノファイバーの代わりにカーボンナノチューブを用いたほかは実施例1と同様に処理を行い、白金担持カーボンナノチューブを得た。
[電極ペーストCの調製]
カーボンナノファイバーの代わりにカーボンナノチューブを用いたほかは、実施例1の電極ペーストAと同様に処理を行い、電極ペーストCを得た。
The treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that carbon nanotubes were used in place of the carbon nanofibers to obtain platinum-supported carbon nanotubes.
[Preparation of electrode paste C]
An electrode paste C was obtained in the same manner as in the electrode paste A of Example 1 except that carbon nanotubes were used instead of the carbon nanofibers.

[電極触媒層Cの製造]
撥水化処理されたカーボンペーパー(東レ製)の片面に、電極ペーストCを、ドクターブレードを用いて塗布し、120℃×60分間乾燥することで白金塗布量が0.5mg/cm2になる電極触媒層Cを形成させた。電極触媒層Cを用いた燃料電池性能の評価結果
を表1に示す。
[Production of electrode catalyst layer C]
Electrode paste C is applied to one side of carbon paper (Toray) treated with water repellency using a doctor blade and dried at 120 ° C. for 60 minutes, so that the platinum coating amount becomes 0.5 mg / cm 2 . Electrode catalyst layer C was formed. The evaluation results of the fuel cell performance using the electrode catalyst layer C are shown in Table 1.

[比較例1]
[触媒金属担持カーボンブラックの合成]
カーボンナノファイバーの代わりにカーボンブラックを用いたほかは、実施例1と同様に処理を行い、白金担持カーボンブラックを得た。
[Comparative Example 1]
[Synthesis of catalytic metal-supported carbon black]
Except for using carbon black instead of carbon nanofibers, treatment was performed in the same manner as in Example 1 to obtain platinum-supported carbon black.

[電極ペーストDの調製]
カーボンナノファイバーの代わりに前記白金担持カーボンブラックを用いたほかは、実施例1の電極ペーストAと同様に処理を行い、電極ペーストDを得た。
[Preparation of electrode paste D]
An electrode paste D was obtained in the same manner as the electrode paste A of Example 1 except that the platinum-supported carbon black was used instead of the carbon nanofibers.

[電極触媒層Dの製造]
電極ペーストAに代えて電極ペーストDを用いた以外は、実施例1と同様にして電極触媒層Dを作成した。電極触媒層Dを用いた燃料電池性能の評価結果を表1に示す
[Production of Electrode Catalyst Layer D]
An electrode catalyst layer D was prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrode paste D was used in place of the electrode paste A. Table 1 shows the evaluation results of the fuel cell performance using the electrode catalyst layer D.

Figure 2007026708
Figure 2007026708

白金担持カーボンナノファイバー、白金担持カーボンナノチューブを用いた実施例1ないし3では、比較例1に比べ、初期の電圧が高く、触媒の利用効率が上昇している。また、100時間の運転においても、電圧低下はほとんど見られておらず、耐久性も十分であると考えられる。

In Examples 1 to 3 using platinum-supported carbon nanofibers and platinum-supported carbon nanotubes, compared to Comparative Example 1, the initial voltage is higher and the utilization efficiency of the catalyst is increased. Further, even during 100 hours of operation, almost no voltage drop is observed, and it is considered that the durability is sufficient.

Claims (2)

下記一般式(A)で表される構造単位および下記一般式(B)で表される構造単位を含むスルホン酸基を有するポリアリーレンと、触媒金属を担持したカーボン材料とを含む固体高分子膜-電極接合体の電極触媒層であって、前記の触媒金属を担持したカーボン材料
の少なくとも一部が、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブおよびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種のナノカーボン材料に触媒金属が担持された触媒金属担持ナノカーボン材料であることを特徴とする電極触媒層;
Figure 2007026708
(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)および−C(CF32−からなる群より選ばれた少な
くとも1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−および−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3
で表される置換基を有する芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
Figure 2007026708
(式中、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH
−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およ
びハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−および−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、
フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示し、s、tは0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。)。
A solid polymer film comprising a polyarylene having a sulfonic acid group containing a structural unit represented by the following general formula (A) and a structural unit represented by the following general formula (B), and a carbon material supporting a catalyst metal The electrode catalyst layer of the electrode assembly, wherein at least a part of the carbon material supporting the catalyst metal is at least one nanocarbon material selected from the group consisting of carbon nanofibers, carbon nanotubes, and fullerenes An electrode catalyst layer, which is a catalyst metal-supported nanocarbon material on which a catalyst metal is supported;
Figure 2007026708
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10) and —C (CF 3 ) represents at least one structure selected from the group consisting of 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 -, - O-and represents at least one structure selected from the group consisting of -S-, Ar is -SO 3 H, -O (CH 2 ) p SO 3 H or -O (CF 2) p SO 3 H
The aromatic group which has a substituent represented by this is shown, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. )
Figure 2007026708
(In the formula, A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH.
-, - COO -, - ( CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O— and —S—. Represents a structure, B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, a hydrogen atom,
A fluorine atom, an alkyl group, at least one atom or group selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, allyl group, aryl group, nitro group and nitrile group partially or wholly halogenated; t represents an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more. ).
前記触媒金属担持ナノカーボン材料が、触媒層中に20〜70重量%含まれることを特徴とする請求項1に記載の電極触媒層。

2. The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the catalyst metal-supporting nanocarbon material is contained in an amount of 20 to 70 wt% in the catalyst layer.

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101241105B (en) * 2007-02-06 2011-08-03 中国科学院化学研究所 Ultra trace aromatic nitro compound electrochemical detection method

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