JP2007048557A - Method of manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents

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敏 小松
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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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a membrane electrode assembly which can offer the high-performance membrane electrode assembly by ensuring good contact performance between an aromatic solid polymer electrolyte film and catalyst film without causing any performance faults around an electrode and drop-off of the electrolyte film. <P>SOLUTION: The method includes a step where an aromatic solid polymer electrolyte film is immersed in a solvent; and a step where a catalyst paste containing an aromatic solid polymer electrolyte is applied onto the top surface of the electrolyte film, with the solvent contained within the range of 20 to 60% by weight in the electrolyte film after immersion in the solvent, then the top surface is dried, thereby forming a catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池を構成する膜電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly constituting a fuel cell, in particular, a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子電解質型燃料電池は、電解質膜の片面にカソードが接合され、他面にアノードが接合された膜電極接合体により構成されており、たとえば、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素ガスを供給し、これらを電気化学的に反応させて電力を得る電気化学装置である。   A solid polymer electrolyte fuel cell is composed of a membrane electrode assembly in which a cathode is joined to one side of an electrolyte membrane and an anode is joined to the other side. For example, hydrogen gas is supplied to the anode as a fuel, and the cathode This is an electrochemical device in which oxygen gas is supplied as an oxidant and electrochemically reacted to obtain electric power.

上記アノードおよびカソードはガス拡散電極であり、ガス拡散電極はガス拡散層と触媒層とからなる。そして、触媒層は白金族金属の粒子または該粒子を担持したカーボン粒子などを触媒として含有し、ガス拡散層には、撥水性を有する多孔質なカーボンペーパーなどが用いられる。   The anode and the cathode are gas diffusion electrodes, and the gas diffusion electrode includes a gas diffusion layer and a catalyst layer. The catalyst layer contains platinum group metal particles or carbon particles supporting the particles as a catalyst, and the gas diffusion layer is made of porous carbon paper having water repellency.

上記膜電極接合体に用いられる固体高分子電解質膜および電極電解質としては、主にナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロスルホン酸系高分子電解質が使用されてきた。ここで、固体高分子型燃料電池は、電池の作動温度が高くなるほど、発電効率が高くなることから、作動温度を高くすることが望まれている。しかしながら、上記パーフルオロスルホン酸系高分子電解質は、耐熱性が低いため、高温で使用できないといった問題点があった。   As the solid polymer electrolyte membrane and electrode electrolyte used for the membrane electrode assembly, perfluorosulfonic acid polymer electrolytes represented mainly by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) have been used. Here, since the power generation efficiency of the solid polymer fuel cell increases as the operating temperature of the battery increases, it is desired to increase the operating temperature. However, the perfluorosulfonic acid polymer electrolyte has a problem that it cannot be used at high temperatures because of its low heat resistance.

そのため、高温で使用できるよう芳香族炭化水素を含む電解質が使用されるようになってきている。しかしながら、芳香族系高分子材料は、そのガラス転移温度がパーフルオロスルホン酸系高分子電解質に比べて高い材料が多く、スルホン酸が脱離しない程度の温度以下では、芳香族系高分子材料のガラス転移温度に達しないため、電解質膜−電極の接合強度が充分でない場合が多いという課題があった。   Therefore, an electrolyte containing an aromatic hydrocarbon has been used so that it can be used at a high temperature. However, many aromatic polymer materials have a glass transition temperature higher than that of perfluorosulfonic acid polymer electrolytes, and below the temperature at which sulfonic acid is not eliminated, aromatic polymer materials Since the glass transition temperature is not reached, there is a problem that the bonding strength between the electrolyte membrane and the electrode is often insufficient.

このような課題の解決手段として、電解質膜単体に直接電極を塗布形成させる方法が提案されている(たとえば特許文献1参照)。しかしながら、電解質膜単体に電極形成を行う際に、触媒、電解質および溶媒を含んだ触媒ペーストを塗布するため、電解質膜へ溶媒が浸透していき、膜の寸法変化による皺よりなど電極周辺部の性状不良を起こしてしまう問題が生じる。   As a means for solving such a problem, a method of directly applying and forming an electrode on an electrolyte membrane has been proposed (see, for example, Patent Document 1). However, when an electrode is formed on a single electrolyte membrane, a catalyst paste containing a catalyst, an electrolyte, and a solvent is applied, so that the solvent penetrates into the electrolyte membrane, and the periphery of the electrode such as wrinkles due to changes in the size of the membrane. There arises a problem that causes poor properties.

また、触媒ペースト塗布直下の部分と塗布していない部分とで、電解質膜中の溶媒の含有率が異なるため、両者の境界である電極周辺部の機械強度が大きく異なり、溶媒乾燥時に電解質膜の膜厚分布、特に電極周辺部の電解質膜の膜減りを生じてしまうという問題も生じる。
特開2003−100314号公報
In addition, since the content of the solvent in the electrolyte membrane is different between the portion immediately below the catalyst paste and the portion not coated, the mechanical strength of the electrode periphery that is the boundary between the two is greatly different, and the electrolyte membrane There also arises a problem that the film thickness distribution, particularly the electrolyte membrane around the electrode, is reduced.
JP 2003-100314 A

本発明の課題は、芳香族系高分子電解質膜と触媒層との接触性を良好なものとし、電極周辺部の性状不良や電解質膜の膜減りなどを生じることなく高性能の膜電極接合体を得ることを可能とする膜電極接合体の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a high-performance membrane / electrode assembly that has good contact between the aromatic polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, and does not cause defective properties around the electrode or decrease in membrane thickness of the electrolyte membrane. It is in providing the manufacturing method of the membrane electrode assembly which makes it possible to obtain.

本発明者らは上記課題に鑑み、鋭意研究を行った。その結果、芳香族系高分子電解質膜に溶媒を含浸させた状態で、該電解質膜に触媒ペーストを直接塗布・乾燥して電極を形成することにより、上記課題を解決できることを見出した。   In view of the above problems, the present inventors conducted extensive research. As a result, it has been found that the above problems can be solved by forming an electrode by directly applying and drying a catalyst paste on the electrolyte membrane in a state where the aromatic polymer electrolyte membrane is impregnated with a solvent.

すなわち、本発明に係る膜電極接合体の第1の製造方法は、芳香族系高分子電解質膜を溶媒浸漬させる工程と、溶媒浸漬後の電解質膜中に該溶媒が20〜60重量%の範囲で含有されている状態で、該電解質膜上に、芳香族系高分子電解質を含む触媒ペーストを塗布した後、乾燥することにより触媒層を形成する工程とを含むことを特徴とする。   That is, the first method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention includes a step of immersing the aromatic polymer electrolyte membrane in a solvent, and a range of 20 to 60% by weight of the solvent in the electrolyte membrane after the solvent immersion. And a step of applying a catalyst paste containing an aromatic polymer electrolyte on the electrolyte membrane and then drying to form a catalyst layer.

また、本発明に係る膜電極接合体の第2の製造方法は、芳香族系高分子電解質膜の一方の面に、芳香族系高分子電解質を含む触媒ペーストを塗布して乾燥することにより第1の触媒層を形成する工程と、該触媒層が形成された電解質膜を溶媒浸漬させる工程と、溶媒浸漬後の電解質膜中に該溶媒が20〜60重量%の範囲で含有されている状態で、該電解質膜における第1の触媒層と対向する面に、芳香族系高分子電解質を含む触媒ペーストを塗布した後、乾燥することにより第2の触媒層を形成する工程とを含むことを特徴とする。   The second method for producing a membrane / electrode assembly according to the present invention comprises applying a catalyst paste containing an aromatic polymer electrolyte to one surface of an aromatic polymer electrolyte membrane and drying it. A step of forming a catalyst layer of 1, a step of immersing the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed, and a state in which the solvent is contained in an amount of 20 to 60% by weight in the electrolyte membrane after the immersion of the solvent And applying a catalyst paste containing an aromatic polymer electrolyte to the surface of the electrolyte membrane facing the first catalyst layer, followed by drying to form a second catalyst layer. Features.

なお、前記第1の触媒層を形成する前に、前記芳香族系高分子電解質膜を溶媒浸漬させ、溶媒浸漬後の電解質膜中に該溶媒が20〜60重量%の範囲で含有されている状態とすることが好ましい。   Before forming the first catalyst layer, the aromatic polymer electrolyte membrane is immersed in a solvent, and the solvent is contained in an amount of 20 to 60% by weight in the electrolyte membrane after the solvent immersion. It is preferable to be in a state.

本発明の製造方法により得られる膜電極接合体は、電解質膜表面と触媒層との接触性が改善され、高性能である膜電極接合体が得られる。また、電極周辺部の膜減りも確認されず、発電に対して長期信頼性を有する固体高分子型燃料電池を得ることが可能となる。   In the membrane / electrode assembly obtained by the production method of the present invention, the contact between the electrolyte membrane surface and the catalyst layer is improved, and a membrane / electrode assembly having high performance is obtained. In addition, it is possible to obtain a polymer electrolyte fuel cell having long-term reliability with respect to power generation without confirming film thickness reduction around the electrode.

以下、本発明に係る膜電極接合体の製造方法について詳細に説明する。
本発明の膜電極接合体の製造方法は、芳香族系高分子電解質膜を溶媒浸漬させる工程、該電解質膜に溶媒を含浸させた状態で、芳香族系高分子電解質を含む触媒ペーストを直接塗工することにより、少なくとも一方の電極触媒層を形成する工程を含む。
Hereinafter, the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on this invention is demonstrated in detail.
The method for producing a membrane electrode assembly of the present invention comprises a step of immersing an aromatic polymer electrolyte membrane in a solvent, and directly applying a catalyst paste containing an aromatic polymer electrolyte in a state where the electrolyte membrane is impregnated with a solvent. A step of forming at least one electrode catalyst layer by processing.

〔芳香族系高分子電解質〕
本発明で用いられる芳香族系高分子電解質膜および触媒ペーストを構成する芳香族系高分子電解質は、特に限定されないが、生産効率等の観点から同一のポリマーからなることが好ましく、特に、高温での発電安定性の観点から、下記一般式(A)で表されるスルホン酸基を有する構成単位(以下、「構成単位(A)」または「スルホン酸ユニット」ともいう。)と、下記一般式(B)で表されるスルホン酸基を有さない構成単位(以下、「構成単位(B)」または「疎水性ユニット」ともいう。)とを含む下記一般式(C)で表されるスルホン化ポリアリーレンからなることが好ましい。
(Aromatic polymer electrolyte)
The aromatic polymer electrolyte used in the present invention and the aromatic polymer electrolyte constituting the catalyst paste are not particularly limited, but are preferably made of the same polymer from the viewpoint of production efficiency and the like, particularly at high temperatures. From the viewpoint of power generation stability, a structural unit having a sulfonic acid group represented by the following general formula (A) (hereinafter also referred to as “structural unit (A)” or “sulfonic acid unit”), and the following general formula The sulfone represented by the following general formula (C) including the structural unit having no sulfonic acid group represented by (B) (hereinafter also referred to as “structural unit (B)” or “hydrophobic unit”). It is preferably made of a modified polyarylene.

<スルホン酸ユニット>   <Sulphonic acid unit>

Figure 2007048557
Figure 2007048557

上記式(A)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−
、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−を示す。これらの中では、−CO−および−SO2−が好ましい。
In the above formula (A), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—.
, - (CF 2) i - (i is an integer from 1 to 10.) Or -C (CF 3) 2 - shows a. Of these, —CO— and —SO 2 — are preferable.

Zは、独立に直接結合、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH32−、−O−または−S−を示す。これらの中では、直接結合および−O−が好ましい。 Z independently represents a direct bond, — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O— or —S—. Among these, a direct bond and —O— are preferable.

Arは、−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(pは1〜
12の整数を示す。)で表される置換基を有する芳香族基を示す。芳香族基としては、たとえば、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。これらの中では、フェニル基およびナフチル基が好ましい。また、Arは、−SO3H、
−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基を少なくとも1個有していることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上有することが好ましい。
Ar is —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p is 1 to
An integer of 12 is shown. The aromatic group which has a substituent represented by this is shown. Examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, a phenanthryl group, and the like. In these, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. Ar represents —SO 3 H;
It is necessary to have at least one substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, and two in the case of a naphthyl group It is preferable to have the above.

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。
上記構成単位(A)の好ましい構造としては、上記式(A)において、
(1)m=0、n=0であり、Yが−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が−CO−であり、Zが−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が−CO−であり、Zが−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が−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が−CO−であり、Zが−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 preferred structure of the structural unit (A), in the above formula (A),
(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) m = 1, n = 0, Y is —CO—, and Ar is two substituents —SO 3.
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.

<疎水性ユニット>   <Hydrophobic unit>

Figure 2007048557
Figure 2007048557

上記式(B)中、AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−
SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR’2−、シクロヘキシリデン基
、フルオレニリデン基、−O−または−S−を示す。これらの中では、直接結合、−CO−、−SO2−、−CR’2−、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。なお、R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水
素基を示し、たとえば、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 above formula (B), A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —
SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10) , -CR '2 -, showing cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O- or -S-. Among these, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, and —O— are preferable. R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group. For example, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, A propyl group, an octyl group, a decyl group, an octadecyl group, a phenyl group, a trifluoromethyl group, etc. are mentioned.

Bは独立に酸素原子または硫黄原子を示し、酸素原子が好ましい。
1〜R16は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部
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、ニトロ基またはニトリル基を示す。
B independently represents an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R 1 to R 16 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group or a nitrile group, which is partially or wholly halogenated.

上記R1〜R16における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る。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 in R 1 to R 16 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. Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

sおよびtは、それぞれ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。
上記構成単位(B)の好ましい構造としては、上記式(B)において、
(1)s=1、t=1であり、Aが−CR’2−、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−、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、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
などが挙げられる。
s and t each 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.
As a preferred structure of the structural unit (B), in the above formula (B),
(1) s = 1, t = 1, A is —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and D is —CO— or —SO 2 —. , R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(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, A is —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom or Examples thereof include a structure that is a nitrile group.

<ポリマー構造>   <Polymer structure>

Figure 2007048557
Figure 2007048557

上記式(C)中、A、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R16は、上記式(A)および(B)中で定義した通りであり、xおよびyは、x+y=10
0モル%とした場合のモル比を示す。
In the above formula (C), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t and R 1 to R 16 are defined in the above formulas (A) and (B). Where x and y are x + y = 10
The molar ratio in the case of 0 mol% is shown.

本発明で特に好ましく用いられるスルホン化ポリアリーレンは、上記構成単位(A)、すなわちxのユニットを0.5〜99.999モル%、好ましくは10〜99.99モル%の割合で含有し、上記構成単位(B)、すなわちyのユニットを99.5〜0.001モル%、好ましくは90〜0.01モル%の割合で含有している。   The sulfonated polyarylene particularly preferably used in the present invention contains the structural unit (A), that is, the unit of x in a proportion of 0.5 to 99.999 mol%, preferably 10 to 99.99 mol%, The structural unit (B), that is, the y unit is contained in a proportion of 99.5 to 0.001 mol%, preferably 90 to 0.01 mol%.

<スルホン化ポリアリーレンの製造方法>
上記スルホン化ポリアリーレンの製造方法としては、たとえば、下記に示すA法、B法およびC法が挙げられる。
<Method for producing sulfonated polyarylene>
Examples of the method for producing the sulfonated polyarylene include the following methods A, B, and C.

(A法)たとえば、特開2004−137444号公報に記載の方法で、上記構成単位(A)となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記構成単位(B)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基に変換する方法。   (Method A) For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be the structural unit (A) and a monomer or oligomer that can be the structural unit (B) are combined. A method of polymerizing to produce a polyarylene having a sulfonic acid ester group, and deesterifying the sulfonic acid ester group to convert it into a sulfonic acid group.

(B法)たとえば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記式(A)で表される骨格を有するが、スルホン酸基およびスルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとを共重合させ、得られた共重合体をスルホン化剤を用いてスルホン化する方法。   (Method B) For example, in the method described in JP-A-2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the above formula (A) but not having a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group, and the above structural unit (B) A method in which a monomer or an oligomer that can be used is copolymerized, and the resulting copolymer is sulfonated using a sulfonating agent.

(C法)上記式(A)中の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、たとえば、特開2005−60625号公報に記載の方法で、上記構成単位(A)となりうる前駆体のモノマーと、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとを共重合させ、次いで、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。 (Method C) When Ar in the above formula (A) is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H Is, for example, copolymerized a precursor monomer that can be the structural unit (A) and a monomer or oligomer that can be the structural unit (B) by the method described in JP-A-2005-60625, A method of introducing an alkyl sulfonic acid or a fluorine-substituted alkyl sulfonic acid.

上記A法で用いることができる、上記構成単位(A)となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーとしては、たとえば、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。   Examples of the monomer having a sulfonate group that can be the structural unit (A) that can be used in the method A include, for example, JP-A Nos. 2004-137444, 2004-345997, and 2004-346163. Examples thereof include sulfonic acid esters described in Japanese Patent Publication No. Gazette.

上記B法で用いることができる、上記構成単位(A)となりうるスルホン酸基およびスルホン酸エステル基を有しないモノマーとしては、たとえば、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。   Examples of the monomer that does not have a sulfonic acid group and a sulfonic acid ester group that can be used as the structural unit (A) and that can be used in the above-mentioned method B include, for example, JP-A Nos. 2001-342241 and 2002-293889. Mention may be made of the dihalides described.

上記C法で用いることができる、上記構成単位(A)となりうる前駆体のモノマーとしては、たとえば、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。   Examples of the precursor monomer that can be the structural unit (A) that can be used in the method C include dihalides described in JP-A-2005-36125.

また、いずれの方法においても用いられる、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとしては、以下のとおりである。
上記式(B)においてr=0の場合、たとえば、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などが挙げられる。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も用いることができる。
The monomer or oligomer that can be the structural unit (B) used in any method is as follows.
In the above formula (B), 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-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2, Examples include 6-dichlorobenzonitrile. Among these compounds, compounds in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom can also be used.

上記式(B)においてr=1の場合、たとえば、特開2003−113136号公報に記載の化合物を挙げることができる。
上記式(B)においてr≧2の場合、たとえば、特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特開2004−346164号公報、特願2003−348523号、特願2003−348524号、特願2004−211739号、特願2004−211740号に記載の化合物を挙げることができる。
In the above formula (B), when r = 1, for example, compounds described in JP-A-2003-113136 can be exemplified.
In the above formula (B), when r ≧ 2, for example, JP 2004-137444 A, JP 2004-244517 A, JP 2004-346164 A, Japanese Patent Application No. 2003-348523, and Japanese Patent Application No. 2003-348524. No., Japanese Patent Application No. 2004-211739, and Japanese Patent Application No. 2004- 211740.

スルホン酸基を有するポリアリーレンを得るためには、まず、上記構成単位(A)となりうるモノマーと、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとを、触媒の存在下で共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合を行う際に用いられる触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系は、(i)遷移金属塩および配位子となる化合物、または、配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)と、(ii)還元剤とを必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために「塩」を添加してもよい。これらの触媒成分の具体例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件は、たとえば、特開2001−342241号公報に記載されている条件を採用することができる。   In order to obtain a polyarylene having a sulfonic acid group, first, a monomer that can be the structural unit (A) and a monomer or oligomer that can be the structural unit (B) are copolymerized in the presence of a catalyst, It is necessary to obtain body polyarylene. The catalyst used in carrying out the copolymerization is a catalyst system containing a transition metal compound, and this catalyst system is (i) a compound that becomes a transition metal salt and a ligand, or a ligand is coordinated. In addition, a transition metal complex (including a copper salt) and (ii) a reducing agent may be essential components, and a “salt” may be added to increase the polymerization rate. For example, the conditions described in JP-A-2001-342241 can be adopted as specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the reaction solvent, concentration, temperature, time, and other polymerization conditions.

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、上記のようにして得られた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することにより得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。   The sulfonated polyarylene used in the present invention can be obtained by converting the precursor polyarylene obtained as described above into a polyarylene having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.

(a法)上記A法で得られた、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。
(b法)上記B法で得られた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 a) A method of deesterifying the precursor polyarylene having a sulfonate group obtained by Method A by the method described in JP-A-2004-137444.
(Method b) A method of sulfonating the precursor polyarylene obtained in Method B by the method described in JP-A-2001-342241.

(c法)上記C法で得られた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。
上記のような方法により製造される、上記式(C)で表されるスルホン化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。イオン交換容量が上記範囲よりも低いと、プロトン伝導度が低くなり発電性能が低下する傾向にある。一方、イオン交換容量が上記範囲を超えると、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。
(Method c) A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene obtained by the method C by the method described in JP-A-2005-60625.
The ion exchange capacity of the sulfonated polyarylene represented by the above formula (C) produced by the method as described above is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, Preferably it is 0.8-2.8 meq / g. If the ion exchange capacity is lower than the above range, the proton conductivity tends to be low and the power generation performance tends to be reduced. On the other hand, if the ion exchange capacity exceeds the above range, the water resistance may be significantly lowered, which is not preferable.

上記イオン交換容量は、たとえば、上記構成単位(A)となりうる前駆体のモノマーおよび上記構成単位(B)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 can be adjusted, for example, by changing the type, use rate, and combination of the precursor monomer that can be the structural unit (A) and the monomer or oligomer that can be the structural unit (B).

このようにして得られるスルホン化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の重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。   The molecular weight of the sulfonated polyarylene thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-reduced weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).

〔芳香族系高分子電解質膜〕
本発明で用いられる芳香族系高分子電解質膜(プロトン伝導膜)は、上記芳香族系高分子電解質を溶媒中で溶解または膨潤させ、それを公知の塗工方法により支持体上に流延して乾燥し、脱溶媒処理を行うことにより形成される。
[Aromatic polymer electrolyte membrane]
The aromatic polymer electrolyte membrane (proton conductive membrane) used in the present invention is obtained by dissolving or swelling the aromatic polymer electrolyte in a solvent and casting it on a support by a known coating method. It is formed by drying and removing the solvent.

上記乾燥条件としては、塗工速度および材料により適切な条件を設定でき、電解質のス
ルホン酸基が脱離しない程度の条件が望ましい。具体的には、乾燥温度20℃〜180℃、好ましくは50℃〜160℃で、乾燥時間5分〜600分、好ましくは30分〜400分で行うことができる。
As the drying conditions, suitable conditions can be set depending on the coating speed and the material, and conditions that do not allow the sulfonic acid groups of the electrolyte to be eliminated are desirable. Specifically, the drying can be performed 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.

上記脱溶媒処理は、水浸漬により行うことができる。このときの水温は5℃〜120℃、好ましくは15℃〜95℃で、水浸漬時間は1分〜72時間、好ましくは5分〜48時間である。また、特開2004−79380号公報に示されるような方法で脱溶媒処理を行ってもよい。   The solvent removal treatment can be performed by water immersion. The water temperature at this time is 5 ° C. to 120 ° C., preferably 15 ° C. to 95 ° C., and the water immersion time is 1 minute to 72 hours, preferably 5 minutes to 48 hours. Further, the solvent removal treatment may be performed by a method as disclosed in JP-A-2004-79380.

上記支持体としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系ポリマーからなるシート、または、表面を離型剤処理したガラス板や金属板、ポリエチレンテレフタレート(PET)のシートなども用いることができる。   As the support, a sheet made of a fluoropolymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a release agent, a sheet of polyethylene terephthalate (PET), or the like can also be used. .

<溶媒>
上記溶媒としては、上記芳香族系高分子電解質を溶解または分散する溶媒であればよく、特に限定されるものではない。また、1種類単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
<Solvent>
The solvent is not particularly limited as long as the solvent dissolves or disperses the aromatic polymer electrolyte. Moreover, you may use individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

具体的には、水;メタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル1−プロパノール、シクロヘキサノール
、1−ヘキサノール、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノールなどのアルコール類;エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロールなどの多価アルコール類;ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジ−n−プロピルエーテル、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、アニソール、フェネトール、アセタールなどのエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタノンなどのケトン類
;γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec-ブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチルなどのエステル類;ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、テ
トラメチル尿素などの非プロトン性極性溶媒;トルエン、キシレン、ヘプタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの炭化水素系溶媒などが挙げられる。
Specifically, water; methanol, ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol, n-butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl 1-propanol , Cyclohexanol, 1-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-methylcyclohexanol, 2 -Methylcyclohexanol, 3-methylcyclohexanol, 4-methylcyclohexanol, 1-octano , 2-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy Alcohols such as 2-propanol; polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, glycerol; dioxane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, diethyl ether, diisopropyl ether, di-n-propyl ether, butyl ether, phenyl ether, isopentyl Ether, 1,2-dimethoxyethane, diethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzylethylether, anisole Ethers such as phenetole and acetal; acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, 2,4-dimethyl-3- Ketones such as pentanone and 2-octanone; γ-butyrolactone, ethyl acetate, propyl acetate, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, Esters such as ethyl butyrate, methyl lactate, ethyl lactate, butyl lactate; dimethyl sulfoxide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2 -Pyrrolidone, tetramethi Aprotic polar solvents such as urea; toluene, xylene, heptane, hexane, heptane, etc. hydrocarbon solvents such as octane.

〔触媒ペースト〕
上記膜電極接合体における触媒層を形成する際に用いられる触媒ペーストは、触媒担持カーボンと、芳香族系高分子電解質と、溶媒とを含み、必要に応じて分散剤、炭素繊維などの他の成分を含んでいてもよい。
[Catalyst paste]
The catalyst paste used when forming the catalyst layer in the membrane electrode assembly includes a catalyst-supporting carbon, an aromatic polymer electrolyte, and a solvent, and other dispersants, carbon fibers, and the like as necessary. Ingredients may be included.

上記触媒ペーストを構成する芳香族系高分子電解質は、上記電解質膜を構成する芳香族系高分子電解質と同様のものを用いることができる。また、上記触媒ペーストを構成する溶媒についても、上記電解質膜を形成する際に用いられる溶媒と同様のものを用いることができる。   As the aromatic polymer electrolyte constituting the catalyst paste, the same aromatic polymer electrolyte as that constituting the electrolyte membrane can be used. Moreover, the solvent which comprises the said catalyst paste can also use the thing similar to the solvent used when forming the said electrolyte membrane.

<触媒担持カーボン>
上記触媒ペーストに用いられる触媒担持カーボンにおける触媒としては、水素の酸化反応および酸素の還元反応に触媒作用を有するものであればよく、たとえば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属もしくはこれらの合金、または、これらの酸化物などが挙げられる。上記触媒の粒径は10〜300Åが好ましく、15〜100Åがより好ましい。
<Catalyst-supported carbon>
The catalyst in the catalyst-supported carbon used in the catalyst paste may be any catalyst that has a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction, such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, Examples thereof include metals such as lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, alloys thereof, and oxides thereof. The particle size of the catalyst is preferably 10 to 300 mm, more preferably 15 to 100 mm.

上記触媒を担持するカーボンとしては、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が用いられる。また、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てもよい。   As the carbon supporting the catalyst, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black is used. Further, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, and the like may be used.

上記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」などが挙げられる。また、上記アセチレンブラックとしては電気化学工業社製「デンカブラック」などが挙げられる。   Examples of the oil furnace black include “Vulcan XC-72”, “Vulcan P”, “Black Pearls 880”, “Black Pearls 1100”, “Black Pearls 1300”, “Black Pearls 2000”, and “Regal 400” manufactured by Cabot Corporation. “Ketjen Black EC” manufactured by Lion Corporation, “# 3150, # 3250” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and the like. Examples of the acetylene black include “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo.

これらのカーボンの形態としては、粒子状のほか、繊維状も用いることができる。また、カーボンに担持される触媒の量としては、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、担持量がカーボン重量に対して、0.1〜9.0g-metal/g-carbon、好ましくは0.25〜2.4g-metal/g-carbonの範囲である。   As the form of these carbons, in addition to particles, fibers can also be used. The amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as it can effectively exhibit the catalytic activity, but the supported amount is 0.1 to 9.0 g- Metal / g-carbon, preferably in the range of 0.25 to 2.4 g-metal / g-carbon.

<炭素繊維>
上記触媒ペーストには、必要に応じてさらに炭素繊維を添加してもよい。このような炭素繊維としては、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用いることができ、好ましくは、気相成長炭素繊維である。触媒ペーストに炭素繊維を含有させることにより、形成される電極中の細孔容積が増加するため、燃料ガスや酸素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等を改善でき、発電性能が向上する。
<Carbon fiber>
Carbon fibers may be further added to the catalyst paste as necessary. As such a carbon fiber, rayon-based carbon fiber, PAN-based carbon fiber, lignin pover-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, or the like can be used, preferably vapor-grown carbon fiber. . Inclusion of carbon fiber in the catalyst paste increases the pore volume in the electrode to be formed, improving the diffusibility of fuel gas and oxygen gas, and improving the flooding caused by the generated water. Performance is improved.

<その他の添加物>
上記触媒ペーストには、必要に応じてさらに他の成分、たとえば、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などの分散剤や、フッ素系ポリマー、シリコン系ポリマーなどの撥水剤などを添加してもよい。前記分散剤を添加すると、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。また、前記撥水剤を添加すると、生成する水を効率よく排出する効果を奏し、発電性能の向上に寄与する。
<Other additives>
The catalyst paste may contain other components as required, for example, anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, nonionic surfactants, dispersants, fluorine-based polymers, silicon-based polymers. You may add water repellents. When the dispersant is added, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved. Moreover, when the said water repellent is added, there exists an effect which discharges | emits the produced | generated water efficiently, and it contributes to the improvement of power generation performance.

〔膜電極接合体の製造方法〕
本発明の膜電極接合体の第1の製造方法は、上記のようにして支持体上に形成され、脱溶媒処理された芳香族系高分子電解質膜を溶媒浸漬させる工程と、該電解質膜中に溶媒を含浸させた状態で、該電解質膜上に上記触媒ペーストを直接塗布した後、乾燥することに
より触媒層を形成する工程とを含む。
[Production method of membrane electrode assembly]
A first method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention includes a step of immersing an aromatic polymer electrolyte membrane formed on a support and desolvated as described above in a solvent, and in the electrolyte membrane. And applying the catalyst paste directly onto the electrolyte membrane in a state of impregnating with a solvent, followed by drying to form a catalyst layer.

本発明の膜電極接合体の第2の製造方法は、支持体上に形成され、脱溶媒処理された高分子電解質膜上(支持体に対向する面)に触媒ペーストを直接塗布した後、乾燥することにより第1の触媒層を形成する工程と、該支持体を剥離し、第1の触媒層が形成された電解質膜を溶媒浸漬させる工程と、電解質膜中に溶媒を含浸させた状態で、電解質膜上(第1の触媒層が形成されていない面)に触媒ペーストを直接塗布して乾燥することにより、第2の触媒層を形成する工程とを含む。   The second production method of the membrane / electrode assembly of the present invention is such that the catalyst paste is directly applied on the polymer electrolyte membrane formed on the support and subjected to the solvent removal treatment (the surface facing the support), and then dried. A step of forming a first catalyst layer, a step of peeling the support and immersing the electrolyte membrane on which the first catalyst layer is formed in a solvent, and a state in which the electrolyte membrane is impregnated with a solvent. And a step of forming a second catalyst layer by directly applying a catalyst paste on the electrolyte membrane (the surface on which the first catalyst layer is not formed) and drying it.

また、上記第1の触媒層は、上記芳香族系高分子電解質膜を溶媒浸漬させ、該電解質膜中に溶媒を含浸させた状態で、該電解質膜上(支持体に対向する面)に触媒ペーストを塗布・乾燥することにより形成することが好ましい。なお、支持体の剥離は最初の溶媒浸漬前に行ってもよい。   In addition, the first catalyst layer has a catalyst on the electrolyte membrane (a surface facing the support) in a state where the aromatic polymer electrolyte membrane is immersed in a solvent and the electrolyte membrane is impregnated with the solvent. It is preferably formed by applying and drying a paste. In addition, you may perform peeling of a support body before the first solvent immersion.

上記芳香族系高分子電解質膜中に含浸させる溶媒、すなわち該電解質膜を浸漬処理する際に用いられる溶媒は、電解質膜を溶解させない貧溶媒の観点から、水または炭素数が6以下のアルコール水溶液が好ましく、より好ましくは水または炭素数が3以下のアルコール水溶液である。   The solvent to be impregnated in the aromatic polymer electrolyte membrane, that is, the solvent used when immersing the electrolyte membrane is water or an alcohol aqueous solution having 6 or less carbon atoms from the viewpoint of a poor solvent that does not dissolve the electrolyte membrane. More preferred is water or an aqueous alcohol solution having 3 or less carbon atoms.

上記溶媒浸漬後の電解質膜中の溶媒含有量は、電解質膜全重量に対して20〜60重量%、好ましくは20〜50重量%である。したがって、浸漬溶媒として水を用いた場合、溶媒浸漬後の電解質膜中の含水率は20〜60重量%、好ましくは20〜50重量%である。また、溶媒としてアルコール水溶液を用いた場合、溶媒浸漬後の電解質膜中のアルコール含有量は、電解質膜全体に対して0.01〜10重量%、好ましくは0.1〜10重量%であり、電解質膜は、さらに水を上記溶媒含有量の条件を満たす範囲内で含む。   The solvent content in the electrolyte membrane after immersion in the solvent is 20 to 60% by weight, preferably 20 to 50% by weight, based on the total weight of the electrolyte membrane. Therefore, when water is used as the immersion solvent, the water content in the electrolyte membrane after immersion in the solvent is 20 to 60% by weight, preferably 20 to 50% by weight. When an alcohol aqueous solution is used as the solvent, the alcohol content in the electrolyte membrane after immersion in the solvent is 0.01 to 10% by weight, preferably 0.1 to 10% by weight, based on the entire electrolyte membrane. The electrolyte membrane further contains water within a range that satisfies the above-mentioned conditions for the solvent content.

溶媒浸漬後の電解質膜中のアルコール含有量が上記範囲より低いと、電極周辺部の膜減りが改善されないことがあり、一方、上記範囲を超えると、膜の一部が溶解することがある。また、含水率が上記範囲よりも低いと、寸法変化の影響が残り、表面の性状不良が生じることがあり、一方、上記範囲を超えると、電極形成後の寸法変化が大きすぎて電極膜厚の不均一が生じることがある。   If the alcohol content in the electrolyte membrane after immersion in the solvent is lower than the above range, film loss around the electrode may not be improved. On the other hand, if it exceeds the above range, part of the membrane may be dissolved. Also, if the moisture content is lower than the above range, the effect of dimensional change may remain, resulting in poor surface properties.On the other hand, if it exceeds the above range, the dimensional change after electrode formation is too large and the electrode film thickness Non-uniformity may occur.

溶媒浸漬の条件は特に限定されず、浸漬後の電解質膜中の溶媒含有量が上記範囲内となるように、浸漬時間、温度または溶媒濃度などを適宜調整すればよい。
上記触媒ペーストの塗布方法としては、たとえば、間欠塗工法、グラビア塗工法、スプレー塗工法、スクリーン印刷法、ブレード法などが挙げられる。これらの中では、上記第1の触媒層および第2の触媒層のいずれか一方を形成する際の塗布法が、量産性の観点から、間欠塗工法であることが好ましい。また、電極厚みを薄膜化して特性向上を図る観点から、グラビア塗工法、スプレー塗工法またはスクリーン印刷法であることも好ましい。
The conditions for immersing the solvent are not particularly limited, and the immersing time, temperature, solvent concentration, or the like may be appropriately adjusted so that the solvent content in the electrolyte membrane after the immersion is within the above range.
Examples of the method for applying the catalyst paste include an intermittent coating method, a gravure coating method, a spray coating method, a screen printing method, and a blade method. In these, it is preferable that the coating method at the time of forming any one of the said 1st catalyst layer and the 2nd catalyst layer is an intermittent coating method from a viewpoint of mass productivity. Further, from the viewpoint of improving the characteristics by reducing the electrode thickness, it is also preferable to use a gravure coating method, a spray coating method or a screen printing method.

上記触媒ペースト塗布後の溶媒を除去するための乾燥処理は、乾燥温度20℃〜180℃、好ましくは50℃〜160℃で、乾燥時間5分〜600分、好ましくは30分〜400分で行うことができる。また、必要に応じて水浸漬により除去してもよい。水浸漬の条件としては、水浸漬温度が5〜120℃、好ましくは15〜95℃であり、水浸漬時間が1分〜72時間、好ましくは5分〜48時間である
触媒層の厚さは、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面積あたり、0.01〜2.0mg/cm2、好ましくは0.05〜1.
0mg/cm2の範囲で触媒層中に存在することが望ましい。この範囲にあれば、十分に
高い触媒活性が発揮されるとともに、効率的にプロトンを伝導することができる。
The drying treatment for removing the solvent after applying the catalyst paste is performed 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. be able to. Moreover, you may remove by water immersion as needed. As conditions for water immersion, the water immersion temperature is 5 to 120 ° C., preferably 15 to 95 ° C., and the water immersion time is 1 minute to 72 hours, preferably 5 minutes to 48 hours. Although not particularly limited, the metal supported as a catalyst is 0.01 to 2.0 mg / cm 2 , preferably 0.05 to 1 per unit area of the coating.
It is desirable to be present in the catalyst layer in the range of 0 mg / cm 2 . Within this range, sufficiently high catalytic activity is exhibited and protons can be efficiently conducted.

上記のようにして得られる触媒層の細孔容積は、0.05〜3.0ml/g、好ましくは0.1〜2.0ml/gの範囲にあることが望ましい。細孔容積が上記範囲を超えると、機械的特性が低下する傾向にあるとともに、電子伝導およびプロトン伝導経路が切断され、発電性能が低下することがある。一方、細孔容積が上記範囲よりも低いと、水の排出性が悪く、発電性能が低下することがある。   The pore volume of the catalyst layer obtained as described above is 0.05 to 3.0 ml / g, preferably 0.1 to 2.0 ml / g. When the pore volume exceeds the above range, the mechanical properties tend to be lowered, and the electron conduction and proton conduction paths are cut, and the power generation performance may be lowered. On the other hand, if the pore volume is lower than the above range, the water discharge performance is poor and the power generation performance may be lowered.

〔用途〕
本発明の製造方法により得られる膜電極接合体は、固体高分子型燃料電池を構成する膜電極接合体として好適に用いることができる。また、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサなどにも応用することができる。
[Use]
The membrane electrode assembly obtained by the production method of the present invention can be suitably used as a membrane electrode assembly constituting a polymer electrolyte fuel cell. Further, it can be applied to hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor and the like.

[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明を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、イオン交換容量、分子量、含水率およびアルコール含有量の測定ならびに発電性能の評価は下記の方法により行った。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. The ion exchange capacity, molecular weight, water content, and alcohol content were measured and the power generation performance was evaluated by the following method.

(イオン交換容量)
得られたスルホン化ポリマーの水洗水が中性になるまで充分に洗浄して、フリーに残存している酸を除去した。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、中和点からイオン交換容量を求めた。
(Ion exchange capacity)
The resulting sulfonated polymer was thoroughly washed until the washing water became neutral to remove free remaining acid. After drying, a predetermined amount was weighed, phenolphthalein dissolved in a THF / water mixed solvent was used as an indicator, and titration was performed using a standard solution of NaOH, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point.

(分子量)
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、臭化リチウムおよび燐酸を添加した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。
(Molecular weight)
Regarding the molecular weight of polyarylene having no sulfonic acid group, tetrahydrofuran (THF) was used as a solvent, and the molecular weight in terms of polystyrene was determined by GPC. 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 an eluent.

(含水率)
含水率の測定は、水浸漬後の電解質膜を160℃で1時間放置し、加熱前後の質量差から求めた。
(Moisture content)
The water content was measured by leaving the electrolyte membrane immersed in water at 160 ° C. for 1 hour, and determining the difference in mass before and after heating.

(アルコール含有量)
アルコール含有量の測定は、アルコール水溶液中に浸漬後の電解質膜を160℃で1時間放置し、この際に放出されたガスをサンプリングし、ガスクロマトグラフィでアルコール量を求めた。膜中のアルコールが全て放出したと仮定して、この値から膜中のアルコール含有量を算出した。
(Alcohol content)
The alcohol content was measured by leaving the electrolyte membrane immersed in an aqueous alcohol solution at 160 ° C. for 1 hour, sampling the gas released at this time, and determining the alcohol content by gas chromatography. Assuming that all the alcohol in the film was released, the alcohol content in the film was calculated from this value.

(発電性能)
得られた膜電極接合体を単セルとし、酸素極に空気を供給するとともに燃料極に純水素を供給して発電を行った。発電条件は、温度90℃、燃料極側の相対湿度50%、酸素極側の相対湿度50%とした。発電性能は電流密度0.5A/cm2でのセル電圧を測定し
て評価した。
(Power generation performance)
The obtained membrane electrode assembly was made into a single cell, and power was generated by supplying air to the oxygen electrode and supplying pure hydrogen to the fuel electrode. The power generation conditions were a temperature of 90 ° C., a relative humidity of 50% on the fuel electrode side, and a relative humidity of 50% on the oxygen electrode side. The power generation performance was evaluated by measuring the cell voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 .

(電極周辺部の膜減り評価)
電極端部を含む10mm□(A)と、電極端部から20mm離れた点を含む10mm□(B)とを切り出し、断面を走査電子顕微鏡にて観察し、電解質膜部分の厚みを測長した。側長した(B)の厚みと(A)の厚みの差を膜減り量とした。測定点は電極の各頂点および各辺の中点の計8点で行い、平均値を算出した。
(Evaluation of film loss around the electrode)
A 10 mm □ (A) including the electrode end and a 10 mm □ (B) including a point 20 mm away from the electrode end were cut out, the cross section was observed with a scanning electron microscope, and the thickness of the electrolyte membrane portion was measured. . The difference between the thickness of the side length (B) and the thickness of (A) was taken as the amount of film reduction. Measurement points were made at a total of 8 points, each vertex of the electrode and the middle point of each side, and the average value was calculated.

(皺の評価)
膜電極接合体20個を作製し、目視で観察できる皺を計数し平均値を算出した。
<合成例1>
(1)疎水性ユニット(I)の合成
撹拌羽根、温度計および窒素導入管を取り付けた500mLの3口フラスコに、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼン17.8g(50.0mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン15.1g(45.0mmol)、炭酸カリウム8.1g(58.5mol)、スルホラン117gおよびトルエン40gを入れ、窒素雰囲気下、130℃で撹拌した。トルエンとの共沸により水分を取り除いた後、トルエンを系外に取り除き、195℃で7時間撹拌した。反応溶液を100℃まで冷やしてから、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼン5.34g(15.0mmol)を加え、再度195℃で3時間撹拌した。トルエンにより希釈し、セライト濾過により固形分を取り除いた。濾液をメタノール/濃塩酸溶液(メタノール2.0L/濃塩酸0.2L)に注いで反応物を凝固させた。吸引濾過により固体を濾過し、得られた固体をメタノールで洗浄した後、風乾した。これをテトラハイドロフランに再溶解し、メタノール3.0Lに注いで反応物を凝固させた。吸引濾過により固体を濾過し、得られた固体を風乾して、さらに真空乾燥することにより目的の疎水性ユニット22.1gを得た(収率75%)。GPC(ポリスチレン換算)で求めた生成物の数平均分子量(Mn)は8,000、重量平均分子量(Mw)は14,000であった。得られた化合物は下記式(I)で表わされるオリゴマーであることを確認した。
(Acupuncture evaluation)
Twenty membrane electrode assemblies were prepared, and the number of wrinkles that could be observed visually was counted and the average value was calculated.
<Synthesis Example 1>
(1) Synthesis of hydrophobic unit (I) 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) benzene 17.8 g (50.0 mmol) was added to a 500 mL three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer and a nitrogen introduction tube. , 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (15.1 g, 45.0 mmol), potassium carbonate (8.1 g, 58.5 mol), sulfolane (117 g), and toluene (40 g) were added at 130 ° C. under a nitrogen atmosphere. Stir. After removing water by azeotropy with toluene, toluene was removed from the system and stirred at 195 ° C. for 7 hours. The reaction solution was cooled to 100 ° C., 5.33 g (15.0 mmol) of 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) benzene was added, and the mixture was again stirred at 195 ° C. for 3 hours. Diluted with toluene, and solid content was removed by Celite filtration. The filtrate was poured into a methanol / concentrated hydrochloric acid solution (methanol 2.0 L / concentrated hydrochloric acid 0.2 L) to coagulate the reaction product. The solid was filtered by suction filtration, and the obtained solid was washed with methanol and then air-dried. This was redissolved in tetrahydrofuran and poured into 3.0 L of methanol to solidify the reaction product. The solid was filtered by suction filtration, and the obtained solid was air-dried and further vacuum-dried to obtain 22.1 g of the desired hydrophobic unit (yield 75%). The number average molecular weight (Mn) of the product determined by GPC (polystyrene conversion) was 8,000, and the weight average molecular weight (Mw) was 14,000. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the following formula (I).

Figure 2007048557
Figure 2007048557

(2)スルホン化ポリアリーレン(II)の合成
撹拌羽根、温度計および窒素導入管を取り付けた500mL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31.6g(78.7mmol)、(1)で得られた疎水性ユニット14.1g(1.76mmol)、トリフェニルホスフィン8.39g(32.0mmol)、亜鉛12.6g(192mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.09g(3.2mmol)およびよう化ナトリウム0.36g(2.4mmol)をはかりとった。40℃に加熱したオイルバスにフラスコをつけ、2時間真空乾燥した。内部を数回乾燥窒素置換した後、脱水したジメチルアセトアミド100mLを加え、重合を開始した。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。反応終了後、ジメチルアセトアミドを360g加え希釈し、セライト濾過により不溶分を取り除き、固形分含量が12%となるように濃縮した。
(2) Synthesis of sulfonated polyarylene (II) In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 31.6 g (78) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was added. 0.7 mmol), 14.1 g (1.76 mmol) of the hydrophobic unit obtained in (1), 8.39 g (32.0 mmol) of triphenylphosphine, 12.6 g (192 mmol) of zinc, bis (triphenylphosphine) nickel Weighed 2.09 g (3.2 mmol) of dichloride and 0.36 g (2.4 mmol) of sodium iodide. The flask was placed in an oil bath heated to 40 ° C. and dried in vacuum for 2 hours. After the inside was purged with dry nitrogen several times, 100 mL of dehydrated dimethylacetamide was added to initiate polymerization. The polymerization was continued for 3 hours while controlling the reaction temperature not to exceed 90 ° C. After completion of the reaction, 360 g of dimethylacetamide was added for dilution, the insoluble matter was removed by celite filtration, and the solid content was concentrated to 12%.

得られた濃縮液を、撹拌羽根、温度計および窒素導入管を取り付けた1Lの3口フラスコに入れ、臭化リチウム15.1g(173mmol)を加え、120℃で7時間撹拌した。反応終了後、反応液をアセトン4Lに注ぎ、反応物を凝固させた。吸引濾過により固体を濾過し、得られた固体をメタノールで洗浄した後、風乾し、さらに真空乾燥をすることにより目的の重合体30.0gを得た(収率87%)。GPC(ポリスチレン換算)で求めた生成物の数平均分子量は102,000、重量平均分子量は320,000であっ
た。得られたポリマーは、下記式(II)で表わされるスルホン化ポリアリーレンと推定される。このスルホン化ポリアリーレン(II)のイオン交換容量は2.1meq/gであった。
The obtained concentrated liquid was put into a 1 L three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 15.1 g (173 mmol) of lithium bromide was added, and the mixture was stirred at 120 ° C. for 7 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was poured into 4 L of acetone to coagulate the reaction product. The solid was filtered by suction filtration, and the obtained solid was washed with methanol, then air-dried and further vacuum-dried to obtain 30.0 g of the desired polymer (yield 87%). The number average molecular weight of the product determined by GPC (polystyrene conversion) was 102,000, and the weight average molecular weight was 320,000. The obtained polymer is presumed to be a sulfonated polyarylene represented by the following formula (II). The ion exchange capacity of this sulfonated polyarylene (II) was 2.1 meq / g.

Figure 2007048557
Figure 2007048557

〔実施例1〕
(プロトン伝導膜の作製)
上記合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)の15重量%N−メチル−2−ピロリドン(NMP)/メタノール(重量比:67/33)溶液を、PETロール(厚み0.125mm、幅300mm)上に塗工幅250mmで、コンマリバースコーターによりキャストして製膜・乾燥し、水浸漬による脱溶媒を行うことにより、PET上に膜厚40μmのプロトン伝導膜を形成した。
[Example 1]
(Production of proton conducting membrane)
A 15 wt% N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) / methanol (weight ratio: 67/33) solution of the sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 above was added to a PET roll (thickness 0.125 mm, A proton conducting membrane having a film thickness of 40 μm was formed on PET by casting with a comma reverse coater on a width of 300 mm and casting and drying with a comma reverse coater, followed by desolvation by water immersion.

(触媒ペーストの調製)
上記合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)を、水/NMP(重量比:20/80)混合溶液に溶解してポリマー溶液を調製し、該溶液に、カーボンブラックと白金の重量比を50:50とした白金担持カーボン粒子(田中貴金属工業製「TEC10E50E」)および気相成長炭素繊維(昭和電工製「VGCF」)を添加して攪拌・混合することによって触媒ペーストを調製した。
(Preparation of catalyst paste)
The sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 is dissolved in a water / NMP (weight ratio: 20/80) mixed solution to prepare a polymer solution, and the weight of carbon black and platinum is added to the solution. A catalyst paste was prepared by adding platinum-supported carbon particles having a ratio of 50:50 (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and vapor-grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko), and stirring and mixing.

(膜電極接合体の作製)
上記支持体(PET)上に形成され、脱溶媒処理されたプロトン伝導膜を水浸漬(25℃×45分、含水率:30重量%)した。得られたプロトン伝導膜上(支持体と対向する面)に、上記触媒ペーストをスロットダイ間欠塗工し、乾燥して触媒層を形成した。次いで、支持体(PET)を剥離し、再び水浸漬(25℃×45分、含水率:30重量%)させた後、プロトン伝導膜上(前記触媒層と対向する面)に同様の方法で触媒層を形成することにより、膜電極接合体を作製した。このようにして作製した膜電極接合体を用いて発電性能の評価を行った。評価結果を表1に示す。
(Production of membrane electrode assembly)
The proton conductive membrane formed on the support (PET) and subjected to the solvent removal treatment was immersed in water (25 ° C. × 45 minutes, water content: 30% by weight). The catalyst paste was intermittently coated with a slot die on the resulting proton conductive membrane (surface facing the support) and dried to form a catalyst layer. Next, the support (PET) was peeled off and again immersed in water (25 ° C. × 45 minutes, water content: 30% by weight), and then on the proton conductive membrane (surface facing the catalyst layer) in the same manner. A membrane electrode assembly was produced by forming a catalyst layer. The power generation performance was evaluated using the membrane electrode assembly thus prepared. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例2〕
(プロトン伝導膜の作製)
上記合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)の15重量NMP/メタノール(重量比:67/33)溶液を、PETロール(厚み0.125mm、幅300mm)上に塗工幅250mmで、コンマリバースコーターによりキャストして製膜・乾燥し、水浸漬による脱溶媒を行うことにより、PET上に膜厚40μmのプロトン伝導膜を形成した。
[Example 2]
(Production of proton conducting membrane)
A 15 weight NMP / methanol (weight ratio: 67/33) solution of the sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 above was applied to a PET roll (thickness 0.125 mm, width 300 mm) with a coating width of 250 mm. Then, a proton reverse membrane having a film thickness of 40 μm was formed on PET by casting with a comma reverse coater, forming a film, drying, and removing the solvent by immersion in water.

(触媒ペーストの調製)
上記合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)を、水/NMP(重量比:
20/80)混合溶液に溶解してポリマー溶液を調製し、該溶液に、カーボンブラックと白金の重量比を50:50とした白金担持カーボン粒子(田中貴金属工業製「TEC10E50E」)および気相成長炭素繊維(昭和電工製「VGCF」)を添加して攪拌・混合することによって触媒ペーストを調製した。
(Preparation of catalyst paste)
The sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 was mixed with water / NMP (weight ratio:
20/80) A polymer solution is prepared by dissolving in a mixed solution. To this solution, platinum-supported carbon particles (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) with a weight ratio of carbon black to platinum of 50:50 and vapor phase growth are prepared. A catalyst paste was prepared by adding carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko) and stirring and mixing.

(膜電極接合体の作製)
上記支持体(PET)上に形成され、脱溶媒処理されたプロトン伝導膜を、5重量%のメタノール水溶液に浸漬(25℃×30分)した。得られたプロトン伝導膜上(支持体と対向する面)に、上記触媒ペーストをスロットダイ間欠塗工し、乾燥して触媒層を形成した。次いで、支持体(PET)を剥離し、再び前記アルコール水溶液に浸漬処理させた後、プロトン伝導膜上(前記触媒層と対向する面)に同様の方法で触媒層を形成することにより、膜電極接合体を作製した。なお、メタノール水溶液浸漬後の膜中のアルコール含有量は、ガスクロマトグラフィで算出した結果4重量%であり、含水率は25重量%であった。このようにして作製した膜電極接合体を用いて発電性能の評価を行った。評価結果を表1に示す。
(Production of membrane electrode assembly)
The proton conductive membrane formed on the support (PET) and subjected to the solvent removal treatment was immersed (25 ° C. × 30 minutes) in a 5 wt% methanol aqueous solution. The catalyst paste was intermittently coated with a slot die on the resulting proton conductive membrane (surface facing the support) and dried to form a catalyst layer. Next, the support (PET) is peeled off, immersed again in the aqueous alcohol solution, and then a catalyst layer is formed on the proton conductive membrane (the surface facing the catalyst layer) by the same method, whereby a membrane electrode A joined body was produced. The alcohol content in the membrane after immersion in a methanol aqueous solution was 4% by weight as calculated by gas chromatography, and the water content was 25% by weight. The power generation performance was evaluated using the membrane electrode assembly thus prepared. The evaluation results are shown in Table 1.

〔比較例1〕
(プロトン伝導膜の作製)
上記合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)の15重量NMP/メタノール(重量比:67/33)溶液を、PETロール(厚み0.125mm、幅300mm)上に塗工幅250mmで、コンマリバースコーターによりキャストして製膜・乾燥し、水浸漬による脱溶媒を行うことにより、PET上に膜厚40μmのプロトン伝導膜を形成した。
[Comparative Example 1]
(Production of proton conducting membrane)
A 15 weight NMP / methanol (weight ratio: 67/33) solution of the sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 above was applied to a PET roll (thickness 0.125 mm, width 300 mm) with a coating width of 250 mm. Then, a proton reverse membrane having a film thickness of 40 μm was formed on PET by casting with a comma reverse coater, forming a film, drying, and removing the solvent by immersion in water.

(触媒ペーストの調製)
上記合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)を、水/NMP(重量比:20/80)混合溶液に溶解してポリマー溶液を調製し、該溶液に、カーボンブラックと白金の重量比を50:50とした白金担持カーボン粒子(田中貴金属工業製「TEC10E50E」)および気相成長炭素繊維(昭和電工製「VGCF」)を添加して攪拌・混合することによって触媒ペーストを調製した。
(Preparation of catalyst paste)
The sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 is dissolved in a water / NMP (weight ratio: 20/80) mixed solution to prepare a polymer solution, and the weight of carbon black and platinum is added to the solution. A catalyst paste was prepared by adding platinum-supported carbon particles having a ratio of 50:50 (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and vapor-grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko), and stirring and mixing.

(膜電極接合体の作製)
上記支持体(PET)上に形成され、脱溶媒処理されたプロトン伝導膜上(支持体と対向する面)に、上記触媒ペーストをスロットダイ間欠塗工し、乾燥して触媒層を形成した。次いで、支持体(PET)を剥離し、プロトン伝導膜上(前記触媒層と対向する面)に同様の方法で触媒層を形成することにより、膜電極接合体を作製した。このようにして作製した膜電極接合体を用いて発電性能の評価を行った。評価結果を表1に示す。
(Production of membrane electrode assembly)
The catalyst paste was intermittently coated with a slot die on the proton conductive membrane (the surface facing the support) formed on the support (PET) and desolvated, and dried to form a catalyst layer. Next, the support (PET) was peeled off, and a catalyst layer was formed on the proton conductive membrane (the surface facing the catalyst layer) by the same method to produce a membrane electrode assembly. The power generation performance was evaluated using the membrane electrode assembly thus prepared. The evaluation results are shown in Table 1.

〔比較例2〕
(プロトン伝導膜の作製)
上記合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)の15重量NMP/メタノール(重量比:67/33)溶液を、PETロール(厚み0.125mm、幅300mm)上に塗工幅250mmで、コンマリバースコーターによりキャストして製膜・乾燥し、水浸漬による脱溶媒を行うことにより、PET上に膜厚40μmのプロトン伝導膜を形成した。
[Comparative Example 2]
(Production of proton conducting membrane)
A 15 weight NMP / methanol (weight ratio: 67/33) solution of the sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 above was applied to a PET roll (thickness 0.125 mm, width 300 mm) with a coating width of 250 mm. Then, a proton reverse membrane having a film thickness of 40 μm was formed on PET by casting with a comma reverse coater, forming a film, drying, and removing the solvent by immersion in water.

上記支持体(PET)を剥離後、プロトン伝導膜を、5重量%のメタノール水溶液に浸漬(25℃×30分)した。なお、メタノール水溶液浸漬後の膜中のアルコール含有量は、ガスクロマトグラフィで算出した結果4重量%であり、含水率は25重量%であった。   After peeling off the support (PET), the proton conductive membrane was immersed in a 5% by weight aqueous methanol solution (25 ° C. × 30 minutes). The alcohol content in the membrane after immersion in a methanol aqueous solution was 4% by weight as calculated by gas chromatography, and the water content was 25% by weight.

(触媒ペーストの調製)
上記合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)を、水/NMP(重量比:20/80)混合溶液に溶解してポリマー溶液を調製し、該溶液に、カーボンブラックと白金の重量比を50:50とした白金担持カーボン粒子(田中貴金属工業製「TEC10E50E」)および気相成長炭素繊維(昭和電工製「VGCF」)を添加して攪拌・混合することによって触媒ペーストを調製した。
(Preparation of catalyst paste)
The sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 is dissolved in a water / NMP (weight ratio: 20/80) mixed solution to prepare a polymer solution, and the weight of carbon black and platinum is added to the solution. A catalyst paste was prepared by adding platinum-supported carbon particles having a ratio of 50:50 (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and vapor-grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko), and stirring and mixing.

(触媒電極および膜電極接合体の作製)
上記触媒ペーストをカーボンペーパー(東レ製)上にバーコートにより塗工し、160℃、1時間乾燥して触媒電極を形成した。所定の寸法に切断し、上記電解質膜を狭持する形でホットプレスし膜電極接合体を作製した。ホットプレスは温度150℃、圧力100kgf/cm2の条件で15分間行った。このようにして作製した膜電極接合体を用いて
発電性能の評価を行った。評価結果を表1に示す。
(Preparation of catalyst electrode and membrane electrode assembly)
The catalyst paste was coated on carbon paper (manufactured by Toray) by bar coating and dried at 160 ° C. for 1 hour to form a catalyst electrode. It cut | disconnected to the predetermined dimension and hot-pressed in the form which pinched | interposed the said electrolyte membrane, and produced the membrane electrode assembly. Hot pressing was performed for 15 minutes under conditions of a temperature of 150 ° C. and a pressure of 100 kgf / cm 2 . The power generation performance was evaluated using the membrane electrode assembly thus prepared. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 2007048557
Figure 2007048557

表1から明らかなように、実施例1および2は、比較例1および2より優れた発電性能(高いセル電圧)を示していることから、本発明の製造方法で得られた膜電極接合体を用いれば、高い発電効率が得られることが確認された。また、実施例1および2では、電極周辺部の膜減りもなく、皺などの性状不良も非常に少ないことから、長期発電信頼性を有することも確認された。   As is apparent from Table 1, Examples 1 and 2 show power generation performance (high cell voltage) superior to that of Comparative Examples 1 and 2, and thus membrane electrode assemblies obtained by the production method of the present invention. It was confirmed that high power generation efficiency can be obtained by using. Further, in Examples 1 and 2, it was confirmed that long-term power generation reliability was obtained because there was no film thickness reduction around the electrode and there were very few property defects such as wrinkles.

Claims (11)

芳香族系高分子電解質膜を溶媒浸漬させる工程と、
溶媒浸漬後の電解質膜中に該溶媒が20〜60重量%の範囲で含有されている状態で、該電解質膜上に、芳香族系高分子電解質を含む触媒ペーストを塗布した後、乾燥することにより触媒層を形成する工程と
を含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
A step of immersing the aromatic polymer electrolyte membrane in a solvent;
Applying a catalyst paste containing an aromatic polymer electrolyte on the electrolyte membrane in a state where the solvent is contained in an amount of 20 to 60% by weight in the electrolyte membrane after the solvent immersion, and then drying. And a step of forming a catalyst layer by a method for producing a membrane electrode assembly.
芳香族系高分子電解質膜の一方の面に、芳香族系高分子電解質を含む触媒ペーストを塗布した後、乾燥することにより第1の触媒層を形成する工程と、
該第1の触媒層が形成された電解質膜を溶媒浸漬させる工程と、
溶媒浸漬後の電解質膜中に該溶媒が20〜60重量%の範囲で含有されている状態で、該電解質膜における第1の触媒層と対向する面に、芳香族系高分子電解質を含む触媒ペーストを塗布して乾燥することにより第2の触媒層を形成する工程と
を含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
A step of forming a first catalyst layer by applying a catalyst paste containing an aromatic polymer electrolyte to one surface of the aromatic polymer electrolyte membrane and then drying;
Immersing the electrolyte membrane in which the first catalyst layer is formed in a solvent;
A catalyst containing an aromatic polymer electrolyte on the surface of the electrolyte membrane facing the first catalyst layer in a state where the solvent is contained in the range of 20 to 60% by weight in the electrolyte membrane after immersion in the solvent And a step of forming a second catalyst layer by applying and drying a paste.
前記第1の触媒層を形成する前に、前記芳香族系高分子電解質膜を溶媒浸漬させ、溶媒浸漬後の電解質膜中に該溶媒が20〜60重量%の範囲で含有されている状態とすることを特徴とする請求項2に記載の膜電極接合体の製造方法。   Before forming the first catalyst layer, the aromatic polymer electrolyte membrane is immersed in a solvent, and the solvent is contained in the electrolyte membrane after the solvent immersion in a range of 20 to 60% by weight; The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 2 characterized by the above-mentioned. 前記電解質膜を浸漬させる溶媒が炭素数6以下のアルコール水溶液であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the solvent in which the electrolyte membrane is immersed is an aqueous alcohol solution having 6 or less carbon atoms. 前記電解質膜を浸漬させる溶媒が炭素数6以下のアルコール水溶液であり、浸漬後の電解質膜中のアルコール含有量が0.01〜10重量%あることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The solvent for immersing the electrolyte membrane is an alcohol aqueous solution having 6 or less carbon atoms, and the alcohol content in the electrolyte membrane after immersion is 0.01 to 10% by weight. The manufacturing method of the membrane electrode assembly as described in 2. 前記電解質膜を浸漬させる溶媒が水であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the solvent in which the electrolyte membrane is immersed is water. 前記電解質膜を浸漬させる溶媒が水であり、浸漬後の電解質膜の含水率が20〜60重量%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The solvent for immersing the electrolyte membrane is water, and the moisture content of the electrolyte membrane after immersion is 20 to 60% by weight. The production of a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3 Method. 前記電解質膜を浸漬させる溶媒が炭素数3以下のアルコール水溶液であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the solvent in which the electrolyte membrane is immersed is an aqueous alcohol solution having 3 or less carbon atoms. 前記電解質膜を浸漬させる溶媒が炭素数3以下のアルコール水溶液であり、浸漬後の電解質膜中のアルコール含有量が0.01〜10重量%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The solvent for immersing the electrolyte membrane is an alcohol aqueous solution having 3 or less carbon atoms, and the alcohol content in the electrolyte membrane after immersion is 0.01 to 10% by weight. A method for producing a membrane electrode assembly according to claim 1. 前記電解質膜を構成する芳香族系高分子電解質が、下記一般式(A)で表される構成単位と下記一般式(B)で表される構成単位とを含むスルホン化ポリアリーレンからなることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。
Figure 2007048557
[式(A)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−
(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−を示し、
Zは、独立に直接結合、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH3
2−、−O−または−S−を示し、
Arは、−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(pは1〜1
2の整数を示す。)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 2007048557
[式(B)中、AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−SO
−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、
芳香族炭化水素基または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−または−S−を示し、
Bは独立に酸素原子または硫黄原子を示し、
1〜R16は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部が
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、ニトロ基またはニトリル基を示し、
sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。]
The aromatic polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane is composed of a sulfonated polyarylene containing a structural unit represented by the following general formula (A) and a structural unit represented by the following general formula (B). The manufacturing method of the membrane electrode assembly in any one of Claims 1-9 characterized by the above-mentioned.
Figure 2007048557
[In the formula (A), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, —
(CF 2) i - (i is an integer from 1 to 10.) Or -C (CF 3) 2 - indicates,
Z is independently a direct bond, — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —C (CH 3
) 2- , -O- or -S-
Ar is —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p is 1 to 1).
An integer of 2 is shown. An aromatic group having a substituent represented by:
m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. ]
Figure 2007048557
[In the formula (B), A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO
-, - CONH -, - COO -, - (CF 2) i -, (i is an integer of 1~10.) - (CH 2) j -, (j is an integer of 1 to 10.) —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group,
An aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group is shown. ), Cyclohexylidene group, fluorenylidene group, -O- or -S-
B independently represents an oxygen atom or a sulfur atom;
R 1 to R 16 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group partially or wholly halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, or a nitrile group;
s and t each represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more. ]
前記電解質膜を構成する芳香族系高分子電解質と、前記触媒ペーストを構成する芳香族系高分子電解質とが、同一のポリマーからなることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The aromatic polymer electrolyte that constitutes the electrolyte membrane and the aromatic polymer electrolyte that constitutes the catalyst paste are made of the same polymer. Manufacturing method of membrane electrode assembly.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015125888A (en) * 2013-12-26 2015-07-06 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 Anion conductive electrolyte membrane, and method of manufacturing the same

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