JP2007103293A - Membrane electrode assembly, its manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly in which high performance of a polymer electrolyte fuel cell can be maintained for a long period, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: This is the membrane electrode assembly which uses a liquid fuel and has an anode electrode catalyst layer and a cathode electrode catalyst layer containing Ru elements on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and in which after a current of 50 mA/cm<SP>2</SP>is impressed for 100 hours, the ratio of an amount occupied by the Ru element having zero valence out of the whole amount of the Ru element existing in the anode electrode catalyst layer is 40% or more within 5 μm or less from the surface of the solid polymer electrolyte membrane, while the whole amount of the Ru element existing in the cathode electrode catalyst layer is 2% or less of the whole amount of the Ru element existing in the anode electrode catalyst layer. This is the manufacturing method of the electrode assembly wherein a process in which the catalyst containing the Ru element is immersed into water solutions and/or organic solvents having different pHs for a plurality of times and dried, a process in which the catalyst containing a dried Ru element is kneaded with a polymer solution, and a process in which the kneaded catalyst containing the Ru element is coated on the electrode base material or on the solid polymer electrolyte membrane to fabricate the anode electrode catalyst layer are all carried out under nitrogen atmosphere. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜電極複合体および液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell using a membrane electrode assembly and a liquid fuel.

燃料電池は、排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置である。   A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden.

このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯用電子機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどのモバイル機器への搭載が期待されている。   For this reason, it is in the spotlight again in recent years to the protection of the global environment. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable electronic devices, and is expected to be installed in mobile devices such as mobile phones and personal computers instead of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries. .

固体高分子型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の固体高分子型燃料電池(以下、PEFCと称する)に加えて、液体燃料のメタノール水溶液を直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと称する)も注目されている。DMFCは、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In the polymer electrolyte fuel cell, in addition to a conventional polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) using hydrogen gas as a fuel, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) that directly supplies a methanol aqueous solution of liquid fuel. (Referred to as DMFC). Although the DMFC has a lower output than the conventional PEFC, the fuel is liquid and does not use a reformer. Therefore, the energy density is high, and the use time of the portable device per filling is long. is there.

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

たとえば、固体高分子型燃料電池のアノード電極では、メタノール水溶液などの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトン、電子と二酸化炭素を生じ、電子は電極基材にプロトンは高分子固体電解質へと伝導し、二酸化炭素は系外に排出される。このため、アノード電極には、液体燃料の浸み込み、ガスの拡散性、電子伝導性、イオン伝導性が良好なことが要求され、さらにはこれらの性能を維持するために化学的,物理的な安定性が求められる。   For example, in an anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel such as a methanol aqueous solution reacts with a catalyst layer of the anode electrode to generate protons, electrons, and carbon dioxide, and electrons are transferred to the electrode substrate and protons are transferred to the polymer solid electrolyte. Carbon dioxide is discharged out of the system. For this reason, the anode electrode is required to have good liquid fuel penetration, gas diffusivity, electronic conductivity, and ionic conductivity, and to maintain these performances chemically and physically. Stability is required.

一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、高分子固体電解質から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。特に、DMFCにおいては、電解質膜を透過したメタノールと酸素あるいは空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、二酸化炭素と水を生成する反応も起こる。このため、従来のPEFCよりも生成水が多くなるため、さらに効率よく水を排出することが必要となり、アノード同様に、これらの性能を維持するために化学的および物理的安定性が必要となる。   On the other hand, in the cathode electrode, an oxidizing gas such as oxygen or air reacts with protons conducted from the polymer solid electrolyte and electrons conducted from the electrode base material in the cathode electrode catalyst layer to produce water. For this reason, in the cathode electrode, it is necessary to efficiently discharge the generated water in addition to gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity. In particular, in the DMFC, a reaction in which methanol and oxygen or oxygen such as air that has passed through the electrolyte membrane generate carbon dioxide and water in the catalyst layer of the cathode electrode also occurs. For this reason, more water is generated than conventional PEFC, so it is necessary to discharge water more efficiently, and, like the anode, chemical and physical stability is required to maintain these performances. .

特に、液体燃料を用いるDMFCにおいては、アノード電極触媒層のRuが溶解し、カソードで析出することがわかってきた。これらは耐久性の低下を引き起こす原因となる可能性がある。   In particular, in a DMFC using liquid fuel, it has been found that Ru in the anode electrode catalyst layer is dissolved and deposited at the cathode. These may cause a decrease in durability.

しかしながら、現在のアノードに用いられる触媒は多量の可溶なルテニウム化合物を含有している。   However, the catalysts used in current anodes contain large amounts of soluble ruthenium compounds.

このような中でDMFCの耐久性向上を目的に種々の検討が行われている。例としては、シランを含有した3次元架橋構造体および貴金属触媒を担持した炭素微粒子からなることを特徴とする電極触媒層からなる膜電極接合体が提案されている(特許文献1参照)。   Under such circumstances, various studies have been conducted for the purpose of improving the durability of DMFC. As an example, there has been proposed a membrane electrode assembly comprising an electrode catalyst layer characterized by comprising a three-dimensional crosslinked structure containing silane and carbon fine particles supporting a noble metal catalyst (see Patent Document 1).

また、イオン性基を含まないポリマを電極触媒層バインダに用いる例もいくつかあるが、いずれもイオン性基を含むポリマとの混合物で用いられている。たとえば、イオン性基を含まないフッ素樹脂が溶媒中に分散した懸濁液とイオン性基を含むポリマの混合物をバインダとしている触媒層が提案されており(特許文献2参照)、また、触媒層中のポリマとして、イオン交換基を実質的に有しない溶媒可溶性含フッ素重合体とイオン性基を有する溶媒可溶性含フッ素重合体の混合物が(特許文献3参照)提案されている。   In addition, there are some examples in which a polymer containing no ionic group is used for the electrode catalyst layer binder, and all of them are used in a mixture with a polymer containing an ionic group. For example, a catalyst layer is proposed in which a mixture of a suspension in which a fluororesin not containing ionic groups is dispersed in a solvent and a polymer containing ionic groups is used as a binder (see Patent Document 2). As a polymer therein, a mixture of a solvent-soluble fluoropolymer substantially free of ion exchange groups and a solvent-soluble fluoropolymer having an ionic group has been proposed (see Patent Document 3).

しかしながら、上記技術ではルテニウムの溶解を抑制することができず、耐久性の問題を本質的に改善しているわけではなかった。
特開2003−178770号公報 特開2003−109603号公報 特開2001−357858号公報
However, the above technique cannot suppress ruthenium dissolution and does not essentially improve the durability problem.
JP 2003-178770 A JP 2003-109603 A JP 2001-357858 A

上述のように、従来の技術では液体燃料を用いた燃料電池における電極触媒層のRuの溶解、析出を解決できるものはなかった。   As described above, none of the conventional techniques can solve the dissolution and precipitation of Ru in the electrode catalyst layer in a fuel cell using liquid fuel.

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、高性能を長期に維持できる固体高分子型燃料電池用の膜電極複合体とその製造方法、ならびにそれを用いた固体高分子型燃料電池を提供せんとするものである。   In view of the background of such prior art, the present invention does not provide a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining high performance for a long time, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell using the same. It is what.

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。
すなわち、本発明の膜電極複合体は、固体高分子電解質膜の両側にRu元素を含むアノード電極触媒層およびカソード電極触媒層を有した液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池用の膜電極複合体であり、50mA/cm2 の電流を100時間印加した後に、該固体高分子電解質膜表面から5μm以内のアノード電極触媒層に存在するRu元素のうち、ゼロ価のRu元素の占める割合が40%以上であり、カソード電極触媒層内に存在する全Ru元素量がアノード電極触媒層内に存在する全Ru元素量の2%以下であることを特徴とするものである。
The present invention employs the following means in order to solve such problems.
That is, the membrane electrode composite according to the present invention is a membrane electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel having an anode electrode catalyst layer containing Ru element and a cathode electrode catalyst layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. After applying a current of 50 mA / cm 2 for 100 hours, the proportion of zero-valent Ru elements in the Ru electrocatalyst layer within 5 μm from the surface of the solid polymer electrolyte membrane is 40%. %, And the total amount of Ru elements present in the cathode electrode catalyst layer is 2% or less of the total amount of Ru elements present in the anode electrode catalyst layer.

また、本発明の膜電極複合体の製造方法は、Ru元素を含む触媒をpHの異なる水溶液および/または有機溶媒に複数回浸積して乾燥する工程、乾燥したRu元素を含む触媒をポリマ溶液と混練する工程、および混練したRu元素を含む触媒を電極基材上または固体高分子電解質膜上に塗工してアノード電極触媒層を作製する工程、を全て窒素雰囲気下で実施することを特徴とする本発明にかかる膜電極複合体の製造方法である。   Further, the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention includes a step of immersing a catalyst containing Ru element in an aqueous solution and / or an organic solvent having different pHs and drying it, a catalyst containing the dried Ru element in a polymer solution And the step of coating the catalyst containing the kneaded Ru element on the electrode substrate or the solid polymer electrolyte membrane to produce the anode electrode catalyst layer are all carried out in a nitrogen atmosphere. The method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention.

また、本発明の固体高分子型燃料電池は、上述した本発明にかかる膜電極複合体を用いて構成されてなることを特徴とする固体高分子型燃料電池である。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to the present invention described above.

本発明によれば、従来に比べて耐久性に優れた燃料電池を提供することのできる膜電極複合体とその製造方法、さらに燃料電池が提供されるものである。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the membrane electrode assembly which can provide the fuel cell excellent in durability compared with the past, its manufacturing method, and also a fuel cell are provided.

本発明は、前記課題、つまり高性能を長期に維持できる固体高分子型燃料電池用膜電極複合体について、鋭意検討し下記構成が有効であることを見出した。   In the present invention, the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining the above-mentioned problem, that is, high performance for a long time, has been intensively studied and found that the following configuration is effective.

固体高分子電解質膜と接し、液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池用のアノードおよびカソード電極触媒層で、50mA/cm2 の電流を100時間印加した後のアノード電極触媒層について、アノード側膜表面から5μm以内のアノード電極触媒層に存在するRu元素のゼロ価の占める割合が40%以上であり、カソード側の触媒層内に存在する全Ru元素量がアノード触媒層内に存在する全Ru元素量の2%以下にすることにより解決できることを究明した。 An anode side membrane for an anode electrode catalyst layer after applying a current of 50 mA / cm 2 for 100 hours in an anode and cathode electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel in contact with a solid polymer electrolyte membrane The proportion of the Ru element present in the anode electrode catalyst layer within 5 μm within the surface from the zero valence is 40% or more, and the total amount of Ru elements present in the cathode catalyst layer is the total amount of Ru elements present in the anode catalyst layer. It was clarified that the problem can be solved by making the amount of element 2% or less.

従来の検討で、液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池の電極触媒層においてアノード電極触媒層にRuを導入することが高出力化につながることがわかっている。   It has been found from conventional studies that introduction of Ru into the anode electrode catalyst layer in the electrode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell using liquid fuel leads to high output.

しかしながら、実際の使用によりアノード電極触媒層のRuが溶解し、カソードで析出することがわかってきた。これらは耐久性の低下を引き起こす原因となる可能性がある。一方、現在のアノードに用いられる触媒は多量の可溶なルテニウム化合物を含有している。また、カソードには、メタノールクロスオーバーの対策として予めルテニウムを存在させていることもあり、耐久性の向上が難しかった。   However, it has been found that, in actual use, Ru in the anode electrocatalyst layer is dissolved and deposited at the cathode. These may cause a decrease in durability. On the other hand, the catalyst used for the current anode contains a large amount of a soluble ruthenium compound. Further, ruthenium was previously present in the cathode as a measure against methanol crossover, and it was difficult to improve durability.

本発明者らは、鋭意検討の結果、液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池用のアノードおよびカソード電極触媒層で、50mA/cm2 の電流を100時間印加した後のアノード電極触媒層について、アノード側膜表面から5μm以内のアノード電極触媒層に存在するRu元素のゼロ価の占める割合が40%以上であり、カソード側の触媒層内に存在する全Ru元素量がアノード触媒層内に存在する全Ru元素量の2%以下である膜電極複合体の適用により耐久性を高め、かつ十分に出力が得られることを見出したものである。 As a result of intensive studies, the present inventors have investigated the anode electrode catalyst layer after applying a current of 50 mA / cm 2 for 100 hours in an anode and cathode electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell using liquid fuel. The proportion of the zero valence of Ru elements existing in the anode electrode catalyst layer within 5 μm from the anode side membrane surface is 40% or more, and the total amount of Ru elements existing in the cathode side catalyst layer is present in the anode catalyst layer. The present inventors have found that the durability can be enhanced and the output can be sufficiently obtained by applying the membrane electrode assembly having 2% or less of the total amount of Ru elements.

これは、溶解するRu成分を除去した後、窒素雰囲気下で触媒層まで形成することによりアノードのRu元素の化学的安定性が格段に向上したためと考えられている。また、同時にカソードでのRu析出が抑制でき、カソードでの水つまりやポリマーの劣化促進も抑制できたためと考えている。   This is thought to be because the chemical stability of the Ru element in the anode was significantly improved by removing the dissolved Ru component and then forming the catalyst layer in a nitrogen atmosphere. At the same time, it is considered that Ru precipitation at the cathode can be suppressed, and water, that is, polymer deterioration promotion at the cathode can also be suppressed.

具体的には、本発明の膜電極複合体のアノードおよびカソード電極触媒層で、50mA/cm2 の電流を100時間印加した後のアノード電極触媒層について、アノード側膜表面から5μm以内のアノード電極触媒層に存在するRu元素のゼロ価の占める割合が40%以上にする必要があり、耐久性の観点から割合が45%以上であればより好ましく、50%以上であればなお好ましい。 Specifically, with respect to the anode electrode catalyst layer after applying a current of 50 mA / cm 2 for 100 hours in the anode and cathode electrode catalyst layer of the membrane electrode composite of the present invention, the anode electrode within 5 μm from the anode side membrane surface The ratio of the Ru element present in the catalyst layer to the zero valence needs to be 40% or more. From the viewpoint of durability, the ratio is more preferably 45% or more, and even more preferably 50% or more.

あわせて、カソード側の触媒層内に存在する全Ru元素量がアノード触媒層内に存在する全Ru元素量の2%以下であることが必要であり、耐久性の観点から1%以下であればより好ましく、0.5%以下であれば、なお好ましい。   In addition, the total amount of Ru elements present in the catalyst layer on the cathode side needs to be 2% or less of the total amount of Ru elements present in the anode catalyst layer, and may be 1% or less from the viewpoint of durability. More preferably 0.5% or less.

アノード側膜表面から5μm以内のアノード電極触媒層に存在するRu元素のゼロ価の占める割合は、X線光電子分光分析法(XPS)、により測定範囲内のRu元素のプロファイルを求め、そのプロファイルのピーク分割から各価数に依存するRu量が得られ、ゼロ価の占める割合を求めることができる。   The ratio of the zero valence of the Ru element existing in the anode electrocatalyst layer within 5 μm from the anode side membrane surface is obtained by obtaining the profile of the Ru element within the measurement range by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The amount of Ru depending on each valence is obtained from the peak division, and the ratio of the zero valence can be obtained.

また、アノード触媒層中のRu量に対するカソード触媒層中のRu量の比は、切り取ったMEAからカソード電極触媒層、アノード電極触媒層のそれぞれを掻き取り、これらを高温で処理し、残渣をアルカリと酸で溶解して、それぞれの液をICP発光分析法で分析することで、各電極触媒層中のRuを定量することができる。切り出した電極触媒層の面積と、そこに含まれるRuの量から単位面積あたりのRu量を求め、アノード触媒層中のRu量に対するカソード触媒層中のRu量の比を求めることができる。   Further, the ratio of the Ru amount in the cathode catalyst layer to the Ru amount in the anode catalyst layer is determined by scraping each of the cathode electrode catalyst layer and the anode electrode catalyst layer from the cut-out MEA, treating them at a high temperature, and treating the residue with alkali. Ru in each electrode catalyst layer can be quantified by dissolving each solution with an acid and analyzing each solution by ICP emission spectrometry. The Ru amount per unit area can be determined from the area of the cut electrode catalyst layer and the amount of Ru contained therein, and the ratio of the Ru amount in the cathode catalyst layer to the Ru amount in the anode catalyst layer can be determined.

以下に具体的な測定例を挙げるが、50mA/cm2 の電流を100時間印加することができれば、特にこれに限定されるものではない。5cm2 のMEAにおいて、10%のメタノール水溶液をアノード電極に流量1ml/cm2 で流し、セル温度を40℃に温調し、カソードに空気を流量50ml/cm2 で流し、50mA/cm2 以上の電流を100時間印加する。この後、アノード電極触媒層に存在するRu元素のゼロ価の占める割合を、X線光電子分光分析法(XPS)で求める。また、切り出したMEAから各触媒層のRu量をICP発光分析法で求める。 Specific measurement examples are given below, but the measurement is not particularly limited as long as a current of 50 mA / cm 2 can be applied for 100 hours. In a 5 cm 2 MEA, a 10% methanol aqueous solution was flowed to the anode electrode at a flow rate of 1 ml / cm 2 , the cell temperature was adjusted to 40 ° C., and air was flowed to the cathode at a flow rate of 50 ml / cm 2 , 50 mA / cm 2 or more. Is applied for 100 hours. Thereafter, the ratio of the Ru element present in the anode electrode catalyst layer to the zero valence is determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Further, the Ru amount of each catalyst layer is obtained from the cut-out MEA by ICP emission analysis.

本発明の膜電極複合体のアノード電極触媒層は、その用いられるポリマについて特に限定されることはなく、高分子固体電解質やイオン性基を持たないポリマなどいずれのポリマも用いることができる。   The anode electrode catalyst layer of the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited with respect to the polymer used, and any polymer such as a polymer solid electrolyte or a polymer having no ionic group can be used.

具体例としては、触媒粒子を良く分散し、燃料に対して膨潤、変形、溶解せず、燃料電池内の酸化−還元雰囲気で劣化しないポリマが好ましい。   As a specific example, a polymer in which the catalyst particles are well dispersed, does not swell, deform or dissolve in the fuel and does not deteriorate in the oxidation-reduction atmosphere in the fuel cell is preferable.

このようなポリマとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(ETFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、これらの共重合体などの含フッ素樹脂や、ポリイミド(PI)、ポリフェニレンスルフィドスルフォン(PPSS)、ポリスルフォン(PSF)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルスルホン、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール(PBO)などの耐熱・耐酸化性ポリマ、ポリオルガノシロキサンなどのシリコーン樹脂、ポリスチレンやポリエチレン、ポリプロピレンなどの汎用ポリマおよびその誘導体などが挙げられる。これらのポリマの中でも、溶媒に可溶あるいは分散できることから触媒や導電剤との分散性向上が図れるという点で、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、あるいは旭硝子社製「サイトップ」(登録商標)などのフッ素含有ポリマや、ポリイミド(PI)、ポリフェニレンスルフィドスルフォン(PPSS)、ポリスルフォン(PSF)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルスルホン、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール(PBO)などの耐熱・耐酸化性に優れた炭化水素形ポリマが好ましく用いられる。   Such polymers include polytetrafluoroethylene (PTFE), polytetrafluoroethylene-perfluoroalkyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene- Fluorine-containing resins such as ethylene copolymer (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), and copolymers thereof, polyimide (PI), polyphenylene sulfide sulfone (PPSS), polysulfone ( PSF), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene oxide (PPO), polyether ketone (PEK), polyether ether ketone (PEEK), polyether sulfone, polybenzimidazole (PBI), poly Carbonate, polyimide, heat and oxidation resistance polymers such as polybenzoxazole (PBO), silicone resins such as polyorganosiloxanes, polystyrene, polyethylene, such as a general purpose polymers and derivatives thereof, such as polypropylene. Among these polymers, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polytetrafluoroethylene-perfluoropolymer-perfluoroethylene-perfluoroethylene-perfluoroethylene-perfluoroethylene-perfluoroethylene-perfluoroethylene-perfluoroethylene in terms that they can be dissolved or dispersed in a solvent and can be dispersed with a catalyst or a conductive agent. Fluorine-containing polymers such as fluoroalkyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), or “Cytop” (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., polyimide (PI), polyphenylene Sulfide sulfone (PPSS), polysulfone (PSF), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene oxide (PPO), polyether ketone (PEK), polyether ether ketone (PEEK), polyether sulfone, polybenzoy Indazole (PBI), polycarbonate, polyimide, polybenzoxazole (PBO) hydrocarbon type polymer is excellent in heat resistance and oxidation resistance, such as is preferably used.

また、上記ポリマの誘導体としてアニオン性基を含有するものは、出力向上には効果があるが、耐久性の点では低下する場合があるため、使用条件に応じてアニオン性基の含有量を調整する必要がある。   In addition, those containing an anionic group as a derivative of the above polymer are effective in improving the output, but may decrease in durability, so the content of the anionic group is adjusted according to the use conditions There is a need to.

本発明におけるアノード電極触媒層に用いる触媒は、PtとRuを含んでいる必要があるが、これ以外に別の元素を含んでいてもよい。例えば、金、パラジウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、鉄、チタン、銀などの貴金属あるいは遷移金属が好ましく用いられる。このように3種以上の元素を組み合わせるのも好ましく、特に耐久性が向上の観点からも含まれていても構わない。   The catalyst used for the anode electrode catalyst layer in the present invention needs to contain Pt and Ru, but may contain other elements besides this. For example, noble metals or transition metals such as gold, palladium, iridium, cobalt, nickel, iron, titanium and silver are preferably used. It is also preferable to combine three or more elements as described above, and it may be included particularly from the viewpoint of improving durability.

このような好ましい例としては、白金とルテニウムとイリジウム、白金とルテニウムとロジウム、白金とルテニウムとパラジウムなどが挙げられる。触媒は金属のみの粒子であっても、カーボンに担持されていても良く、これらが混合されていても好ましい実施様態である。触媒が、金属のみの粒子と担持カーボンの混合物の場合、これらの混合比率は特に限定されるものではない。また、触媒が担持カーボンの場合、該カーボン材としては下記に挙げる導電剤に用いるカーボンと同様のものが用いられる。   Preferred examples of such include platinum, ruthenium and iridium, platinum, ruthenium and rhodium, platinum, ruthenium and palladium. The catalyst may be a metal-only particle or may be supported on carbon, and even if these are mixed, this is a preferred embodiment. When the catalyst is a mixture of metal-only particles and supported carbon, the mixing ratio is not particularly limited. When the catalyst is supported carbon, the carbon material is the same as the carbon used for the conductive agent listed below.

本発明におけるアノード電極触媒層に含まれる導電剤としては、電子伝導性に優れ電極触媒層内での耐久性に優れるものであれば、特に限定されることなく種々の導電剤を用いることができる。例えば、炭素、金属、金属化合物、合金、半金属や有機導電材などが好ましく使用される。   The conductive agent contained in the anode electrode catalyst layer in the present invention is not particularly limited as long as it has excellent electron conductivity and excellent durability in the electrode catalyst layer, and various conductive agents can be used. . For example, carbon, metal, metal compound, alloy, metalloid, organic conductive material and the like are preferably used.

本発明のアノード電極触媒層に含まれる好ましい導電材としては、比表面積が大きく耐蝕性の点から炭素材料が好ましく、中でもカーボンブラックやナノカーボン材料が特に好ましく使用される。   As a preferable conductive material contained in the anode electrode catalyst layer of the present invention, a carbon material is preferable from the viewpoint of a large specific surface area and corrosion resistance, and among them, carbon black and nanocarbon materials are particularly preferable.

具体的なカーボンブラックとしては、チャネルブラック、サーマルブラック、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、ランプブラックが好ましく、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(登録商標)XC−72R、バルカンP、ブラックパールズ(登録商標)880、ブラックパールズ(登録商標)1100、ブラックパールズ(登録商標)1300、ブラックパールズ(登録商標)2000、リーガル(登録商標)400、ライオン社製ケッチェンブラック(登録商標)EC、三菱化学社製#3150、#3250などが使用され、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(登録商標)などが使用される。これらの中でも、特に、キャボット社製のバルカン(登録商標)XC−72Rが、特に好ましく用いられる。   As specific carbon black, channel black, thermal black, oil furnace black, acetylene black and lamp black are preferable. As oil furnace black, Vulcan (registered trademark) XC-72R, Vulcan P, Black Pearls (manufactured by Cabot Corporation) (Registered Trademark) 880, Black Pearls (Registered Trademark) 1100, Black Pearls (Registered Trademark) 1300, Black Pearls (Registered Trademark) 2000, Regal (Registered Trademark) 400, Ketchen Black (Registered Trademark) EC manufactured by Lion, Mitsubishi Chemical # 3150, # 3250, etc. manufactured by the company are used, and Denka Black (registered trademark) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. is used as the acetylene black. Among these, in particular, Vulcan (registered trademark) XC-72R manufactured by Cabot Corporation is particularly preferably used.

また、ナノカーボン材料としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンなどが好ましく使用される。また、これらのカーボン材料の表面処理物、あるいは混合物を用いることも好ましいことである。また、かかるカーボンブラック以外にも、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、金、パラジウムなども用いることができる。これらの導電材の形態としては、粒子状のほか繊維状のものも用いることができる。   As the nanocarbon material, carbon nanotubes, carbon nanohorns, fullerenes and the like are preferably used. It is also preferable to use a surface treated product or a mixture of these carbon materials. In addition to such carbon black, artificial graphite obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, carbon, gold, palladium, and the like can also be used. These conductive materials may be in the form of particles or fibers.

また、これら炭素材を後処理加工した導電材も用いることが可能である。これら導電材の電極触媒層への添加量としては、重量比率として1〜80%が好ましく、5〜50%がさらに好ましい。本発明の電極触媒層における触媒、導電材、ポリマの混合比率は必要とされる電極特性に応じて適宜決められるべきものであって、特に限定されるものではないが、導電材とポリマの重量比率で(導電材)/(ポリマ)=50/50〜95/5が好ましい。   Moreover, it is also possible to use a conductive material obtained by post-processing these carbon materials. The amount of these conductive materials added to the electrode catalyst layer is preferably 1 to 80%, more preferably 5 to 50% as a weight ratio. The mixing ratio of the catalyst, the conductive material, and the polymer in the electrode catalyst layer of the present invention should be appropriately determined according to the required electrode characteristics, and is not particularly limited, but the weight of the conductive material and the polymer The ratio of (conductive material) / (polymer) = 50/50 to 95/5 is preferable.

本発明におけるアノード電極触媒層の厚さは、メタノール水溶液や二酸化炭素などの反応生成物の液体や気体の移動を妨げない厚さであることが重要である。このため、好ましくは150μm以下であり、より好ましくは100μm以下、特に好ましくは50μm以下であるのがよい。一方、アノード電極触媒層の厚みが薄すぎると触媒を均一に存在させるのが困難になるため、好ましくは1μm以上、より好ましくは5μm以上、特に好ましくは10μm以上であるのがよい。   It is important that the thickness of the anode electrode catalyst layer in the present invention is a thickness that does not hinder the movement of a liquid or gas of a reaction product such as an aqueous methanol solution or carbon dioxide. For this reason, it is preferably 150 μm or less, more preferably 100 μm or less, and particularly preferably 50 μm or less. On the other hand, if the thickness of the anode electrode catalyst layer is too thin, it becomes difficult to make the catalyst uniformly present. Therefore, the thickness is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and particularly preferably 10 μm or more.

電極触媒層の厚みは走査型電子顕微鏡(SEM)あるいは透過型電子顕微鏡(TEM)で100倍から1000倍程度で1cmあたり5カ所の断面を観察し、各観察点で5点厚みを計測し、その平均値を各観察点での代表値とする。この代表値の平均値を電極触媒層厚みとする。   The thickness of the electrode catalyst layer is about 100 to 1000 times with a scanning electron microscope (SEM) or transmission electron microscope (TEM), and 5 cross-sections are measured per 1 cm, and the thickness is measured at each observation point. The average value is a representative value at each observation point. The average value of the representative values is defined as the electrode catalyst layer thickness.

本発明のアノード電極触媒層は、窒素雰囲気下で作製すること以外は、特に限定されるものではない。   The anode electrode catalyst layer of the present invention is not particularly limited except that it is produced under a nitrogen atmosphere.

電極触媒層形成方法の具体例を下記する。電極触媒塗液の混練は、三本ロール、超音波、ホモジナイザー、湿式ジェットミル、乾式ジェットミル、乳鉢、撹拌羽根、衛星式(自転公転型)撹拌器などで行う。混練した電極触媒塗液を、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーターフローコーターなどで塗布、乾燥し、形成する。塗布方法は、塗液の粘度や固形分などに応じ適宜選択する。また、電極触媒層塗液は、後述の電極基材、電解質膜のいずれに塗布することも可能である。また、触媒層を単独で形成することも可能であり、ガラス基材などに塗布、乾燥後、剥離する。さらには別に作製したアノード触媒層を電極基材や高分子固体電解質に転写あるいは挟持させても良い。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、あるいは表面をフッ素やシリコーン系の離型剤処理したガラス板や金属板なども用いられる。   Specific examples of the electrode catalyst layer forming method will be described below. The electrocatalyst coating liquid is kneaded with a triple roll, ultrasonic wave, homogenizer, wet jet mill, dry jet mill, mortar, stirring blade, satellite (rotation and revolution type) stirrer, or the like. The kneaded electrode catalyst coating solution is applied and dried by using a knife coater, bar coater, spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater flow coater or the like. The coating method is appropriately selected according to the viscosity and solid content of the coating solution. Moreover, the electrode catalyst layer coating liquid can be applied to either an electrode base material or an electrolyte membrane described later. Moreover, it is also possible to form a catalyst layer independently, and it peels, after apply | coating to a glass base material etc., drying. Furthermore, an anode catalyst layer produced separately may be transferred or sandwiched between an electrode substrate and a polymer solid electrolyte. 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 fluorine or silicone release agent is also used.

本発明のアノード電極触媒は耐久性向上のために、窒素雰囲気下でpHの異なる水溶液および/または有機溶媒に複数回浸積し乾燥する。これにより溶解性の高いRuを除去し、さらに窒素雰囲気下で処理することで酸化しやすいRu成分も抑制でき、耐久性が向上すると考えている。処理に用いるpHの溶液は特に限定されないが、酸溶液としては塩酸、硫酸、硝酸、王水などの無機酸とその混合液、酢酸やクエン酸などの有機酸とその混合液などが好ましく用いられる。また、塩基性溶液としては水酸化ナトリウム、水酸化カリウムのような無機アルカリの他、種々の有機アルカリを用いることができる。処理とは、窒素雰囲気下で前記液体に浸漬したり、蒸気に接触させたりすることにより行うことができるが、これらに限定されるものではない。また、有機溶媒を混合することで、処理に用いる溶液の表面張力が低下し、触媒粒子、特に、担持カーボン触媒粒子の混合、分散に有効である。さらに溶剤Ruの溶解を促進するために加熱するのも有効な手段である。中でも水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液に浸漬する方法は選択的に溶解性の高いRuを除去でき、好ましい。   In order to improve the durability, the anode electrode catalyst of the present invention is immersed in an aqueous solution and / or an organic solvent having different pHs in a nitrogen atmosphere and dried several times. It is believed that this removes Ru having high solubility and further suppresses Ru components that are easily oxidized by treatment in a nitrogen atmosphere, thereby improving durability. Although the pH solution used for the treatment is not particularly limited, the acid solution is preferably an inorganic acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid or aqua regia and a mixture thereof, an organic acid such as acetic acid or citric acid and a mixture thereof. . As the basic solution, various organic alkalis can be used in addition to inorganic alkalis such as sodium hydroxide and potassium hydroxide. The treatment can be carried out by immersing in the liquid under a nitrogen atmosphere or contacting with a vapor, but is not limited thereto. Further, mixing the organic solvent reduces the surface tension of the solution used for the treatment, which is effective for mixing and dispersing the catalyst particles, particularly the supported carbon catalyst particles. Furthermore, heating is also effective means for promoting dissolution of the solvent Ru. Among them, the method of immersing in a sodium hydroxide aqueous solution or a potassium hydroxide aqueous solution is preferable because it can selectively remove Ru having high solubility.

本発明の膜電極複合体のカソード電極触媒層は、前記のアノード電極触媒層と同じ技術を適用することができるが、窒素雰囲気下での作業に限定されるものではない。   The cathode electrode catalyst layer of the membrane electrode assembly of the present invention can be applied to the same technique as the anode electrode catalyst layer described above, but is not limited to work in a nitrogen atmosphere.

本発明の電極触媒層は、電極基材や電解質膜とともに膜電極複合体(MEA)とすることも好ましい実施態様である。   It is also a preferred embodiment that the electrode catalyst layer of the present invention is a membrane electrode assembly (MEA) together with an electrode substrate and an electrolyte membrane.

本発明の膜電極複合体における電極基材としては、燃料電池に一般に用いられる電極基材が特に限定されることなく用いられる。たとえば、導電性無機物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどが使用され、この導電性無機物質としては、具体的にはポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが使用される。かかる導電性無機質の形態は繊維状あるいは粒子状など特に限定されない。中でも、東レ(株)製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが好ましく用いられる。   As an electrode base material in the membrane electrode assembly of the present invention, an electrode base material generally used for a fuel cell is used without particular limitation. For example, a porous conductive sheet having a conductive inorganic substance as a main constituent material is used. Specific examples of the conductive inorganic substance include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, graphite, and expanded graphite. Carbon materials such as stainless steel, molybdenum and titanium are used. The form of the conductive inorganic material is not particularly limited, such as fibrous or particulate. Among them, carbon paper TGP series, SO series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, etc. are preferably used.

本発明の膜電極複合体における固体高分子電解質膜としては、通常の燃料電池に用いられる電解質であれば、特に限定されるものではないが、プロトン伝導性の高分子材料として固体高分子電解質膜が好ましく用いられる。プロトン伝導性のアニオン性基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基など特に限定されるものではない。   The solid polymer electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited as long as it is an electrolyte used in a normal fuel cell, but the solid polymer electrolyte membrane is used as a proton conductive polymer material. Is preferably used. The proton conductive anionic group is not particularly limited, such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group.

この固体高分子電解質膜は、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体や耐熱性のエンジニアリングプラスチックなどにスルホン酸基などのアニオン性基を有する炭化水素系膜と、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成される共重合体のパーフルオロ系に大別され、燃料電池が用いられる用途や環境に応じて適宜選択されるべきものである。また、部分的にフッ素原子置換した部分フッ素膜も好ましく用いられる。パーフルオロ膜では、DuPont社製ナフィオン(Nafion)(登録商標)、旭化成製アシピレックス(Aciplex)(登録商標)、旭硝子製フレミオン(Flemion)(登録商標)などが例示され、部分フッ素膜では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。中でもイオン性基を有し、耐加水分解性に優れる炭化水素系高分子電解質膜が好ましい。この中でも、非架橋型炭化水素系高分子電解質膜の具体例を挙げれば、イオン性基含有ポリフェニレンオキシド、イオン性基含有ポリエーテルケトン、イオン性基含有ポリエーテルエーテルケトン、イオン性基含有ポリエーテルスルホン、イオン性基含有ポリエーテルエーテルスルホン、イオン性基含有ポリエーテルホスフィンオキシド、イオン性基含有ポリエーテルエーテルホスフィンオキシド、イオン性基含有ポリフェニレンスルフィド、イオン性基含有ポリアミド、イオン性基含有ポリイミド、イオン性基含有ポリエーテルイミド、イオン性基含有ポリイミダゾール、イオン性基含有ポリオキサゾール、イオン性基含有ポリフェニレンなどのイオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマが挙げられる。ここで、イオン性基は、負電荷を有する原子団であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、硫酸基、スルホンイミド基、ホスホン酸基、リン酸基、およびカルボン酸基が好ましく用いられる。   This solid polymer electrolyte membrane is composed of a hydrocarbon-based membrane having an anionic group such as a sulfonic acid group on a styrene-divinylbenzene copolymer or a heat-resistant engineering plastic, a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain. The copolymer is roughly divided into perfluoro-based copolymers, and should be appropriately selected according to the use and environment in which the fuel cell is used. A partial fluorine film partially substituted with fluorine atoms is also preferably used. Examples of the perfluoro membrane include DuPont's Nafion (registered trademark), Asahi Kasei's Aciplex (registered trademark), Asahi Glass Flemion (registered trademark), and the like. Examples include styrene sulfonic acid polymers and polyvinylidene fluoride introduced with sulfonic acid groups. Among these, a hydrocarbon polymer electrolyte membrane having an ionic group and excellent in hydrolysis resistance is preferable. Among these, specific examples of non-crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte membranes include ionic group-containing polyphenylene oxide, ionic group-containing polyether ketone, ionic group-containing polyether ether ketone, and ionic group-containing polyether. Sulfone, ionic group-containing polyether ether sulfone, ionic group-containing polyether phosphine oxide, ionic group-containing polyether ether phosphine oxide, ionic group-containing polyphenylene sulfide, ionic group-containing polyamide, ionic group-containing polyimide, ion An aromatic hydrocarbon polymer having an ionic group such as an ionic group-containing polyetherimide, an ionic group-containing polyimidazole, an ionic group-containing polyoxazole, and an ionic group-containing polyphenylene. Here, the ionic group is not particularly limited as long as it is a negatively charged atomic group, but is preferably one having proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfuric acid group, a sulfonimide group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used.

また、架橋型炭化水素系高分子電解質膜としては、ビニル単量体を主とする架橋構造体が好ましく用いられる。ビニル単量体の具体例としては、アクリロニトリルなどのアクリル系単量体、スチレンなどの芳香族ビニル単量体、N−フェニルマレイミド、N−イソプロピルマレイミド、N−シクロヘキシルマレイミド、N−ベンジルマレイミド、2,2,2−トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル(メタ)アクリレート、1H,1H,5H−オクタフルオロペンチル(メタ)アクリレート、1H,1H,2H,2H−ヘプタデカフルオロデシル(メタ)アクリレートなどの含フッ素単量体が好ましい。また、複数個のビニル基を有する単量体としては、ジビニルベンゼンなどの芳香族多官能単量体類、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノキシエタノール(メタ)フルオレンジアクリレートなどの多価アルコールのジ−、トリ−、テトラ−、ペンタ−、ヘキサ−(メタ)アクリレート類が特に好ましい。特に、上記ビニル単量体を共重合することでさらに好ましいものとなる。   In addition, as the crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte membrane, a crosslinked structure mainly composed of a vinyl monomer is preferably used. Specific examples of the vinyl monomer include acrylic monomers such as acrylonitrile, aromatic vinyl monomers such as styrene, N-phenylmaleimide, N-isopropylmaleimide, N-cyclohexylmaleimide, N-benzylmaleimide, 2 , 2,2-trifluoroethyl (meth) acrylate, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl (meth) acrylate, 1H, 1H, 5H-octafluoropentyl (meth) acrylate, 1H, 1H, 2H, 2H -A fluorine-containing monomer such as heptadecafluorodecyl (meth) acrylate is preferable. In addition, as monomers having a plurality of vinyl groups, aromatic polyfunctional monomers such as divinylbenzene, polyhydric alcohols such as ethylene glycol di (meth) acrylate, bisphenoxyethanol (meth) full orange acrylate, etc. Di-, tri-, tetra-, penta- and hexa- (meth) acrylates are particularly preferred. In particular, it is more preferable to copolymerize the vinyl monomer.

本発明の高分子電解質膜を構成するポリマは、ポリマ分子鎖が拘束されていることも好ましいものであり、その方法は、特に限定されるものではなく、プロトン伝導性を有するポリマと耐水・溶剤性に優れるポリマとを複数種混合することにより拘束効果が発現される。特に、混合に際しては、それぞれのポリマ、具体的にはプロトン伝導性を有するポリマと耐水・溶剤性に優れるポリマとが相溶していることが重要である。また、単に混合するだけでなく、架橋や内部貫入高分子網目などによる方法によっても拘束効果が得られる。   The polymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably one in which the polymer molecular chain is constrained, and the method is not particularly limited, and the polymer having proton conductivity and water resistance / solvent A restraining effect is expressed by mixing a plurality of polymers having excellent properties. In particular, at the time of mixing, it is important that each polymer, specifically, a polymer having proton conductivity and a polymer having excellent water resistance and solvent resistance are compatible with each other. Further, the restraining effect can be obtained not only by mixing but also by a method such as crosslinking or internal penetrating polymer network.

本発明の膜電極複合体における電解質膜は、上記に述べた炭化水素系高分子電解質膜に無機材料を添加した電解質膜、あるいは無機材料のみからなる電解質膜も好ましいものである。これら無機材料としては、アルミナ、シリカ、ゼオライト、チタニア、ジルコニア、セリアなどの金属酸化物、フラレノールなどの炭素材料などが挙げられる。   The electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of the present invention is also preferably an electrolyte membrane obtained by adding an inorganic material to the above-described hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, or an electrolyte membrane made of only an inorganic material. Examples of these inorganic materials include metal oxides such as alumina, silica, zeolite, titania, zirconia, and ceria, and carbon materials such as fullerenol.

また、本発明の膜電極複合体における電解質膜は、プロトン伝導性の電解質が支持体に充填されて膜形状を有するものも好ましいものである。支持体としては、多孔性ポリマフィルム、多孔性無機材料、織布、不織布などが挙げられる。   In addition, the electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of the present invention is preferably one having a membrane shape in which a proton conductive electrolyte is filled in a support. Examples of the support include a porous polymer film, a porous inorganic material, a woven fabric, and a nonwoven fabric.

本発明の膜電極複合体における電解質膜の厚さは、特に限定されるものではなく、プロトン伝導度などの電解質膜の物性とそれが用いられる膜電極複合体(MEA)の性能に応じて決められるべきものである。具体的には、前記の電解質膜の物性およびMEAの性能と作製方法の点から5μm〜500μmが好ましく用いられる。   The thickness of the electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited, and is determined according to the physical properties of the electrolyte membrane such as proton conductivity and the performance of the membrane electrode assembly (MEA) in which it is used. It should be done. Specifically, 5 μm to 500 μm is preferably used from the viewpoint of the physical properties of the electrolyte membrane, the performance of the MEA, and the manufacturing method.

本発明の膜電極複合体の製造方法としては、Ru元素を含む触媒をpHの異なる水溶液および/または有機溶媒に複数回浸積して乾燥する工程、乾燥したRu元素を含む触媒をポリマ溶液と混練する工程、および混練したRu元素を含む触媒を電極基材上または固体高分子電解質膜上に塗工してアノード電極触媒層を作製する工程、を全て窒素雰囲気下で実施することを特徴とするものであるが、該工程を全て窒素雰囲気下で行う以外は、従来から行われている方法が適用できる。   As a method for producing the membrane electrode assembly of the present invention, a step of immersing a catalyst containing Ru element in an aqueous solution and / or an organic solvent having different pHs and drying a plurality of times, a catalyst containing the dried Ru element and a polymer solution The step of kneading and the step of preparing an anode electrode catalyst layer by applying a catalyst containing a kneaded Ru element on an electrode substrate or a solid polymer electrolyte membrane are all performed under a nitrogen atmosphere. However, a conventional method can be applied except that all the steps are performed under a nitrogen atmosphere.

電極触媒層が電極基材上に作製されている場合には、この電極触媒層付き電極基材を固体高分子電解質膜などの電解質と接合するが、この接合条件についても燃料電池の特性に応じて適宜決められるべきものである。また、電極触媒層が電解質膜上に作製されている場合には、この電極触媒層付き電解質膜を電極基材と接合するが、この接合条件についても燃料電池の特性に応じて適宜決められるべきものである。   When the electrode catalyst layer is formed on the electrode substrate, the electrode substrate with the electrode catalyst layer is bonded to an electrolyte such as a solid polymer electrolyte membrane. This bonding condition also depends on the characteristics of the fuel cell. Should be determined accordingly. In addition, when the electrode catalyst layer is formed on the electrolyte membrane, the electrolyte membrane with the electrode catalyst layer is joined to the electrode base material, and the joining conditions should be appropriately determined according to the characteristics of the fuel cell. Is.

本発明の電極触媒層およびそれを用いた膜電極複合体は、固体高分子型燃料電池、特にメタノール水溶液などの液体燃料を用いるダイレクトメタノール形燃料電池に好適に用いることが可能である。   The electrode catalyst layer of the present invention and the membrane electrode assembly using the same can be suitably used for a solid polymer fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell using a liquid fuel such as a methanol aqueous solution.

かかる燃料電池は、特に限定されるものではないが、移動体あるいは携帯機器の電力供給源が好ましく使用されるものである。特に、携帯電話、ノートパソコン、PDA、デジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯機器が好ましく、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道なども好ましい移動体である。   Such a fuel cell is not particularly limited, but a power supply source of a mobile body or a portable device is preferably used. In particular, portable devices such as mobile phones, notebook computers, PDAs, digital cameras, and video cameras are preferable, and automobiles such as passenger cars, buses, and trucks, ships, and railways are also preferable mobiles.

以下、本発明の詳細につき実施例を用いて、各手順に従ってさらに説明する。まず、以下に実施例にて作製したものの評価方法を説明する。   Hereinafter, the details of the present invention will be further described according to each procedure using examples. First, the evaluation method of what was produced in the Example below is demonstrated.

(MEAの評価方法)
電極サイズが5cm2 のMEAをエレクトロケム社製セルに挟みアノード側に20重量%メタノール水溶液を40μl/cm2 /min、カソード側に空気を10ml/cm2 /minを供給し、60℃恒温水で温度制御した状態でMEA評価を行った。評価は徐々に電流を上昇させ、そのときの電圧を測定してMEAの出力を求めた。
(MEA evaluation method)
MEA having an electrode size of 5 cm 2 is sandwiched between cells manufactured by Electrochem, and a 20 wt% aqueous methanol solution is supplied to the anode side at 40 μl / cm 2 / min, and air is supplied to the cathode side at 10 ml / cm 2 / min, and constant temperature water at 60 ° C. The MEA was evaluated while the temperature was controlled at. In the evaluation, the current was gradually increased, and the voltage at that time was measured to obtain the output of the MEA.

(MEAの耐久性)
上記MEAの評価条件にて、MEAに50mA/cm2 で定電流を印加し、100時間評価を行った後、電流をゼロに戻し徐々に電流を上昇させ、そのときの電圧を測定して出力を求め、出力の保持率を耐久性の指標として用いた。
(MEA durability)
Under the above MEA evaluation conditions, a constant current was applied to the MEA at 50 mA / cm 2 , and after 100 hours of evaluation, the current was returned to zero, the current was gradually increased, and the voltage at that time was measured and output. The output retention rate was used as an index of durability.

(アノード電極触媒層のRuの価数の分析)
MEAの耐久性評価後、MEAをセルから外し、MEAの中心部を切り出し、アノード面の電極触媒層を少しずつ剥がし、その断面形態を日立製作所 電界放射型走査電子顕微鏡S−800で観察して、表面からの厚みが5μm以内であるアノード触媒層を作製し、そのアノード触媒層をXPS装置 ESCALAB 220iXLで測定し、Ruの価数ごとの元素数を求めた。
(Analysis of Ru valence of anode electrode catalyst layer)
After evaluating the durability of the MEA, remove the MEA from the cell, cut out the center of the MEA, peel off the electrode catalyst layer on the anode surface little by little, and observe the cross-sectional form with a Hitachi Field Emission Scanning Electron Microscope S-800. Then, an anode catalyst layer having a thickness of 5 μm or less from the surface was prepared, and the anode catalyst layer was measured with an XPS apparatus ESCALAB 220iXL to obtain the number of elements for each valence of Ru.

(電極触媒層中のRu量の測定)
上記のMEAの残りを切り取った。切り取ったMEAからカソード電極触媒層、アノード電極触媒層のそれぞれを掻き取り、重量を測定した。このとき採取した電極触媒層の面積を測定しておき、これらを高温で処理し、残渣をアルカリと酸で溶解した。
(Measurement of the amount of Ru in the electrode catalyst layer)
The remainder of the MEA was cut off. Each of the cathode electrode catalyst layer and the anode electrode catalyst layer was scraped off from the cut-out MEA, and the weight was measured. The area of the electrode catalyst layer collected at this time was measured, these were treated at high temperature, and the residue was dissolved with alkali and acid.

それぞれの液をSII・ナノテクノロジー製シーケンシャル型ICP発光分光分析装置SPS400で分析し、各電極触媒層中のRuを定量した。   Each solution was analyzed with a sequential type ICP emission spectroscopic analyzer SPS400 manufactured by SII / Nanotechnology, and Ru in each electrode catalyst layer was quantified.

電極触媒層の面積と、そこに含まれるRuの量から単位面積あたりのRu量を求め、アノード触媒層中のRu量に対するカソード触媒層中のRu量の比を求めた。   The amount of Ru per unit area was determined from the area of the electrode catalyst layer and the amount of Ru contained therein, and the ratio of the amount of Ru in the cathode catalyst layer to the amount of Ru in the anode catalyst layer was determined.

実施例1
(1)電解質膜の作製および評価
(A)高分子電解質ポリマの作製
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1gを発煙硫酸(50%SO3 )150mL中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、ジソジウム3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た(収量181g、収率86%)。
Example 1
(1) Production and Evaluation of Electrolyte Membrane (A) Production of Polymer Electrolyte Polymer 109.1 g of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 150 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The obtained precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone (yield 181 g, yield 86%).

炭酸カリウムを6.9g、4,4’−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノールを14g、および4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを2.6g、および前記ジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12gを用いて、N−メチル−2−ピロリドン中、190℃で重合を行った。多量の水で再沈することで精製を行い、ポリマーAを得た。得られたポリマーAのプロトン置換膜のスルホン酸基密度は、元素分析より2.4mmol/g、重量平均分子量24万であった。
(B)高分子電解質膜の作製
前記(A)で得られたポリマーAをN,N−ジメチルアセトアミドに溶解し固形分25%の塗液とした。当該塗液をガラス板上に流延塗布し、70℃にて30分さらに100℃にて1時間乾燥して56μmのフィルムを得た。さらに、窒素ガス雰囲気下、200〜300℃まで1時間かけて昇温し、300℃で10分間加熱する条件で熱処理した後、放冷し、1N塩酸に12時間以上浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に1日間以上浸漬して充分洗浄し電解質膜Aを得た。
(2)膜電極複合体(MEA)の作製および評価結果
(A)アノード電極の作製
東レ(株)製カーボンペーパーTGP−H−060に30%ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)懸濁液を用いて撥水処理を行った後、焼成してアノード電極基材を作製した。次に窒素雰囲気下において、以下の手順で触媒の前処理、電極作製を実施した。
6.9 g of potassium carbonate, 14 g of 4,4 ′-(9H-fluorene-9-ylidene) bisphenol, 2.6 g of 4,4′-difluorobenzophenone, and the disodium 3,3′-disulfonate-4 Polymerization was carried out at 190 ° C. in N-methyl-2-pyrrolidone using 12 g of 4,4′-difluorobenzophenone. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of water to obtain polymer A. The density of the sulfonic acid group of the proton-substituted membrane of the obtained polymer A was 2.4 mmol / g and the weight average molecular weight was 240,000 according to elemental analysis.
(B) Production of polymer electrolyte membrane Polymer A obtained in (A) was dissolved in N, N-dimethylacetamide to obtain a coating solution having a solid content of 25%. The coating solution was cast on a glass plate and dried at 70 ° C. for 30 minutes and further at 100 ° C. for 1 hour to obtain a 56 μm film. Furthermore, after heat-treating under conditions of heating to 200 to 300 ° C. over 1 hour in a nitrogen gas atmosphere and heating at 300 ° C. for 10 minutes, the mixture was allowed to cool and immersed in 1N hydrochloric acid for 12 hours or more to perform proton substitution. The electrolyte membrane A was obtained by immersing it in a large excess of pure water for at least one day and thoroughly washing it.
(2) Production of membrane electrode assembly (MEA) and evaluation results (A) Production of anode electrode Using 30% polytetrafluoroethylene (PTFE) suspension on carbon paper TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc. After the water repellent treatment, firing was performed to prepare an anode electrode base material. Next, under a nitrogen atmosphere, catalyst pretreatment and electrode preparation were performed according to the following procedure.

pH14の溶液として水酸化ナトリウム4重量%の2−プロパノール/水混合溶液(2−プロパノール/水=1/9重量比 )を調製し、40℃に温調後、ジョンソンマッセイ社製Pt−Ru担持カーボン、Pt−Ru粒子を混合溶液に30 分浸漬した後、水で洗浄した。その触媒を40℃に温調したpH1のHCl水溶液に1時間浸漬後、再び水で洗浄した。この触媒とポリフッ化ビニリデンおよびジメチルアセトアミドからなるアノード電極触媒塗液を作製し、前記アノード電極基材に塗工、乾燥してアノード電極を作製した。   Prepare a 2-propanol / water mixed solution (2-propanol / water = 1/9 weight ratio) of sodium hydroxide 4% by weight as a pH 14 solution, adjust the temperature to 40 ° C., and then support Pt-Ru manufactured by Johnson Matthey Carbon and Pt—Ru particles were immersed in the mixed solution for 30 minutes and then washed with water. The catalyst was immersed in an aqueous HCl solution having a pH of 1 adjusted to 40 ° C. for 1 hour and then washed again with water. An anode electrode catalyst coating solution comprising this catalyst, polyvinylidene fluoride and dimethylacetamide was prepared, and applied to the anode electrode substrate and dried to prepare an anode electrode.

得られたアノード電極の電極触媒層の厚さは28μm、Ru量は1.4mg/cm2 であった。
(B)カソード電極の作製
E−TEK社製カーボン付クロス基材(LT−1400)上に、田中貴金属工業社製Pt担持カーボン、ジョンソンマッセイ社製Pt粒子、デュポン社製パーフルオロ膜ナフィオン(登録商標)溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。得られたカソード電極の電極触媒層の厚さは45μm、Pt量は2.8mg/cm2 であった。
(C)MEAの作製および評価結果
前記工程(1)の高分子電解質膜を、前記工程(A)と(B)で作製したアノード電極とカソード電極で夾持し加熱プレスすることで膜電極複合体(MEA)を作製した。MEAの出力は40mW/cm2 であった。
(3)MEAの耐久性評価結果、他
前記(2)(C)で作製したMEAの耐久性、アノード電極触媒層のRu元素量に対するゼロ価のRu量の比、およびアノード触媒層中のRu量に対するカソード触媒層中のRu量の比を表1にまとめる。
The thickness of the electrode catalyst layer of the obtained anode electrode was 28 μm, and the amount of Ru was 1.4 mg / cm 2 .
(B) Production of Cathode Electrode Pt-supported carbon manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt particles manufactured by Johnson Matthey Co., perfluoro membrane Nafion manufactured by DuPont (registered) A cathode electrode catalyst coating liquid made of a trademark solution was applied and dried to prepare a cathode electrode. The thickness of the electrode catalyst layer of the obtained cathode electrode was 45 μm, and the amount of Pt was 2.8 mg / cm 2 .
(C) Production and evaluation results of MEA Membrane electrode composite by holding and pressing the polymer electrolyte membrane of the step (1) between the anode electrode and the cathode electrode produced in the steps (A) and (B) A body (MEA) was prepared. The MEA output was 40 mW / cm 2 .
(3) Durability evaluation result of MEA, etc. Durability of MEA produced in (2) and (C) above, ratio of zero-valent Ru amount to Ru element amount of anode electrode catalyst layer, and Ru in anode catalyst layer The ratio of the amount of Ru in the cathode catalyst layer to the amount is summarized in Table 1.

実施例2
(1)電解質膜の作製および評価結果
実施例1の(1)と同様に行った。
(2)膜電極複合体(MEA)の作製および評価結果
実施例1の(2)のアノード電極の作製時に、電極触媒塗液中のポリフッ化ビニリデンの代わりにポリマーAを使用したこと以外は、実施例1(2)と同様にして電極およびMEAを作製し、評価を行った。得られたMEAの出力は43mW/cm2 であった。
(3)MEAの耐久性評価結果、他
実施例1の(3)と同様にした。結果を表1にまとめる。
Example 2
(1) Production of electrolyte membrane and evaluation results The same procedure as in (1) of Example 1 was performed.
(2) Production and evaluation results of membrane electrode assembly (MEA) Except that polymer A was used in place of polyvinylidene fluoride in the electrode catalyst coating solution when producing the anode electrode of (2) of Example 1, In the same manner as in Example 1 (2), electrodes and MEAs were produced and evaluated. The output of the obtained MEA was 43 mW / cm 2 .
(3) Durability evaluation result of MEA, others The same as (3) of Example 1. The results are summarized in Table 1.

実施例3
(1)電解質膜の作製および評価結果
実施例1の(1)と同様に行った。
(2)膜電極複合体(MEA)の作製および評価結果
実施例1の(2)の水酸化ナトリウム5重量%の2−プロパノール/水混合溶液への浸漬、乾燥、2規定のHClに浸漬する一連の工程を2度実施してから使用すること以外は実施例1の(2)と同様にして電極およびMEAを作製し、評価を行った。得られたMEAの出力は38mW/cm2 であった。
(3)MEAの耐久性評価結果、他
実施例1の(3)と同様にした。結果を表1にまとめる。
Example 3
(1) Production of electrolyte membrane and evaluation results The same procedure as in (1) of Example 1 was performed.
(2) Manufacture and Evaluation Results of Membrane Electrode Assembly (MEA) Soaked in 5% by weight 2-hydroxyl / water mixed solution of Example 2 (2), dried, and soaked in 2N HCl An electrode and an MEA were produced and evaluated in the same manner as (2) of Example 1 except that the series of steps was used after being performed twice. The output of the obtained MEA was 38 mW / cm 2 .
(3) Durability evaluation result of MEA, others The same as (3) of Example 1. The results are summarized in Table 1.

実施例4
(1)電解質膜の作製および評価結果
市販のデュポン社製ナフィオン(登録商標)117膜を純水で1時間煮沸してから使用した。
(2)膜電極複合体(MEA)の作製および評価結果
実施例1の(2)と同様に電極およびMEAを作製し、評価を行った。
得られたMEAの出力は39mW/cm2 であった。
(3)MEAの耐久性評価結果、他
実施例1の(3)と同様にした。結果を表1にまとめる。
Example 4
(1) Production and Evaluation Results of Electrolyte Membrane A commercially available Nafion (registered trademark) 117 membrane manufactured by DuPont was used after boiling in pure water for 1 hour.
(2) Production and evaluation results of membrane electrode assembly (MEA) An electrode and MEA were produced and evaluated in the same manner as (2) of Example 1.
The output of the obtained MEA was 39 mW / cm 2 .
(3) Durability evaluation result of MEA, others The same as (3) of Example 1. The results are summarized in Table 1.

比較例1
(1)電解質膜の作製および評価結果
実施例1の(1)と同様に行った。
(2)膜電極複合体(MEA)の作製および評価結果
(A)アノード電極の作製
東レ製カーボンペーパーTGP−H−060に30%ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)懸濁液を用いて撥水処理を行った後、焼成してアノード電極機材を作製した。ジョンソンマッセイ社製Pt−Ru担持カーボン、Pt−Ru粒子、ポリフッ化ビニリデンおよびジメチルアセトアミドからなるアノード電極触媒塗液を大気中で作製し、前記アノード電極機材に塗工、乾燥してアノード電極を作製した。
Comparative Example 1
(1) Production of electrolyte membrane and evaluation results The same procedure as in (1) of Example 1 was performed.
(2) Production of membrane electrode assembly (MEA) and evaluation results (A) Production of anode electrode Water repellent treatment using Toray carbon paper TGP-H-060 with 30% polytetrafluoroethylene (PTFE) suspension After firing, firing was performed to prepare anode electrode equipment. An anode electrode catalyst coating solution made of Johnson Matthey's Pt-Ru-supported carbon, Pt-Ru particles, polyvinylidene fluoride and dimethylacetamide is prepared in the atmosphere, and applied to the anode electrode equipment and dried to prepare an anode electrode. did.

得られたアノード電極の電極触媒層の厚さは31μm、Ru量は1.5mg/cm2 であった。
(B)カソード電極の作製、(C)MEAの作製および評価結果は、実施例1の(2)と同様に行った。得られたMEAの出力は、38mW/cm2 であった。
(3)MEAの耐久性評価結果、他
実施例1の(3)と同様にした。結果を表1にまとめる。
The thickness of the electrode catalyst layer of the obtained anode electrode was 31 μm, and the amount of Ru was 1.5 mg / cm 2 .
(B) Fabrication of cathode electrode, (C) Fabrication of MEA, and evaluation results were the same as in (2) of Example 1. The output of the obtained MEA was 38 mW / cm 2 .
(3) Durability evaluation result of MEA, others The same as (3) of Example 1. The results are summarized in Table 1.

比較例2
(1)電解質膜の作製および評価結果
実施例1の(1)と同様に行った。
(2)膜電極複合体(MEA)の作製および評価結果
実施例1の(2)のアノード電極の作製の窒素雰囲気下での工程を大気中で実施したこと以外は実施例1(2)と同様にして電極およびMEAを作製し、評価を行った。得られたMEAの出力は37mW/cm2 であった。
(3)MEAの耐久性評価結果、他
実施例1の(3)と同様にした。結果を表1にまとめる。
Comparative Example 2
(1) Production of electrolyte membrane and evaluation results The same procedure as in (1) of Example 1 was performed.
(2) Production and Evaluation Results of Membrane Electrode Assembly (MEA) Example 1 (2) except that the step of producing the anode electrode of (1) in Example 1 was performed in the air in the atmosphere. Similarly, an electrode and an MEA were produced and evaluated. The output of the obtained MEA was 37 mW / cm 2 .
(3) Durability evaluation result of MEA, others The same as (3) of Example 1. The results are summarized in Table 1.

比較例3
(1)電解質膜の作製および評価結果
実施例1(1)と同様に行った。
(2)膜電極複合体(MEA)の作製および評価結果
実施例1の(2)のアノード電極の作製の窒素雰囲気下での工程を大気中で実施し、電極触媒塗液中のポリフッ化ビニリデンの代わりにポリマーAを使用したこと以外は、実施例1の(2)と同様にして電極およびMEAを作製し、評価を行った。得られたMEAの出力は39mW/cm2 であった。
(3)MEAの耐久性評価結果、他
実施例1の(3)と同様にした。結果を表1にまとめた。
Comparative Example 3
(1) Production of electrolyte membrane and evaluation results It carried out similarly to Example 1 (1).
(2) Production of Membrane Electrode Assembly (MEA) and Evaluation Results The step of producing the anode electrode in Example 1 (2) under nitrogen atmosphere was carried out in the air, and polyvinylidene fluoride in the electrode catalyst coating solution An electrode and an MEA were prepared and evaluated in the same manner as in (2) of Example 1 except that polymer A was used instead of. The output of the obtained MEA was 39 mW / cm 2 .
(3) Durability evaluation result of MEA, others The same as (3) of Example 1. The results are summarized in Table 1.

比較例4
(1)電解質膜の作製および評価結果
市販のデュポン社製ナフィオン(登録商標)117膜を純水で1時間煮沸してから使用した。
(2)膜電極複合体(MEA)の作製および評価結果
比較例1の(2)と同様に、電極およびMEAを作製し、評価を行った。得られたMEAの出力は39mW/cm2 であった。
(3)MEAの耐久性評価結果、他
実施例1の(3)と同様にした。結果を表1にまとめた。
Comparative Example 4
(1) Production and Evaluation Results of Electrolyte Membrane A commercially available Nafion (registered trademark) 117 membrane manufactured by DuPont was used after boiling in pure water for 1 hour.
(2) Production and evaluation results of membrane electrode assembly (MEA) In the same manner as in (2) of Comparative Example 1, an electrode and MEA were produced and evaluated. The output of the obtained MEA was 39 mW / cm 2 .
(3) Durability evaluation result of MEA, others The same as (3) of Example 1. The results are summarized in Table 1.

Figure 2007103293
Figure 2007103293

Claims (5)

固体高分子電解質膜の両側にRu元素を含むアノード電極触媒層およびカソード電極触媒層を有した液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池用の膜電極複合体であり、50mA/cm2 の電流を100時間印加した後に、該固体高分子電解質膜表面から5μm以内のアノード電極触媒層に存在するRu元素のうち、ゼロ価のRu元素の占める割合が40%以上であり、カソード電極触媒層内に存在する全Ru元素量がアノード電極触媒層内に存在する全Ru元素量の2%以下であることを特徴とする膜電極複合体。 A membrane electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel having an anode electrode catalyst layer and a cathode electrode catalyst layer containing Ru element on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and having a current of 50 mA / cm 2 After 100 hours of application, the proportion of zero-valent Ru element in the Ru element present in the anode electrode catalyst layer within 5 μm from the surface of the solid polymer electrolyte membrane is 40% or more. A membrane electrode assembly, wherein the total amount of Ru elements present is 2% or less of the total amount of Ru elements present in the anode electrode catalyst layer. 該固体高分子電解質膜が、炭化水素系固体高分子電解質膜であることを特徴とする請求項1記載の膜電極複合体。   2. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the solid polymer electrolyte membrane is a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane. Ru元素を含む触媒をpHの異なる水溶液および/または有機溶媒に複数回浸積して乾燥する工程、乾燥したRu元素を含む触媒をポリマ溶液と混練する工程、および混練したRu元素を含む触媒を電極基材上または固体高分子電解質膜上に塗工してアノード電極触媒層を作製する工程、を全て窒素雰囲気下で実施することを特徴とする請求項1または2記載の膜電極複合体の製造方法。   A step of immersing a catalyst containing Ru element in an aqueous solution and / or an organic solvent having different pH several times and drying, a step of kneading the dried Ru element containing catalyst with a polymer solution, and a catalyst containing the kneaded Ru element 3. The membrane electrode composite according to claim 1 or 2, wherein the step of coating the electrode substrate or the solid polymer electrolyte membrane to produce the anode electrode catalyst layer is all carried out in a nitrogen atmosphere. Production method. 請求項1〜2のいずれかに記載の膜電極複合体を用いて構成されてなることを特徴とする固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1. 燃料として液体燃料を用いるものであり、該液体燃料がメタノールであることを特徴とする請求項4記載の固体高分子型燃料電池。   5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein liquid fuel is used as fuel, and the liquid fuel is methanol.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009152143A (en) * 2007-12-21 2009-07-09 Asahi Glass Co Ltd Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell, and method of manufacturing membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
WO2011152111A1 (en) * 2010-05-31 2011-12-08 株式会社エクォス・リサーチ Apparatus for production of catalyst layer for fuel cell, and method for production of catalyst layer for fuel cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009152143A (en) * 2007-12-21 2009-07-09 Asahi Glass Co Ltd Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell, and method of manufacturing membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
WO2011152111A1 (en) * 2010-05-31 2011-12-08 株式会社エクォス・リサーチ Apparatus for production of catalyst layer for fuel cell, and method for production of catalyst layer for fuel cell
JP2012015090A (en) * 2010-05-31 2012-01-19 Equos Research Co Ltd Apparatus and method for producing fuel cell catalyst layer

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