JP2007123122A - Electrolyte membrane for fuel cell and membrane electrode assembly - Google Patents

Electrolyte membrane for fuel cell and membrane electrode assembly Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane which has a concentration distribution of particulates with very short steps in a direction of membrane thickness. <P>SOLUTION: The particulate-containing electrolyte membrane for a fuel cell has a concentration gradient of particulates in a membrane in a direction of membrane thickness by utilizing an interaction of a base plate and the particulates. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用電解質膜および膜電極接合体(以下、単にMEAとも略記する。)に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane for a fuel cell and a membrane electrode assembly (hereinafter also simply referred to as MEA).

ガスの電気化学的反応により電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用、低公害の自動車用電源等、種々の用途が期待されている。燃料電池は、その電解質により分類することができ、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子型燃料電池等が知られている。なかでも、固体高分子型燃料電池は、80℃程度の温度で作動させることができるため、他の種類の燃料電池と比較して取扱いが比較的容易であり、また、出力密度が極めて大きいことから、その利用が期待されるものである。固体高分子型燃料電池は、通常、プロトン伝導性のある高分子膜である固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設けたセルを発電単位として、このセルを多数積層して構成される。そして、燃料となる水素ガス等を電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を他方の電極(空気極)へ供給して起電力を得るものである。そして、電解質として用いる固体高分子電解質膜としては、全フッ素系スルホン酸膜等の高分子膜が用いられている。   Fuel cells that generate electricity through the electrochemical reaction of gas have high power generation efficiency, and the exhausted gas is clean and has very little impact on the environment. The use of is expected. Fuel cells can be classified according to their electrolytes. For example, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, solid polymer fuel cells, and the like are known. In particular, the polymer electrolyte fuel cell can be operated at a temperature of about 80 ° C., and therefore it is relatively easy to handle and has a very high output density compared to other types of fuel cells. Therefore, its use is expected. A polymer electrolyte fuel cell is usually configured by stacking a large number of cells using a cell having a pair of electrodes on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, which is a proton conductive polymer membrane, as a power generation unit. . Then, hydrogen gas or the like as fuel is supplied to an electrode (fuel electrode), and oxygen gas or air is supplied to the other electrode (air electrode) to obtain an electromotive force. As the solid polymer electrolyte membrane used as the electrolyte, a polymer membrane such as a perfluorinated sulfonic acid membrane is used.

固体高分子型燃料電池を作動させる温度は、上述のように、80℃程度と比較的高温である。また、触媒活性の向上、排熱の有効利用、冷却効率の向上等の観点から、さらに作動温度を高くすることが望まれている。しかし、電池を高温で作動させる場合には、高
分子材料からなる固体高分子電解質膜の強度が問題となる。つまり、高温下では固体高分子電解質膜の弾性率が低下し膜の強度が低下してしまうというおそれがある。
The temperature at which the polymer electrolyte fuel cell is operated is a relatively high temperature of about 80 ° C. as described above. In addition, it is desired to further increase the operating temperature from the viewpoints of improvement in catalyst activity, effective use of exhaust heat, improvement in cooling efficiency, and the like. However, when the battery is operated at a high temperature, the strength of the solid polymer electrolyte membrane made of a polymer material becomes a problem. That is, at a high temperature, there is a risk that the elastic modulus of the solid polymer electrolyte membrane is lowered and the strength of the membrane is lowered.

固体高分子電解質膜の強度を向上させる試みの一つとして、特許文献1には、無機材料複合高分子膜の製造方法として、高分子膜に溶質が前記無機材料の原料となる化合物である原料溶液を含浸させる原料溶液含浸工程と、前記原料溶液を含浸させた高分子膜の両表面のうち少なくとも一方の膜表面に第2液を接液させることで、前記溶質を移動させて膜厚方向に該溶質の濃度勾配を調整する溶質濃度勾配調整工程と、前記溶質を反応させて前記無機材料の微粒子を析出させる無機材料析出工程とを含んで構成している膜厚方向に無機微粒子の濃度勾配を有する微粒子分散電解質膜およびその製造方法が提案されている。   As one of the attempts to improve the strength of the solid polymer electrolyte membrane, Patent Document 1 discloses, as a method for producing an inorganic material composite polymer membrane, a raw material that is a compound in which a solute is a raw material for the inorganic material in the polymer membrane. A film solution direction by moving the solute by bringing the second liquid into contact with at least one of the surfaces of the raw material solution impregnating step for impregnating the solution and the polymer film impregnated with the raw material solution. The concentration of the inorganic fine particles in the film thickness direction includes a solute concentration gradient adjusting step for adjusting the concentration gradient of the solute and an inorganic material precipitation step for reacting the solute to precipitate fine particles of the inorganic material. A fine particle dispersed electrolyte membrane having a gradient and a method for producing the same have been proposed.

この無機材料複合高分子膜では、微粒子状の無機材料が濃度勾配をもって高分子膜内に分散しているため、その濃度勾配を調整することにより、膜の強度の向上や膜の水管理性あるいは電極との良好な接着性等、様々な要求に応じた電解質膜になるというものである。
特開2002−352818号公報
In this inorganic material composite polymer membrane, fine particle inorganic material is dispersed in the polymer membrane with a concentration gradient. Therefore, by adjusting the concentration gradient, the strength of the membrane can be improved and the water management property of the membrane can be improved. The electrolyte membrane meets various requirements such as good adhesion to the electrode.
JP 2002-352818 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の製造方法では、無機材料複合高分子膜の作製ステップが3段階に渡り、工数が増大するため製造コストも増大するといった問題点がある。また、この手法では反応前の無機材料を分散させる必要があり、適用できる無機材料の幅が限られているといった問題点がある。   However, the manufacturing method described in Patent Document 1 has a problem in that the manufacturing steps of the inorganic material composite polymer film are divided into three stages, and the number of steps increases, resulting in an increase in manufacturing cost. In addition, this method has a problem that it is necessary to disperse the inorganic material before the reaction, and the width of the applicable inorganic material is limited.

そこで、本発明では、従来に比べて非常に短いステップで膜厚方向に微粒子の濃度分布をもつ電解質膜および電解質膜−電極接合体を得ることを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to obtain an electrolyte membrane and an electrolyte membrane-electrode assembly having a fine particle concentration distribution in the film thickness direction in a very short step compared to the conventional art.

そこで、本発明者は、製膜過程において膜中の微粒子の濃度勾配をつけることを可能にした。これにより製造工数を増やすことなく一段階で製膜が可能となることを見出し本発明を完成するに至ったものである。   Therefore, the present inventor has made it possible to create a concentration gradient of fine particles in the film during the film forming process. As a result, it has been found that the film can be formed in one step without increasing the number of manufacturing steps, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、基板と微粒子の相互作用を利用することで膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけたことを特徴とする燃料電池用微粒子含有電解質膜により上記目的が達成される。   That is, the object of the present invention is achieved by a fuel cell fine particle-containing electrolyte membrane characterized in that the concentration gradient of the fine particles in the film is provided in the film thickness direction by utilizing the interaction between the substrate and the fine particles.

本発明によれば、製膜過程において電解質膜中の微粒子濃度を厚み方向に制御して分散させることが可能になるため、工数の増大とならず非常に短いステップで微粒子分散電解質膜が作製可能となる。   According to the present invention, it is possible to control and disperse the fine particle concentration in the electrolyte membrane in the thickness direction during the film formation process, so that it is possible to produce a fine particle dispersed electrolyte membrane in a very short step without increasing the number of steps. It becomes.

また、本発明では、基板と微粒子の相互作用を利用することで、膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向に、例えば、電解質膜(更にはMEA)の外側方向に親水性微粒子が偏在するようにつけた場合(図1〜3参照のこと)、電解質膜(更にはMEA)の中心部位からの排水効果が増大し、フラッディングを抑制する効果がある。   Further, in the present invention, by utilizing the interaction between the substrate and the fine particles, hydrophilic fine particles are unevenly distributed in the concentration direction of the fine particles in the film in the film thickness direction, for example, in the outer direction of the electrolyte membrane (or MEA). When attached in such a manner (see FIGS. 1 to 3), the drainage effect from the central portion of the electrolyte membrane (and also the MEA) is increased, and flooding is effectively suppressed.

また、本発明では、基板と微粒子の相互作用を利用することで、膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向に、例えば、電解質膜(更にはMEA)の厚み方向全体に親水性微粒子の勾配をつけた場合、電解質膜(更にはMEA)の厚み方向で水分を任意の方向に移動させることができる。なお、上記では、親水性微粒子を用いた場合の効果につき説明したが、疎水性微粒子を用いた場合でも、同様の効果を発現させることができるように、膜中の疎水性微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけることができる。   Further, in the present invention, by utilizing the interaction between the substrate and the fine particles, the concentration gradient of the fine particles in the film is in the film thickness direction, for example, the gradient of the hydrophilic fine particles in the entire thickness direction of the electrolyte membrane (or MEA). When is attached, moisture can be moved in an arbitrary direction in the thickness direction of the electrolyte membrane (and also MEA). In the above description, the effect of using the hydrophilic fine particles has been described. However, the concentration gradient of the hydrophobic fine particles in the film is set so that the same effect can be exhibited even when the hydrophobic fine particles are used. It can be applied in the film thickness direction.

本発明の燃料電池用微粒子含有電解質膜は、基板と微粒子の相互作用を利用することで電解質膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけたことを特徴とするものである。   The fine particle-containing electrolyte membrane for fuel cells of the present invention is characterized in that the concentration gradient of fine particles in the electrolyte membrane is provided in the film thickness direction by utilizing the interaction between the substrate and the fine particles.

本発明によれば、基板と微粒子の相互作用を利用して電解質膜中の微粒子(例えば、親水性微粒子)の濃度勾配を膜厚方向に、例えば、電解質膜(更にはMEA)の中心方向に親水性微粒子を偏在させて濃度勾配をつけることにより、電解質膜(更にはMEA)中に水をとどめることができ、燃料電池発電中のドライアウトを抑制する効果を得ることができる。   According to the present invention, the concentration gradient of the fine particles (for example, hydrophilic fine particles) in the electrolyte membrane is utilized in the film thickness direction by utilizing the interaction between the substrate and the fine particles, for example, in the center direction of the electrolyte membrane (further, MEA). By making the hydrophilic fine particles unevenly distributed and providing a concentration gradient, water can be retained in the electrolyte membrane (and also the MEA), and an effect of suppressing dryout during fuel cell power generation can be obtained.

また、本発明によれば、基板と微粒子の相互作用を利用することで、膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向に、例えば、電解質膜(更にはMEA)の外側方向に親水性微粒子を偏在させて濃度勾配をつけることにより(図1〜3参照のこと)、電解質膜(更にはMEA)の中心部位からの排水効果が増大し、フラッディングを抑制する効果を得ることができる。   In addition, according to the present invention, by utilizing the interaction between the substrate and the fine particles, the concentration gradient of the fine particles in the film is increased in the film thickness direction, for example, the hydrophilic fine particles are applied in the outer direction of the electrolyte membrane (or MEA). By providing a concentration gradient by uneven distribution (see FIGS. 1 to 3), the drainage effect from the central portion of the electrolyte membrane (and also the MEA) is increased, and the effect of suppressing flooding can be obtained.

更に、本発明によれば、基板と微粒子の相互作用を利用することで、膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向に、例えば、電解質膜(更にはMEA)の厚み方向全体に親水性微粒子の濃度勾配をつけることで、MEAの厚み方向で水分を任意の方向に移動させることができる。   Furthermore, according to the present invention, by utilizing the interaction between the substrate and the fine particles, the concentration gradient of the fine particles in the film is increased in the film thickness direction, for example, the hydrophilic fine particles in the entire thickness direction of the electrolyte membrane (or MEA). By providing the concentration gradient, moisture can be moved in any direction in the thickness direction of the MEA.

また、本発明によれば、製膜過程で電解質膜中の微粒子濃度を厚み方向に制御して分散させることが可能になる。そのため、工数の増大とならず非常に短いステップで微粒子分散電解質膜を作製することができる。その結果、従来の複数ステップを要する微粒子分散電解質に比して、より安価な電解質膜を提供することができる。   Moreover, according to the present invention, it is possible to control and disperse the fine particle concentration in the electrolyte membrane in the thickness direction during the film forming process. Therefore, the fine particle dispersed electrolyte membrane can be produced in a very short step without increasing the number of steps. As a result, a cheaper electrolyte membrane can be provided as compared with the conventional fine particle-dispersed electrolyte that requires a plurality of steps.

ここで、基板と微粒子の相互作用としては、例えば、親水−親水相互作用、疎水−疎水相互作用、π−π相互作用、静電的相互作用(静電反発を含む)、電荷移動相互作用(電子供与体と電子受容体との間の相互作用)、双極子−双極子相互作用(水素結合、永久双極子間相互作用、永久双極子−誘起双極子相互作用、一時双極子−誘起双極子間相互作用、ファンデアワールス力などを含む)、配位結合、親和性などの相互作用が挙げられる。かかる相互作用は、1種の相互作用を単独で利用してもよいし、2種以上の相互作用を適宜組み合わせて利用してもよい。   Here, as the interaction between the substrate and the fine particles, for example, hydrophilic-hydrophilic interaction, hydrophobic-hydrophobic interaction, π-π interaction, electrostatic interaction (including electrostatic repulsion), charge transfer interaction ( Interaction between electron donor and electron acceptor), dipole-dipole interaction (hydrogen bond, permanent dipole interaction, permanent dipole-induced dipole interaction, temporary dipole-induced dipole) Interactions, van der Waals forces, etc.), coordination bonds, and affinity interactions. Such interaction may use one kind of interaction alone, or may use two or more kinds of interactions in appropriate combination.

以下、本発明の実施形態の1例として親水−親水相互作用を利用する例を中心に説明する。但し、本発明がこれらに制限されるものではなく、他の相互作用についても、親水−親水相互作用と同様にして行うことができるものである。   Hereinafter, an example using the hydrophilic-hydrophilic interaction will be mainly described as an example of the embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to these, and other interactions can be performed in the same manner as the hydrophilic-hydrophilic interaction.

I.第1実施形態;親水−親水相互作用を利用する形態
基板と微粒子の親水−親水相互作用を利用する形態としては、例えば、基板と微粒子共に親水性のものを用いて、基板と微粒子の間に、分子間力(引力)を働かせるものである。1例を挙げれば、親水化したシリカ微粒子と親水化したシリカ基板(共にピラニア処理など)が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。本実施形態によれば、親水性の微粒子を分散させたい場合や膜厚方向に親水性の濃度勾配をつけたい場合に基板を調節するだけで容易に濃度分布を制御可能となる点で優れている。
I. First Embodiment: Form Utilizing Hydrophilic-Hydrophilic Interaction As a form utilizing the hydrophilic-hydrophilic interaction between the substrate and the fine particles, for example, a hydrophilic material is used for both the substrate and the fine particles. , Intermolecular force (attraction) is exerted. For example, hydrophilic silica fine particles and hydrophilic silica substrates (both piranha treatment, etc.) may be mentioned, but are not limited thereto. According to this embodiment, it is excellent in that the concentration distribution can be easily controlled only by adjusting the substrate when it is desired to disperse hydrophilic fine particles or when a hydrophilic concentration gradient is desired in the film thickness direction. Yes.

(i)微粒子
上記微粒子は、親水性を持つもの(単に親水性微粒子ともいう)、親水性を付与したもの(単に親水化微粒子ともいう)のいずれであってもよい。本実施形態では、こうした微粒子を1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(I) Fine particles The fine particles may be either hydrophilic (also simply referred to as hydrophilic fine particles) or imparted with hydrophilicity (also simply referred to as hydrophilic fine particles). In the present embodiment, these fine particles may be used alone or in combination of two or more.

また、これらの微粒子は、例えば、ヒドロキシル基(−OH)、−カルボキシル基(−COOH)、アミノ基(−NH)、カルボニル基(−CO)、スルホン基、スルホン酸基(−SOH)、ペプチド結合(−CONH−)、エーテル結合(−COO−)、シアノ基(−CN)、ポリオキシエチレン基、チオール基(−SH)、アルデヒド基(−COH)、アミド基(−CONH)、イミド基、イミダゾール(ヘテロ環)基、エステル結合(−O−)、ホスホジエステル結合(−O−P(=O)OH−O−)などの親水性の官能基(但しこれらの官能基に何ら制限されるものではない。)をその表面ないし内部に一種類以上有している化合物により形成(ないし含有)されているものが望ましい。 These fine particles are, for example, hydroxyl group (—OH), —carboxyl group (—COOH), amino group (—NH 2 ), carbonyl group (—CO), sulfone group, sulfonic acid group (—SO 3 H). ), a peptide bond (-CONH-), ether bond (-COO-), a cyano group (-CN), polyoxyethylene group a thiol group (-SH), aldehyde group (-COH), amide groups (-CONH 2 ), Imide group, imidazole (heterocyclic) group, ester bond (—O—), phosphodiester bond (—O—P (═O) OH—O—), etc. (however, these functional groups) Are preferably formed (or contained) by a compound having one or more types on the surface or inside thereof.

また、微粒子の材料については、該微粒子を含有した電解質膜として用いた燃料電池を運転した際に、該電解質膜内で安定して存在できるものであれば、その種類を特に制限するものではない。有機、無機のいずれの化合物により形成された微粒子であってもよい。有機微粒子の場合には、親水-親水相互作用のほか、使用材料によっては更に、π−π相互作用、静電的相互作用等を有効に利用することができ、表面制御の容易性や使用できる化合物の種類が無限にある点で優れている。また、有機微粒子の場合には、無機微粒子に比して電解質膜の膜表面近傍に多く存在しても、電解質膜と電極との間で極めて良好な接着性を発現させることができ、電池反応を充分に進行させることができる点で優れている。その結果、MEAの耐久性が高く、電池特性に優れた燃料電池を提供することができる。ただし、本発明では、後述する各実施形態に示すように、無機微粒子表面を各種の相互作用が得られるように改質して用いられることから、有機微粒子と同程度の極めて高い接着性を発現させることができる場合も多い。一方、基板と微粒子の相互作用により、MEAの中心方向に微粒子を偏在させる場合には、更に微粒子と電極との接着性によらず、電極と電解質膜を良好に接着させることができる。そのため、微粒子材料が制約されることもないので、基板と微粒子の間で所望の相互作用を選択することもできる。そのため、例えば、基板と微粒子の間で親水−親水相互作用を選択できるように、親水性基板と親水性微粒子を用いれば、MEAの中心方向に親水性微粒子を偏在させることができ、燃料電池の発電中のドライアウトを抑制することができる。一方、無機微粒子の場合には、耐酸化性、寸法安定性のほか、耐熱性、機械的強度等に優れる無機微粒子が電解質膜中に固定化されているため、電解質膜の強度を向上させることができる。また高温下で使用した場合にも、耐熱性に優れた無機微粒子が電解質膜の立体構造を補強する効果を奏することができるため、高強度を長期間にわたって保持することができる。の点で優れている。従って、これら有機、無機微粒子は、使用用途に応じて、適宜使い分けてもよいし、併用してもよい。当該要件は、本実施形態、更には後述する他の実施形態に制限されるものではなく、本発明全般に適用しえるものである。   The material of the fine particles is not particularly limited as long as the material can be stably present in the electrolyte membrane when the fuel cell used as the electrolyte membrane containing the fine particles is operated. . Fine particles formed of any organic or inorganic compound may be used. In the case of organic fine particles, in addition to hydrophilic-hydrophilic interaction, depending on the material used, π-π interaction, electrostatic interaction, etc. can be used effectively, and surface control is easy and can be used. It is excellent in that there are an infinite number of compounds. In addition, in the case of organic fine particles, even if they are present in the vicinity of the surface of the electrolyte membrane compared to inorganic fine particles, extremely good adhesion can be expressed between the electrolyte membrane and the electrode, and the battery reaction Is excellent in that it can sufficiently proceed. As a result, it is possible to provide a fuel cell with high MEA durability and excellent battery characteristics. However, in the present invention, as shown in each embodiment to be described later, since the surface of the inorganic fine particles is modified so as to obtain various interactions, it exhibits extremely high adhesiveness similar to that of organic fine particles. In many cases, it can be made to. On the other hand, when the fine particles are unevenly distributed in the center direction of the MEA due to the interaction between the substrate and the fine particles, the electrode and the electrolyte membrane can be adhered well regardless of the adhesion between the fine particles and the electrode. Therefore, since the particulate material is not restricted, a desired interaction between the substrate and the particulate can be selected. Therefore, for example, if a hydrophilic substrate and hydrophilic fine particles are used so that a hydrophilic-hydrophilic interaction can be selected between the substrate and the fine particles, the hydrophilic fine particles can be unevenly distributed in the center direction of the MEA. Dryout during power generation can be suppressed. On the other hand, in the case of inorganic fine particles, in addition to oxidation resistance and dimensional stability, inorganic fine particles that are excellent in heat resistance, mechanical strength, etc. are immobilized in the electrolyte membrane, so that the strength of the electrolyte membrane is improved. Can do. Even when used at high temperatures, the inorganic fine particles having excellent heat resistance can exert the effect of reinforcing the three-dimensional structure of the electrolyte membrane, so that high strength can be maintained over a long period of time. Is excellent in terms of. Therefore, these organic and inorganic fine particles may be properly used or used together depending on the intended use. The requirement is not limited to the present embodiment, and other embodiments described later, and can be applied to the present invention in general.

微粒子が親水性を持つもの(親水性微粒子)としては、例えば、ヒドロキシル基(−OH)、−カルボキシル基(−COOH)、アミノ基(−NH)、カルボニル基(−CO)、スルホン基、スルホン酸基(−SOH)、ペプチド結合(−CONH−)、エーテル結合(−COO−)、シアノ基(−CN)、ポリオキシエチレン基、チオール基(−SH)、アルデヒド基(−COH)、アミド基(−CONH)、イミド基、イミダゾール(ヘテロ環)基、エステル結合(−O−)、ホスホジエステル結合(−O−P(=O)OH−O−)などの親水性の官能基(但しこれらの官能基に何ら制限されるものではない。)を微粒子の表面や内部に一種類以上有している化合物により形成されてなる微粒子などが挙げられる。例えば、親水性モノマーの分散重合により合成してなる親水性ポリマー微粒子等が挙げられる。1例を示せば、アクリルアミドを主成分とし、N−メチロールアクリルアミド、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、アクリル酸をコモノマーとして用いた親水性モノマーの分散重合により親水性ポリマー微粒子を合成することができる。該合成には、反応性分散安定剤として、ポリ(オキシエチレン)メタリクレート等を用い、分散媒として、親水性有機溶媒を用いることができる。これにより、サブミクロンサイズの微粒子が得られ、その粒子径は分散媒のSP、ポリ(オキシエチレン)メタリクレートの共重合量およびその鎖長に依存する。また、特定の条件下では重合率と一粒子あたりの体積の関係が1次となり、単分散の微粒子が得られる。ただし、本発明は、これらに何ら制限されるものではなく、各種の親水性微粒子が挙げられる。 Examples of the fine particles having hydrophilicity (hydrophilic fine particles) include, for example, a hydroxyl group (—OH), a —carboxyl group (—COOH), an amino group (—NH 2 ), a carbonyl group (—CO), a sulfone group, Sulfonic acid group (—SO 3 H), peptide bond (—CONH—), ether bond (—COO—), cyano group (—CN), polyoxyethylene group, thiol group (—SH), aldehyde group (—COH) ), Amide group (—CONH 2 ), imide group, imidazole (heterocyclic) group, ester bond (—O—), phosphodiester bond (—O—P (═O) OH—O—), etc. Examples thereof include fine particles formed of a compound having one or more types of functional groups (but not limited to these functional groups) on the surface or inside of the fine particles. Examples thereof include hydrophilic polymer fine particles synthesized by dispersion polymerization of a hydrophilic monomer. For example, hydrophilic polymer fine particles can be synthesized by dispersion polymerization of a hydrophilic monomer containing acrylamide as a main component and N-methylolacrylamide, 2-hydroxyethyl methacrylate, and acrylic acid as a comonomer. In the synthesis, poly (oxyethylene) metal acrylate or the like can be used as a reactive dispersion stabilizer, and a hydrophilic organic solvent can be used as a dispersion medium. As a result, submicron-sized fine particles are obtained, and the particle size depends on the dispersion medium SP, the copolymerization amount of poly (oxyethylene) metallate, and the chain length. Also, under specific conditions, the relationship between the polymerization rate and the volume per particle is primary, and monodispersed fine particles are obtained. However, the present invention is not limited to these, and various hydrophilic fine particles can be mentioned.

この他にも、親水性ポリマーとしては、例えば、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピロリドンのコポリマー、ポリ(2−メチル−2−オキサゾリン)ポリマー、ポリ(2−エチル−2−オキサゾリン)ポリマー、これらの組合せ、およびこれらの誘導体などが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。   Other hydrophilic polymers include, for example, polyvinyl pyrrolidone, copolymers of polyvinyl pyrrolidone, poly (2-methyl-2-oxazoline) polymers, poly (2-ethyl-2-oxazoline) polymers, combinations thereof, and Although these derivatives etc. are mentioned, it does not restrict | limit at all to these.

微粒子に親水性を付与したもの(親水化微粒子)としては、例えば、ピラニア処理、放射線グラフト処理、化学気相吸着処理(CVD処理)、真空紫外光処理(VUV処理)などの親水化処理技術によって、微粒子の表面や内部に上記したような親水性の官能基を修飾させたものなどが挙げられる。例えば、ピラニア処理を例に示せば、シリカゲル微粒子などの無機微粒子をピラニア溶液(体積比が過酸化水素水(31%):濃硫酸=3:7の混合溶液を熱したもの。以下、単にピラニア溶液ともいう。)に所定時間浸漬することにより親水化処理を行い、該微粒子の表面(や孔内部)に多数の水酸基(−OH基)を導入(付与)してなる親水化微粒子を得ることができる。かかる親水化処理に適した微粒子の材料は、リン酸ジルコニウム、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ等の無機系化合物である。ピラニア溶液は有機物とは爆発的に反応するためである。このように、個々の親水化処理ごとに、最適な条件や材料を適宜選択すればよい。この他にも、微粒子(更には、後述する基板)の表面修飾は、親水性(更には、後述する疎水性、あるいは表面電荷)を調整することができるものであれば特に限定されることなく、一般に用いられる表面改質方法で行うことができる。例えば、オクタデシルトリメトキシシラン等のアルコキシシランを含むシランカップリング剤、チタニウムカップリング剤などのカップリング剤を用いる方法、チオールと貴金属の結合を用いる方法、ゾル・ゲル法により表面に薄膜を塗布する方法、ポリイミドやポリプロピレンなどの高分子膜を塗布する方法、(さらに表面修飾を施した粒子を基板表面の壁面に敷き詰める方法;後述する基板の表面修飾に適用可能である)、界面活性剤で処理する方法などを用いることができる。   Examples of the fine particles having hydrophilicity (hydrophilic fine particles) include hydrophilic treatment techniques such as piranha treatment, radiation graft treatment, chemical vapor adsorption treatment (CVD treatment), and vacuum ultraviolet light treatment (VUV treatment). In addition, there may be mentioned those obtained by modifying the hydrophilic functional group as described above on the surface or inside of the fine particles. For example, in the case of piranha treatment, inorganic fine particles such as silica gel fine particles are heated with a piranha solution (a mixed solution of hydrogen peroxide (31%): concentrated sulfuric acid = 3: 7 by volume). To obtain hydrophilized microparticles obtained by immersing them in a solution for a predetermined period of time and introducing (providing) a number of hydroxyl groups (—OH groups) on the surface (or inside the pores) of the microparticles. Can do. The fine particle material suitable for the hydrophilization treatment is an inorganic compound such as zirconium phosphate, silica, titania, zirconia, or alumina. This is because the piranha solution reacts explosively with organic matter. In this way, optimal conditions and materials may be appropriately selected for each hydrophilic treatment. In addition, the surface modification of the fine particles (further, a substrate described later) is not particularly limited as long as it can adjust hydrophilicity (further, the hydrophobicity or surface charge described later). The surface modification method can be generally used. For example, a silane coupling agent containing an alkoxysilane such as octadecyltrimethoxysilane, a method using a coupling agent such as a titanium coupling agent, a method using a bond between a thiol and a noble metal, or a sol-gel method to coat a thin film on the surface A method, a method of applying a polymer film such as polyimide or polypropylene, a method of further spreading the surface-modified particles on the wall surface of the substrate surface (applicable for surface modification of the substrate described later), and a treatment with a surfactant. Or the like can be used.

本発明に用いられる微粒子の形状としては、何ら制限されるものではない。具体的には、断面円形状(球状)、断面楕円形状、円柱状、角柱状、針状(棒状)、無定形状などが挙げられる。当該要件は、本実施形態、更には後述する他の実施形態に制限されるものではなく、本発明全般に適用しえるものである。   The shape of the fine particles used in the present invention is not limited at all. Specific examples include a circular cross section (spherical), an elliptical cross section, a cylindrical shape, a prismatic shape, a needle shape (bar shape), and an indefinite shape. The requirement is not limited to the present embodiment, and other embodiments described later, and can be applied to the present invention in general.

本発明に用いられる微粒子の大きさ(平均粒子径)としては、1nm〜100μm、好ましくは1nm〜0.1μmの範囲である。微粒子の大きさ(平均粒子径)が1nm未満の場合には、取扱いが困難、凝集力が高いため安定に分散が困難であるほか、微粒子自体の製造が困難であり、高コストになりやすい。微粒子の大きさ(平均粒子径)が100μmを超える場合には、電解質のプロトン伝導性を著しく低下させる恐れがある。該微粒子の大きさ(平均粒子径)は動的光散乱測定により測定することができる。当該要件も、本実施形態、更には後述する他の実施形態に制限されるものではなく、本発明全般に適用しえるものである。   The size (average particle size) of the fine particles used in the present invention is in the range of 1 nm to 100 μm, preferably 1 nm to 0.1 μm. When the size (average particle size) of the fine particles is less than 1 nm, it is difficult to handle and the cohesive force is high, so that it is difficult to stably disperse the particles, and it is difficult to produce the fine particles themselves, which tends to be expensive. If the size of the fine particles (average particle size) exceeds 100 μm, the proton conductivity of the electrolyte may be significantly reduced. The size (average particle diameter) of the fine particles can be measured by dynamic light scattering measurement. This requirement is not limited to this embodiment, and other embodiments described later, and can be applied to the present invention in general.

本発明に用いられる微粒子の含有量は、0.01〜50wt%、好ましくは1〜5wt%である。微粒子の含有量が0.01wt%未満の場合には、所望の水分制御が困難であるほか、膜厚方向に十分な微粒子の濃度勾配(濃度分布)を持たせるのが困難となるおそれがある。微粒子の含有量が50wt%を超える場合には、形態の維持が困難、力学的に脆くなるほか、電解質膜内でプロトンのスムーズな移動を若干制限するようになるおそれがある。当該要件も、本実施形態、更には後述する他の実施形態に制限されるものではなく、本発明全般に適用しえるものである。   The content of the fine particles used in the present invention is 0.01 to 50 wt%, preferably 1 to 5 wt%. When the content of the fine particles is less than 0.01 wt%, it is difficult to control the desired moisture, and it may be difficult to have a sufficient fine particle concentration gradient (concentration distribution) in the film thickness direction. . When the content of the fine particles exceeds 50 wt%, it is difficult to maintain the form and mechanically brittle, and the smooth movement of protons in the electrolyte membrane may be slightly restricted. This requirement is not limited to this embodiment, and other embodiments described later, and can be applied to the present invention in general.

本発明に用いられる微粒子は、これらが複数個集まって(凝集等して)2次粒子化したものであってもよいし、微粒子が凝集せずに単分散したものであってもよい。該2次粒子の形状も、特に制限されるものではなく、球状(塊状)、断面楕円形状、らせん状(紐状)、房状、層状、無定形状などが挙げられる。これらを1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。当該要件も、本実施形態、更には後述する他の実施形態に制限されるものではなく、本発明全般に適用しえるものである。   The fine particles used in the present invention may be those in which a plurality of these are collected (aggregated or the like) to form secondary particles, or may be monodispersed without aggregation of the fine particles. The shape of the secondary particles is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape (lump shape), an elliptical cross section, a spiral shape (string shape), a tuft shape, a layer shape, and an indefinite shape. These may be used alone or in combination of two or more. This requirement is not limited to this embodiment, and other embodiments described later, and can be applied to the present invention in general.

(ii)基板
上記基板は、親水性を持つもの(単に親水性基板ともいう)、親水性を付与したもの(単に親水化基板ともいう)のいずれであってもよい。
(Ii) Substrate The substrate may be either a substrate having hydrophilicity (also simply referred to as a hydrophilic substrate) or a substrate having hydrophilicity (also simply referred to as a hydrophilic substrate).

また、これらの基材は、例えば、ヒドロキシル基(−OH)、−カルボキシル基(−COOH)、アミノ基(−NH)、カルボニル基(−CO)、スルホン基、スルホン酸基(−SOH)、ペプチド結合(−CONH−)、エーテル結合(−COO−)、シアノ基(−CN)、ポリオキシエチレン基、チオール基(−SH)、アルデヒド基(−COH)、アミド基(−CONH)、イミド基、イミダゾール(ヘテロ環)基、エステル結合(−O−)、ホスホジエステル結合(−O−P(=O)OH−O−)などの親水性の官能基(但しこれらの官能基に何ら制限されるものではない。)をその表面ないし内部に一種類以上有している化合物で構成(形成)されているものが望ましい。これらは本実施形態の親水性基板だけに特に限定されるものではなく、親水化基板、あるいは他の実施形態に利用される基板にも適用可能である。 Further, these substrates are, for example, hydroxyl groups (-OH), - a carboxyl group (-COOH), a amino (-NH 2), carbonyl group (-CO), sulfone group, a sulfonic acid group (-SO 3 H), peptide bond (—CONH—), ether bond (—COO—), cyano group (—CN), polyoxyethylene group, thiol group (—SH), aldehyde group (—COH), amide group (—CONH) 2 ), hydrophilic functional groups such as imide group, imidazole (heterocyclic) group, ester bond (—O—), phosphodiester bond (—O—P (═O) OH—O—) (however, these functions) It is desirable that it is composed (formed) of a compound having one or more types on the surface or inside thereof. These are not particularly limited only to the hydrophilic substrate of this embodiment, but can be applied to a hydrophilic substrate or a substrate used in other embodiments.

本発明では、膜(電解質膜)中の微粒子との相互作用の観点から、少なくとも基材表面が親水性基板や親水化基板となるように処理されていればよい。従って、例えば、親水性基板や親水化基板でない疎水性基板に、親水性基板や親水化基板を張り合わせたものであってもよいし、基板の厚さ方向に親水化度の濃度勾配を持たせるように形成されたものであってもよい。   In the present invention, from the viewpoint of interaction with the fine particles in the membrane (electrolyte membrane), it is sufficient that at least the base material surface is treated so as to be a hydrophilic substrate or a hydrophilic substrate. Therefore, for example, a hydrophilic substrate or a hydrophilic substrate may be bonded to a hydrophobic substrate that is not a hydrophilic substrate or a hydrophilic substrate, or a concentration gradient of the degree of hydrophilicity is provided in the thickness direction of the substrate. It may be formed as described above.

また、本発明では、こうした基板(表面)全体の親水化度が均一になるように形成されたものであってもよいし、基板(表面)の面方向に適当な濃度勾配を持つように形成されたものであってもよい。基板の面方向に親水化度の濃度勾配を持たせることにより、微粒子との相互作用により、得られる電解質膜の面方向にも同様な親水化度の濃度勾配を持たせることができ、例えば、燃料含有ガスや酸素含有ガスの入口側から出口側に向けて親水化度の濃度勾配を持たせることができる。   Further, in the present invention, the substrate (surface) may be formed so that the hydrophilicity of the entire substrate (surface) is uniform, or formed so as to have an appropriate concentration gradient in the surface direction of the substrate (surface). It may be what was done. By having a concentration gradient of the degree of hydrophilicity in the surface direction of the substrate, it is possible to have a similar concentration gradient of the degree of hydrophilicity in the surface direction of the electrolyte membrane obtained by interaction with the fine particles, for example, A concentration gradient of the degree of hydrophilicity can be provided from the inlet side to the outlet side of the fuel-containing gas or oxygen-containing gas.

基板が親水性を持つもの(親水性基板)としては、例えば、ヒドロキシル基(−OH)、−カルボキシル基(−COOH)、アミノ基(−NH)、カルボニル基(−CO)、スルホン基、スルホン酸基(−SOH)、ペプチド結合(−CONH−)、エーテル結合(−COO−)、シアノ基(−CN)、ポリオキシエチレン基、チオール基(−SH)、アルデヒド基(−COH)、アミド基(−CONH)、イミド基、イミダゾール(ヘテロ環)基、エステル結合(−O−)、ホスホジエステル結合(−O−P(=O)OH−O−)などの親水性の官能基(但し、これらの官能基に何ら制限されるものではない。)を基板の表面や内部に一種類以上有している化合物により形成されてなる基板などが挙げられる。1例を示せば、アクリルアミドを主成分とし、N−メチロールアクリルアミド、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、アクリル酸をコモノマーとして用いた親水性モノマーの重合により親水性ポリマーを合成し、これを塗布、乾燥することで、所望の基板を得ることができる。 Examples of the substrate having hydrophilicity (hydrophilic substrate) include, for example, hydroxyl group (—OH), —carboxyl group (—COOH), amino group (—NH 2 ), carbonyl group (—CO), sulfone group, Sulfonic acid group (—SO 3 H), peptide bond (—CONH—), ether bond (—COO—), cyano group (—CN), polyoxyethylene group, thiol group (—SH), aldehyde group (—COH) ), Amide group (—CONH 2 ), imide group, imidazole (heterocyclic) group, ester bond (—O—), phosphodiester bond (—O—P (═O) OH—O—), etc. Examples thereof include a substrate formed of a compound having one or more kinds of functional groups (however, these functional groups are not limited to these functional groups) on the surface or inside of the substrate. For example, a hydrophilic polymer is synthesized by polymerization of a hydrophilic monomer containing acrylamide as a main component and N-methylolacrylamide, 2-hydroxyethyl methacrylate, and acrylic acid as a comonomer, and this is applied and dried. Thus, a desired substrate can be obtained.

基板に親水性を付与したもの(親水化基板)としては、例えば、ピラニア処理、放射線グラフト処理、化学気相吸着処理(CVD処理)、真空紫外光処理(VUV処理)などの親水化処理技術によって、基板の表面や内部に上記したような親水性の官能基を修飾させたものなどが挙げられる。なお、ピラニア処理に関しては、上記親水化微粒子にて説明したと同様である為、ここでの説明は省略する。   As a substrate having hydrophilicity (hydrophilic substrate), for example, by hydrophilization processing techniques such as piranha processing, radiation graft processing, chemical vapor adsorption processing (CVD processing), vacuum ultraviolet light processing (VUV processing), etc. And those obtained by modifying the hydrophilic functional group as described above on the surface or inside of the substrate. Since the piranha treatment is the same as that described for the hydrophilic microparticles, the description thereof is omitted here.

上記基板の形状厚さとしては、特に制限されるものではなく、フィルム状であってもよいし、板状であってもよい。当該要件は、本実施形態、更には後述する他の実施形態に制限されるものではなく、本発明全般に適用しえるものである。   The shape thickness of the substrate is not particularly limited, and may be a film shape or a plate shape. The requirement is not limited to the present embodiment, and other embodiments described later, and can be applied to the present invention in general.

上記基板の厚さとしては、特に制限されるものではなく、形状に応じて適宜最適な厚さを選択すればよく、フィルム状では10〜100μmの範囲であればよく、板状では0.1mm〜10cmの範囲であればよい。当該要件も、本実施形態、更には後述する他の実施形態に制限されるものではなく、本発明全般に適用しえるものである。   The thickness of the substrate is not particularly limited, and an optimum thickness may be selected as appropriate according to the shape. The thickness may be in the range of 10 to 100 μm for the film shape, and 0.1 mm for the plate shape. It may be in the range of -10 cm. This requirement is not limited to this embodiment, and other embodiments described later, and can be applied to the present invention in general.

図1は、第1実施形態の1例として、基板と微粒子の親水−親水相互作用を利用することで、膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけた電解質膜の様子を模式的に表した概略図である。図1Aは、親水性を付与した基板上に作製された燃料電池用親水性微粒子含有電解質膜の様子を模式的に表した断面概略図であり、図1Bは、図1Aの親水性微粒子含有電解質膜(膜)の膜厚方向に対する親水性微粒子の濃度分布の関係を表すグラフである。   As an example of the first embodiment, FIG. 1 schematically shows a state of an electrolyte membrane in which a concentration gradient of fine particles in a film is applied in a film thickness direction by utilizing a hydrophilic-hydrophilic interaction between a substrate and fine particles. FIG. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view schematically showing a state of a hydrophilic fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell produced on a hydrophilic substrate, and FIG. 1B is a hydrophilic fine particle-containing electrolyte of FIG. 1A. It is a graph showing the relationship of the density distribution of hydrophilic fine particles with respect to the film thickness direction of a film | membrane (film | membrane).

第1実施形態では、基板300と微粒子103の親水−親水相互作用により、これら各種の分子間力(相互作用)を引力または斥力のドライビングフォースとして微粒子と基板の間に働かせることで、基板300上の電解質膜100の膜厚方向に微粒子103の濃度分布が形成されてなるものである。   In the first embodiment, due to the hydrophilic-hydrophilic interaction between the substrate 300 and the fine particles 103, these various intermolecular forces (interactions) are exerted between the fine particles and the substrate as attractive or repulsive driving forces. The concentration distribution of the fine particles 103 is formed in the thickness direction of the electrolyte membrane 100.

これは、製膜過程、親水性の基板300上に親水性微粒子103を分散した電解質溶液を塗布してから溶媒を除去するまでの、該微粒子103が移動可能な状態にある過程において親水−親水相互作用を働かせる。詳しくは、基板側の親水性の官能基と微粒子側の親水性の官能基との間で、親水−親水相互作用を働かせることにより、電解質膜100中の微粒子103に所望の濃度勾配を膜厚方向につける。その後、溶媒を除去した時点で、当該膜厚方向につけられた濃度勾配を固定化(安定化)させる。これにより、所望の微粒子分散電解質膜を得ることができる。   This is because a hydrophilic-hydrophilic process is performed in a state in which the fine particles 103 are movable from the application of the electrolyte solution in which the hydrophilic fine particles 103 are dispersed on the hydrophilic substrate 300 to the removal of the solvent. Make the interaction work. Specifically, by causing a hydrophilic-hydrophilic interaction to work between the hydrophilic functional group on the substrate side and the hydrophilic functional group on the fine particle side, a desired concentration gradient is formed on the fine particles 103 in the electrolyte membrane 100. Put in the direction. Thereafter, when the solvent is removed, the concentration gradient applied in the film thickness direction is fixed (stabilized). Thereby, a desired fine particle-dispersed electrolyte membrane can be obtained.

したがって、基板300としては、燃料電池の構成部材である必要はなく、電解質膜100を作製する過程で用いられる製膜用基板として利用可能なものであればよい。例えば、電解質膜の両面に接合させて用いられる電極触媒層(燃料電池の構成部材)であってもよいし、製造段階でのみ用いる製膜用基材(支持体)であってもよい。好ましくは、製膜用基材(支持体)である。これは、電極触媒層も、微粒子を分散させることで電極−膜接合体全体として、微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけることで、所望の作用効果を発現させることができるためである。   Therefore, the substrate 300 does not need to be a constituent member of the fuel cell, and may be any substrate that can be used as a film-forming substrate used in the process of manufacturing the electrolyte membrane 100. For example, it may be an electrode catalyst layer (a constituent member of a fuel cell) used by being bonded to both surfaces of the electrolyte membrane, or may be a film-forming substrate (support) used only in the production stage. Preferably, it is a film-forming substrate (support). This is because the electrode catalyst layer can also exhibit a desired effect by dispersing the fine particles to provide a concentration gradient of the fine particles in the film thickness direction as the whole electrode-membrane assembly.

ここで、濃度分布(濃度勾配)は、基板を調節することにより容易に制御可能となる。例えば、基板表面の親水性官能基の密度を調整することにより制御可能となる。ただし、微粒子を調節することにより制御してもよい。   Here, the concentration distribution (concentration gradient) can be easily controlled by adjusting the substrate. For example, it can be controlled by adjusting the density of the hydrophilic functional group on the substrate surface. However, it may be controlled by adjusting the fine particles.

また、親水性微粒子103の濃度勾配(濃度分布)は、例えば、電子プローブX線マイクロアナライザ(EPMA)、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)、オージェ電子分光法により測定することができる。   The concentration gradient (concentration distribution) of the hydrophilic fine particles 103 can be measured by, for example, an electron probe X-ray microanalyzer (EPMA), time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), or Auger electron spectroscopy. it can.

II.第2実施形態;疎水−疎水相互作用
基板と微粒子の疎水−疎水相互作用を利用する形態としては、例えば、基板と微粒子共に疎水性のものを用いて、基板と微粒子の間に、分子間力(引力)を働かせるものである。1例を挙げれば、含フッ素微粒子やフッ素化処理微粒子とフッ素処理基板(有機シラン系など)が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。本実施形態によれば、疎水性の微粒子を分散させたい場合や膜厚方向に疎水性の濃度勾配をつけたい場合に基板を調節するだけで容易に濃度分布を制御可能となる点で優れている。
II. Second Embodiment: Hydrophobic-Hydrophobic Interaction As a form using the hydrophobic-hydrophobic interaction between the substrate and the fine particles, for example, a hydrophobic material is used for both the substrate and the fine particles. (Attraction) to work. For example, fluorine-containing fine particles, fluorinated fine particles, and fluorine-treated substrates (such as organosilanes) can be mentioned, but are not limited thereto. According to this embodiment, it is excellent in that the concentration distribution can be easily controlled only by adjusting the substrate when it is desired to disperse hydrophobic fine particles or when a hydrophobic concentration gradient is desired in the film thickness direction. Yes.

(i)微粒子
上記微粒子は、疎水性を持つもの(単に疎水性微粒子ともいう)、疎水性を付与したもの(単に疎水化微粒子ともいう)のいずれであってもよい。本実施形態では、こうした微粒子を1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(I) Fine particles The fine particles may be either hydrophobic (also simply referred to as hydrophobic fine particles) or imparted with hydrophobicity (also simply referred to as hydrophobic fine particles). In the present embodiment, these fine particles may be used alone or in combination of two or more.

また、微粒子の材料についても、該微粒子を含有した電解質膜として用いた燃料電池を運転した際に、該電解質膜内で安定して存在できるものであれば、その種類を特に制限するものではない。有機、無機のいずれの化合物により形成された微粒子であってもよい。有機微粒子の場合には、疎水−疎水相互作用のほか、使用材料によっては更に、π−π相互作用、静電的相互作用を有効に利用することができ、表面制御の容易性や使用できる化合物の種類が無限にある点で優れている。一方、無機微粒子の場合には、耐酸化性、寸法安定性の点で優れている。従って、これら有機、無機微粒子は、使用用途に応じて、適宜使い分けてもよいし、併用してもよい。   Further, the kind of the fine particle material is not particularly limited as long as it can stably exist in the electrolyte membrane when the fuel cell used as the electrolyte membrane containing the fine particle is operated. . Fine particles formed of any organic or inorganic compound may be used. In the case of organic fine particles, in addition to hydrophobic-hydrophobic interaction, depending on the materials used, π-π interaction and electrostatic interaction can be used effectively, and surface control is easy and compounds that can be used Is excellent in that there are an infinite number of types. On the other hand, inorganic fine particles are excellent in terms of oxidation resistance and dimensional stability. Therefore, these organic and inorganic fine particles may be properly used or used together depending on the intended use.

微粒子が疎水性を持つもの(疎水性微粒子)としては、フッ素骨格、アルキル基などの炭化水素基、フルオロアルキル基などのフッ素化炭化水素基、二重結合(>C=C<)、アリル基、アシル基、フェニル基、芳香環(ベンゼン環等)、ジスルフィド結合、フッ素骨格などに代表される疎水性の官能基(但し、これらの官能基に何ら制限されるものではない。)を微粒子の表面や内部に一種類以上有している化合物により形成(ないし含有)されてなる微粒子などが挙げられる。例えば、疎水性モノマーの分散重合により合成してなる疎水性ポリマー微粒子等が挙げられる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素樹脂製微粒子(フッ素微粒子)などが挙げられる。この他にも、疎水性ポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデンのコポリマー、そのターポリマー、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、これらの組合せ、およびこれらの誘導体などが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。   Fine particles having hydrophobic properties (hydrophobic fine particles) include a fluorine skeleton, a hydrocarbon group such as an alkyl group, a fluorinated hydrocarbon group such as a fluoroalkyl group, a double bond (> C = C <), and an allyl group. A hydrophobic functional group represented by an acyl group, a phenyl group, an aromatic ring (benzene ring, etc.), a disulfide bond, a fluorine skeleton, etc. (however, these functional groups are not limited at all). Examples thereof include fine particles formed (or contained) by a compound having one or more kinds on the surface or inside. Examples thereof include hydrophobic polymer fine particles synthesized by dispersion polymerization of a hydrophobic monomer. Examples thereof include fluororesin microparticles (fluorine microparticles) such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). In addition, examples of the hydrophobic polymer include a copolymer of polyvinylidene fluoride, a terpolymer thereof, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, combinations thereof, and derivatives thereof. There is no limitation to these.

微粒子が疎水性を持つもの(疎水性微粒子)としては、アルキル基などの炭化水素基、フルオロアルキル基などのフッ素化炭化水素基、アルキル基などの炭化水素基、フルオロアルキル基などのフッ素化炭化水素基、二重結合(>C=C<)、アリル基、アシル基、フェニル基、芳香環(ベンゼン環等)、ジスルフィド結合、フッ素骨格、などの疎水性の官能基(但し、これらの官能基に何ら制限されるものではない。)を微粒子の表面や内部に一種類以上有している化合物により形成されてなる微粒子などが挙げられる。   Fine particles with hydrophobic properties (hydrophobic fine particles) include hydrocarbon groups such as alkyl groups, fluorinated hydrocarbon groups such as fluoroalkyl groups, hydrocarbon groups such as alkyl groups, and fluorinated carbonization such as fluoroalkyl groups. Hydrophobic functional groups such as hydrogen groups, double bonds (> C = C <), allyl groups, acyl groups, phenyl groups, aromatic rings (benzene rings, etc.), disulfide bonds, fluorine skeletons, etc. In particular, the fine particles are formed by a compound having one or more types on the surface or inside of the fine particles.

微粒子が疎水性を付与したもの(疎水化微粒子)としては、例えば、フッ素化処理、アルキル化処理、表面グラフト処理などの疎水化処理技術によって、微粒子の表面や内部に上記したような疎水性の官能基を修飾させたものなどが挙げられる。1例を示せば、微粒子表面を疎水化する際、水系媒体中で、微粒子を一次粒径となるように分散しつつ、カップリング剤を加水分解しながら表面処理する方法などを用いることができる。この疎水化処理方法は、気相中または液相中で行うことが出来るが、液相中で行うと、微粒子同士の凝集(二次粒子化)が生じにくく、また疎水化処理による微粒子間の帯電反発作用が働き、微粒子をほぼ一次粒子の状態で表面処理することが可能となる。かかる疎水化処理に適した微粒子の材料は、ポリスチレン、ポリメタクリル酸エステル、アクリル酸エステルなどのビニル系高分子化合物、有機シラン系などのケイ素元素含有化合物などの有機系化合物、シリカ、酸化チタン、アルミナなどの無機系化合物が挙げられる。   As the fine particles to which hydrophobicity is imparted (hydrophobized fine particles), for example, a hydrophobic treatment technique such as fluorination treatment, alkylation treatment, surface graft treatment, or the like can be applied to the surface or inside of the fine particles. The thing etc. which modified the functional group are mentioned. For example, when hydrophobizing the surface of the fine particles, a method of performing a surface treatment while hydrolyzing the coupling agent while dispersing the fine particles in the aqueous medium so as to have a primary particle size can be used. . This hydrophobic treatment method can be carried out in the gas phase or in the liquid phase, but if carried out in the liquid phase, it is difficult for the fine particles to aggregate (secondary particles) and between the fine particles by the hydrophobic treatment. The charge repulsion action works, and the surface treatment of the fine particles can be performed in a state of almost primary particles. Fine particle materials suitable for the hydrophobizing treatment include vinyl polymer compounds such as polystyrene, polymethacrylic acid ester and acrylic acid ester, organic compounds such as silicon element-containing compounds such as organosilanes, silica, titanium oxide, Examples thereof include inorganic compounds such as alumina.

上記カップリング剤としては、例えば、シランカップリング剤、チタンカップリング剤等が挙げられる。より好ましく用いられるのはシランカップリング剤であり、一般式RSiY(式中、Rはアルコキシ基を示し、mは1〜3の整数を示し、Yはアルキル基、ビニル基、グリシドキシ基、メタクリル基などの炭化水素基を示し、nは1〜3の整数を示す。)で示されるものである。例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、ヒドロキシプロピリトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、n−ヘキサデシルトリメトキシシラン、n−オクタデシルトリメトキシシラン等を挙げることができる。 As said coupling agent, a silane coupling agent, a titanium coupling agent, etc. are mentioned, for example. More preferably used is a silane coupling agent having a general formula R m SiY n (wherein R represents an alkoxy group, m represents an integer of 1 to 3, Y represents an alkyl group, a vinyl group, a glycidoxy group) , A hydrocarbon group such as a methacryl group, and n is an integer of 1 to 3). For example, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane, vinyltriacetoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, isobutyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, Examples thereof include trimethylmethoxysilane, hydroxypropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, n-hexadecyltrimethoxysilane, and n-octadecyltrimethoxysilane.

(ii)基板
上記基板は、疎水性を持つもの(単に疎水性基板ともいう)、疎水性を付与したもの(単に疎水化基板ともいう)のいずれであってもよい。また、これらの基材は、例えば、アルキル基などの炭化水素基、フルオロアルキル基などのフッ素化炭化水素基、二重結合(>C=C<)、アリル基、アシル基、フェニル基、芳香環(ベンゼン環等)、ジスルフィド結合、フッ素骨格、などの疎水性の官能基(但し、これらの官能基に何ら制限されるものではない。)をその表面ないし内部に一種類以上有している化合物で構成(形成)されているものが望ましい。
(Ii) Substrate The substrate may be either one having hydrophobicity (also simply referred to as a hydrophobic substrate) or one having hydrophobicity (also simply referred to as a hydrophobic substrate). These base materials include, for example, hydrocarbon groups such as alkyl groups, fluorinated hydrocarbon groups such as fluoroalkyl groups, double bonds (> C = C <), allyl groups, acyl groups, phenyl groups, aromatics It has one or more kinds of hydrophobic functional groups (but not limited to these functional groups) such as rings (benzene rings, etc.), disulfide bonds, fluorine skeletons, etc. on the surface or inside thereof. Those composed (formed) of compounds are desirable.

本発明では、膜(電解質膜)中の疎水性を有する微粒子との相互作用の観点から、疎水性基板、あるいは少なくとも電解質溶液が塗布される基板表面が疎水性を有するように処理されてなる疎水化基板であればよい。従って、例えば、疎水性基板や疎水化基板でない親水性基板に、疎水性基板や疎水化基板を張り合わせたものであってもよいし、基板の厚さ方向に疎水化度の濃度勾配を持たせるように形成されたものであってもよい。   In the present invention, from the viewpoint of interaction with hydrophobic fine particles in the membrane (electrolyte membrane), the hydrophobic substrate or at least the surface of the substrate to which the electrolyte solution is applied is treated to have hydrophobicity. Any substrate may be used. Accordingly, for example, a hydrophobic substrate or a hydrophobic substrate may be bonded to a hydrophilic substrate that is not a hydrophobic substrate or a hydrophobic substrate, or a concentration gradient of the degree of hydrophobicity is provided in the thickness direction of the substrate. It may be formed as described above.

また、本発明では、こうした基板(表面)全体の疎水化度が均一になるように形成されたものであってもよいし、基板(表面)の面方向に適当な濃度勾配を持つように形成されたものであってもよい。基板の面方向に疎水化度の濃度勾配を持たせることにより、微粒子との相互作用により、得られる電解質膜の面方向にも同様な疎水化度の濃度勾配を持たせることができ、例えば、燃料含有ガスや酸素含有ガスの入口側から出口側に向けて疎水化度の濃度勾配を持たせることができる。   In the present invention, the substrate (surface) may be formed to have a uniform degree of hydrophobicity, or may have an appropriate concentration gradient in the surface direction of the substrate (surface). It may be what was done. By having a concentration gradient of the degree of hydrophobicity in the surface direction of the substrate, it is possible to have a similar concentration gradient of the degree of hydrophobicity in the surface direction of the electrolyte membrane obtained by interaction with the fine particles, for example, A concentration gradient of the degree of hydrophobicity can be provided from the inlet side to the outlet side of the fuel-containing gas or oxygen-containing gas.

基板が疎水性を持つもの(疎水性基板)としては、例えば、アルキル基などの炭化水素基、フルオロアルキル基などのフッ素化炭化水素基、二重結合(>C=C<)、アリル基、アシル基、フェニル基、芳香環(ベンゼン環等)、ジスルフィド結合、フッ素骨格などの疎水性の官能基(但し、これらの官能基に何ら制限されるものではない。)を基板の表面や内部に一種類以上有している化合物により形成されてなる基板などが挙げられる。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素樹脂製の基板、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリジシクロペンタジエンなどのオレフィン類、ウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、マレイン酸樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ノルボルネン樹脂などの基板などが挙げられる。   Examples of the substrate having hydrophobicity (hydrophobic substrate) include, for example, hydrocarbon groups such as alkyl groups, fluorinated hydrocarbon groups such as fluoroalkyl groups, double bonds (> C = C <), allyl groups, Hydrophobic functional groups such as acyl groups, phenyl groups, aromatic rings (benzene rings, etc.), disulfide bonds, fluorine skeletons, etc. (however, these functional groups are not limited in any way) on the surface or inside of the substrate. Examples include a substrate formed of a compound having one or more kinds. Specifically, substrates made of fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polyethylene terephthalate, polyethylene Polyesters such as naphthalate, olefins such as polyethylene, polypropylene and polydicyclopentadiene, urethane resin, polystyrene resin, epoxy resin, acrylic resin, vinyl ester resin, maleic acid resin, urea resin, melamine resin, norbornene resin, etc. Etc.

また、基板に疎水性を付与したもの(疎水化基板)としては、例えば、具体的には、ガラス板、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ステンレス板、ステンレスベルト、シリコンウエハ等の従来一般的に用いられている基板表面に、前記フッ素樹脂がコーティングされているもの、あるいは基板表面に疎水性の官能基を結合させてなる基板などの疎水化処理技術によって、基板の表面や内部に上記したような親水性の官能基を修飾させたものなどが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。例えば、ガラスやステンレス等の基板を、3−メルカプトプロピオン酸−エタノール溶液中に10分〜3日浸積し、疎水性の官能基を結合させてなる疎水化基板にする。この操作は、室温(20〜30℃)付近で行う。また、1時間〜30時間程度が好ましい。エタノールを用いる代わりに、メタノールやアルカリ水溶液を使用してもよい。さらに、3−メルカプトプロピオン酸を用いる代わりに、脂肪族のより長いω−メルカプト脂肪酸(例えば、10−メルカプトデカン酸)、芳香族を有する、例えば、4−チオ安息香酸などを用いることもできる。この他、リポ酸を用いてもよい。あるいは、エポキシアダクトポリアミドアミン、分子内にシラノール基やチオール基を有する高分子化合物を用いてもよい。シラノール基を有する化合物としては、材料の表面を疎水処理するためのカップリング剤として用いられるアルキルシラノールなどが好ましい。   Moreover, as what gave hydrophobicity to the board | substrate (hydrophobized board | substrate), the glass plate, a polyethylene terephthalate film, a stainless steel board, a stainless steel belt, a silicon wafer etc., for example specifically, are generally used conventionally. Hydrophobic treatment technology such as one in which the fluororesin is coated on the substrate surface or a substrate in which a hydrophobic functional group is bonded to the substrate surface, the hydrophilicity as described above is applied to the surface or inside of the substrate. Although what modified the functional group etc. are mentioned, it is not restrict | limited at all to these. For example, a substrate such as glass or stainless steel is immersed in a 3-mercaptopropionic acid-ethanol solution for 10 minutes to 3 days to form a hydrophobic substrate obtained by bonding hydrophobic functional groups. This operation is performed near room temperature (20 to 30 ° C.). Moreover, about 1 to 30 hours are preferable. Instead of using ethanol, methanol or an aqueous alkaline solution may be used. Further, instead of using 3-mercaptopropionic acid, a longer aliphatic ω-mercapto fatty acid (for example, 10-mercaptodecanoic acid), an aromatic compound such as 4-thiobenzoic acid, or the like can also be used. In addition, lipoic acid may be used. Alternatively, an epoxy adduct polyamidoamine or a polymer compound having a silanol group or a thiol group in the molecule may be used. As the compound having a silanol group, an alkylsilanol used as a coupling agent for subjecting the surface of the material to a hydrophobic treatment is preferable.

第2実施形態でも、図1の基板と微粒子の親水−親水相互作用を利用したものと同様に膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけた電解質膜を形成できる。   Also in the second embodiment, an electrolyte membrane in which the concentration gradient of the fine particles in the film is provided in the film thickness direction can be formed in the same manner as that utilizing the hydrophilic-hydrophilic interaction between the substrate and fine particles in FIG.

第2実施形態でも、図1を参照して説明すれば、基板300と微粒子103が疎水−疎水相互作用により、これら各種の分子間力(相互作用)を引力または斥力のドライビングフォースとして微粒子と基板の間に働かせることで、基板300上の電解質膜100の膜厚方向に微粒子103の濃度分布が形成されてなるものとみることができる。   Also in the second embodiment, with reference to FIG. 1, the substrate 300 and the fine particles 103 are subjected to hydrophobic-hydrophobic interaction, and these various intermolecular forces (interactions) are used as attractive or repulsive driving forces to form the fine particles and the substrate. It can be considered that the concentration distribution of the fine particles 103 is formed in the thickness direction of the electrolyte membrane 100 on the substrate 300 by acting between the two.

これは、製膜過程、疎水性の基板300上に微粒子103を分散した電解質溶液を塗布してから溶媒を除去するまでの、該微粒子103が移動可能な状態にある過程において疎水−疎水相互作用を働かせる。詳しくは、基板側の疎水性の官能基と微粒子側の疎水性の官能基との間で、疎水−疎水相互作用を働かせることにより、電解質膜100中の微粒子103に所望の濃度勾配を膜厚方向につける。その後、溶媒を除去した時点で、当該膜厚方向につけられた濃度勾配を固定化(安定化)させる。これにより、所望の微粒子分散電解質膜を得ることができる。   This is because the hydrophobic-hydrophobic interaction occurs in the film formation process, in which the fine particle 103 is in a movable state from the application of the electrolyte solution in which the fine particle 103 is dispersed on the hydrophobic substrate 300 to the removal of the solvent. Work. Specifically, by causing a hydrophobic-hydrophobic interaction to work between the hydrophobic functional group on the substrate side and the hydrophobic functional group on the fine particle side, a desired concentration gradient is formed on the fine particles 103 in the electrolyte membrane 100. Put in the direction. Thereafter, when the solvent is removed, the concentration gradient applied in the film thickness direction is fixed (stabilized). Thereby, a desired fine particle-dispersed electrolyte membrane can be obtained.

したがって、基板300としては、第1の実施形態で説明したと同様に、燃料電池の構成部材である必要はなく、電解質膜100を作製する過程で用いられる製膜用基板として利用可能なものであればよい。例えば、電解質膜の両面に接合させて用いられる電極触媒層(燃料電池の構成部材)であってもよいし、製造段階でのみ用いる製膜用基板であってもよい。好ましくは、製膜用基板である。これは、電極触媒層も、微粒子を分散させることでMEA全体として、微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけることで、所望の作用効果を発現させることができるためである。   Therefore, as described in the first embodiment, the substrate 300 does not have to be a constituent member of the fuel cell, and can be used as a film-forming substrate used in the process of manufacturing the electrolyte membrane 100. I just need it. For example, an electrode catalyst layer (a constituent member of a fuel cell) used by being bonded to both surfaces of the electrolyte membrane may be used, or a film-forming substrate used only in the manufacturing stage. Preferably, it is a film forming substrate. This is because the electrocatalyst layer can also exhibit a desired effect by dispersing the fine particles to provide a concentration gradient of the fine particles in the film thickness direction as the whole MEA.

ここで、濃度分布(濃度勾配)は、基板側を調節することにより容易に制御可能となる。例えば、基板表面の撥水性を調整することにより制御可能となる。ただし、微粒子側の疎水化度、粒子径等を調節することにより制御してもよい。   Here, the concentration distribution (concentration gradient) can be easily controlled by adjusting the substrate side. For example, it can be controlled by adjusting the water repellency of the substrate surface. However, it may be controlled by adjusting the degree of hydrophobicity on the fine particle side, the particle diameter, and the like.

また、疎水性微粒子の濃度勾配(濃度分布)は、例えば、電子プローブX線マイクロアナライザ(EPMA)、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)、オージェ電子分光法により測定することができる。   The concentration gradient (concentration distribution) of hydrophobic fine particles can be measured by, for example, an electron probe X-ray microanalyzer (EPMA), time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), or Auger electron spectroscopy. .

また、親水−疎水間の相互作用を利用することも可能である。即ち、上記した親水−親水相互作用と疎水−疎水相互作用を利用して、基板と微粒子間で親水−疎水作用を生じさせることもできる。   It is also possible to utilize the interaction between hydrophilic and hydrophobic. That is, the hydrophilic-hydrophilic interaction and the hydrophobic-hydrophobic interaction described above can be used to generate a hydrophilic-hydrophobic action between the substrate and the fine particles.

また、本発明では、以下に説明する第3〜6実施形態の相互作用により、電解質膜の保水性や排水性のほか、プロトン伝導性の向上効果などの発現効果が期待されるが、好ましくは、上記した第1〜2実施形態の親水−親水相互作用ないし疎水−疎水相互作用による効果を高めることができるように、これらの相互作用を利用した上で尚且つ以下に説明する第3〜6実施形態の相互作用との相乗効果が得られるように、微粒子の材質や表面処理を行うのが望ましい。例えば、以下の第3実施形態のように、微粒子として第1〜2実施形態に挙げた親水性材料や疎水性材料であって尚且つ芳香族環のπ電子を有する材料としたり、あるいは第1〜2実施形態に挙げた親水性材料や疎水性材料の一部を化学修飾するなどして微粒子表面に芳香族環を導入したりしてもよい。この反対に、微粒子として、以下の第3の実施形態に挙げた芳香族環のπ電子を有する材料の一部を化学修飾するなどして微粒子表面に親水性ないし疎水性の官能基を導入するようにしてもよい。このことは、他の第4〜6実施形態においても同様である。以下、第3〜6の各実施形態につき、説明する。   Further, in the present invention, the interaction of the third to sixth embodiments described below is expected to show expression effects such as improvement of proton conductivity in addition to water retention and drainage of the electrolyte membrane. In order to enhance the effect of the hydrophilic-hydrophilic interaction or the hydrophobic-hydrophobic interaction of the above-described first and second embodiments, the third to sixth described below will be described using these interactions. It is desirable to perform the material and surface treatment of the fine particles so as to obtain a synergistic effect with the interaction of the embodiment. For example, as in the following third embodiment, the material may be a hydrophilic material or a hydrophobic material as fine particles as described in the first or second embodiment and having a π electron of an aromatic ring, or the first ˜Aromatic rings may be introduced into the surface of the fine particles by chemically modifying a part of the hydrophilic material or hydrophobic material described in the embodiment. On the contrary, as a fine particle, a hydrophilic or hydrophobic functional group is introduced to the surface of the fine particle by chemically modifying a part of the material having π electrons of the aromatic ring described in the following third embodiment. You may do it. The same applies to the other fourth to sixth embodiments. Hereinafter, the third to sixth embodiments will be described.

III.第3実施形態;π−π相互作用を利用する形態
基板と微粒子のπ−π相互作用を利用する形態としては、例えば、基板と微粒子共に芳香族環のπ電子を有するもの、又は芳香族環のπ電子と官能基の持つ電子とのπ-π相互作用を用いて、基板と微粒子の間に、分子間力(引力)を働かせるものである。これは、芳香族環と芳香族環、又は芳香族環とCH基、NH基もしくはOH基の官能基との間で、π−π相互作用が働くためである。従って、基板と微粒子のπ−π相互作用を利用する形態として、1例を挙げれば、芳香族環を持つ微粒子あるいは芳香族化合物修飾微粒子と芳香族化合物処理基板が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。
III. Third Embodiment: Form Utilizing π-π Interaction As a form utilizing π-π interaction between a substrate and fine particles, for example, the substrate and fine particles both have π electrons of an aromatic ring, or an aromatic ring The intermolecular force (attractive force) is exerted between the substrate and the fine particles using the π-π interaction between the π electron and the electron possessed by the functional group. This is because π-π interaction works between the aromatic ring and the aromatic ring, or between the aromatic ring and the functional group of the CH group, NH group or OH group. Therefore, as an example of the form utilizing the π-π interaction between the substrate and the fine particles, fine particles having an aromatic ring or aromatic compound-modified fine particles and an aromatic compound-treated substrate can be mentioned. Is not to be done.

(i)微粒子
上記微粒子は、芳香環を持つもの(単に芳香環微粒子ともいう)、芳香環化合物で修飾したもの(単に芳香環化合物修飾微粒子ともいう)のいずれであってもよい。本実施形態では、こうした微粒子を1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(I) Fine particles The fine particles may be those having an aromatic ring (also simply referred to as aromatic ring fine particles) or those modified with an aromatic ring compound (also simply referred to as aromatic ring compound-modified fine particles). In the present embodiment, these fine particles may be used alone or in combination of two or more.

また、微粒子の材料については、該微粒子を含有した電解質膜として用いた燃料電池を運転した際に、該電解質膜内で安定して存在できるものであれば、その種類を特に制限するものではない。有機、無機のいずれの化合物により形成された微粒子であってもよい。有機微粒子の場合には、π−π相互作用のほか、使用材料によっては更に、親水−親水相互作用ないし疎水−疎水相互作用、静電的相互作用等を有効に利用することができ、より強固な相互作用を併用して微粒子の濃度勾配を制御可能である点で優れている。一方、無機微粒子の場合には、耐酸化性、寸法安定性の点で優れている。従って、これら有機、無機微粒子は、使用用途に応じて、適宜使い分けてもよいし、併用してもよい。   The material of the fine particles is not particularly limited as long as the material can be stably present in the electrolyte membrane when the fuel cell used as the electrolyte membrane containing the fine particles is operated. . Fine particles formed of any organic or inorganic compound may be used. In the case of organic fine particles, in addition to the π-π interaction, depending on the materials used, hydrophilic-hydrophilic interaction or hydrophobic-hydrophobic interaction, electrostatic interaction, etc. can be used effectively, making it stronger. It is excellent in that the concentration gradient of fine particles can be controlled by using various interactions together. On the other hand, inorganic fine particles are excellent in terms of oxidation resistance and dimensional stability. Therefore, these organic and inorganic fine particles may be properly used or used together depending on the intended use.

微粒子が芳香族環を持つもの(芳香族環微粒子)としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ポリフェニレン類などの芳香族環を持つ化合物により形成されてなる微粒子などが挙げられる。   Examples of the fine particles having an aromatic ring (aromatic ring fine particles) include fine particles formed of polyesters such as polyethylene terephthalate and polyethylene naphthalate, and compounds having an aromatic ring such as polyphenylenes.

微粒子に芳香族環化合物で修飾したもの(芳香族環化合物修飾微粒子)としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどの芳香族環を有するポリエステル類、ポリフェニルエーテルなどのポリフェニレン類などの芳香族環化合物による表面修飾技術によって、微粒子の表面や内部に上記したような芳香環化合物あるいは芳香族環を有する官能基を修飾させたものなどが挙げられる。   Examples of fine particles modified with an aromatic ring compound (aromatic ring compound-modified fine particles) include aromatics such as polyesters having an aromatic ring such as polyethylene terephthalate and polyethylene naphthalate, and polyphenylenes such as polyphenyl ether. Examples of the surface modification technique using a ring compound include those obtained by modifying the surface or inside of fine particles with an aromatic ring compound or a functional group having an aromatic ring as described above.

(ii)基板
上記基板は、芳香環(ヘテロ芳香環、多重結合環などを含む)を持つもの(単に芳香環基板ともいう)、芳香族化合物(ヘテロ芳香化合物、多重結合物などを含む)で修飾したもの(単に芳香族環化合物修飾基板ともいう)のいずれであってもよい。
(Ii) Substrate The substrate is one having an aromatic ring (including a heteroaromatic ring or multiple bond ring) (also simply referred to as an aromatic ring substrate), or an aromatic compound (including a heteroaromatic compound or multiple bond). Any of those modified (also simply referred to as an aromatic ring compound-modified substrate) may be used.

本発明では、膜(電解質膜)中の微粒子との相互作用の観点から、少なくとも基材表面が芳香環基板や芳香環化合物修飾基板となるように処理されていればよい。従って、例えば、芳香環基板や芳香環化合物修飾基板でない基板に、芳香環基板や芳香環化合物修飾基板を貼り合わせたものであってもよい。   In the present invention, from the viewpoint of interaction with fine particles in the membrane (electrolyte membrane), it is sufficient that at least the base material surface is treated so as to be an aromatic ring substrate or an aromatic ring compound modified substrate. Therefore, for example, an aromatic ring substrate or an aromatic ring compound modified substrate may be bonded to a substrate that is not an aromatic ring substrate or an aromatic ring compound modified substrate.

基板を芳香環化合物で修飾したもの(芳香環化合物修飾基板)としては、例えば、ピラニア処理、放射線グラフト処理、化学気相吸着処理(CVD処理)、真空紫外光処理(VUV処理)などの芳香環化合物による表面修飾処理技術によって、基板の表面や内部に上記したような芳香環化合物で修飾させたものなどが挙げられる。なお、ピラニア処理に関しては、上記親水化微粒子にて説明したと同様である為、ここでの説明は省略する。   Examples of the substrate modified with an aromatic ring compound (aromatic ring compound modified substrate) include aromatic rings such as piranha treatment, radiation grafting treatment, chemical vapor adsorption treatment (CVD treatment), vacuum ultraviolet light treatment (VUV treatment), etc. Examples of the surface modification treatment technique using a compound include those obtained by modifying the surface or inside of a substrate with an aromatic ring compound as described above. Since the piranha treatment is the same as that described for the hydrophilic microparticles, the description thereof is omitted here.

上記基板の形状厚さとしては、特に制限されるものではなく、フィルム状であってもよいし、板状であってもよい。   The shape thickness of the substrate is not particularly limited, and may be a film shape or a plate shape.

上記基板の厚さとしては、特に制限されるものではなく、形状に応じて適宜最適な厚さを選択すればよく、フィルム状では10〜100μmの範囲であればよく、板状では0.1mm〜10cmの範囲であればよい。   The thickness of the substrate is not particularly limited, and an optimum thickness may be selected as appropriate according to the shape. The thickness may be in the range of 10 to 100 μm for the film shape, and 0.1 mm for the plate shape. It may be in the range of -10 cm.

第3実施形態でも、図1の基板と微粒子の親水−親水相互作用を利用したものと同様に膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけた電解質膜を形成できる。   Also in the third embodiment, an electrolyte membrane having a concentration gradient of fine particles in the film in the film thickness direction can be formed in the same manner as that utilizing the hydrophilic-hydrophilic interaction between the substrate and fine particles in FIG.

第3実施形態でも、図1を参照して説明すれば、基板300と微粒子103がπ−π相互作用により、これら各種の分子間力(相互作用)を引力または斥力のドライビングフォースとして微粒子と基板の間に働かせることで、基板300上の電解質膜100の膜厚方向に微粒子103の濃度分布が形成されてなるものとみることができる。   In the third embodiment as well, with reference to FIG. 1, the substrate 300 and the fine particle 103 interact with each other using the various intermolecular forces (interactions) by attractive or repulsive driving force due to the π-π interaction. It can be considered that the concentration distribution of the fine particles 103 is formed in the thickness direction of the electrolyte membrane 100 on the substrate 300 by acting between the two.

これは、製膜過程、親水性の基板300上に親水性微粒子103を分散した電解質溶液を塗布してから溶媒を除去するまでの、該微粒子103が移動可能な状態にある過程においてπ−π相互作用を働かせる。詳しくは、基板側の芳香族環のπ電子と微粒子側の芳香族環のπ電子との間で、π−π相互作用を働かせることにより、電解質膜100中の微粒子103に所望の濃度勾配を膜厚方向につける。その後、溶媒を除去した時点で、当該膜厚方向につけられた濃度勾配を固定化(安定化)させる。これにより、所望の微粒子分散電解質膜を得ることができる。   This is because π−π in the film forming process, the process in which the fine particles 103 are movable from the application of the electrolyte solution in which the hydrophilic fine particles 103 are dispersed on the hydrophilic substrate 300 to the removal of the solvent. Make the interaction work. Specifically, by causing a π-π interaction to work between the π electrons of the aromatic ring on the substrate side and the π electrons of the aromatic ring on the fine particle side, a desired concentration gradient is imparted to the fine particles 103 in the electrolyte membrane 100. Apply in the film thickness direction. Thereafter, when the solvent is removed, the concentration gradient applied in the film thickness direction is fixed (stabilized). Thereby, a desired fine particle-dispersed electrolyte membrane can be obtained.

したがって、基板300としては、第1の実施形態で説明したと同様に、燃料電池の構成部材である必要はなく、電解質膜100を作製する過程で用いられる製膜用基板として利用可能なものであればよい。例えば、電解質膜の両面に接合させて用いられる電極触媒層(燃料電池の構成部材)であってもよいし、製造段階でのみ用いる製膜用基板であってもよい。好ましくは、製膜用基板である。これは、電極触媒層も、微粒子を分散させることでMEA全体として、微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけることで、所望の作用効果を発現させることができるためである。   Therefore, as described in the first embodiment, the substrate 300 does not have to be a constituent member of the fuel cell, and can be used as a film-forming substrate used in the process of manufacturing the electrolyte membrane 100. I just need it. For example, an electrode catalyst layer (a constituent member of a fuel cell) used by being bonded to both surfaces of the electrolyte membrane may be used, or a film-forming substrate used only in the manufacturing stage. Preferably, it is a film forming substrate. This is because the electrocatalyst layer can also exhibit a desired effect by dispersing the fine particles to provide a concentration gradient of the fine particles in the film thickness direction as the whole MEA.

ここで、濃度分布(濃度勾配)は、基板を調節することにより容易に制御可能となる。例えば、基板表面の芳香環密度を調節することにより制御可能となる。ただし、微粒子を調節することにより制御してもよい。   Here, the concentration distribution (concentration gradient) can be easily controlled by adjusting the substrate. For example, it can be controlled by adjusting the aromatic ring density on the substrate surface. However, it may be controlled by adjusting the fine particles.

IV.第4実施形態;静電的相互作用を利用する形態
基板と微粒子の静電的相互作用を利用する形態としては、例えば、プラス(+)かマイナス(−)にチャージした微粒子(例えば、ポリスチレンスルホン酸(PSS)微粒子など)に、逆の電荷を帯びさせた基板または同じ電荷を帯びさせた基板との静電反発または静電的相互作用を用いて、基板と微粒子の間に、分子間力(引力)を働かせるものであるが、これらに何ら制限されるものではない。
IV. Fourth Embodiment: Form Utilizing Electrostatic Interaction As a form utilizing electrostatic interaction between a substrate and fine particles, for example, fine particles (for example, polystyrene sulfone) charged to plus (+) or minus (-) Intermolecular force between the substrate and the microparticle using electrostatic repulsion or electrostatic interaction with the oppositely charged substrate or the same charged substrate with an acid (PSS) microparticle, etc. (Attraction) is used, but it is not limited to these.

(i)微粒子
上記微粒子は、上記(I)〜(III)に記載した各種微粒子が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。好ましくはプラス(+)かマイナス(−)にチャージしやすい、ポリスチレンスルホン酸、ポリアニリンなどが望ましい。本実施形態では、こうした同じ電荷を帯びた微粒子を1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(I) Fine particles Examples of the fine particles include, but are not limited to, the various fine particles described in the above (I) to (III). Preferably, polystyrenesulfonic acid, polyaniline, etc., which are easily charged positively (+) or negatively (−), are desirable. In the present embodiment, such fine particles having the same charge may be used singly or in combination of two or more.

また、微粒子の材料については、該微粒子を含有した電解質膜として用いた燃料電池を運転した際に、該電解質膜内で安定して存在できるものであれば、その種類を特に制限するものではない。有機、無機のいずれの化合物により形成された微粒子であってもよい。有機微粒子の場合には、静電的相互作用、π−π相互作用、親水−親水相互作用ないし疎水−疎水相互作用等が複合的に関与し有効に作用することができ、使用できる材料の組み合わせが無限大である点で優れている。一方、無機微粒子の場合には、耐酸化性、寸法安定性の点で優れている。従って、これら有機、無機微粒子は、使用用途に応じて、適宜使い分けてもよいし、併用してもよい。   The material of the fine particles is not particularly limited as long as the material can be stably present in the electrolyte membrane when the fuel cell used as the electrolyte membrane containing the fine particles is operated. . Fine particles formed of any organic or inorganic compound may be used. In the case of organic fine particles, electrostatic interaction, π-π interaction, hydrophilic-hydrophilic interaction or hydrophobic-hydrophobic interaction can be combined and used effectively. Is excellent in that it is infinite. On the other hand, inorganic fine particles are excellent in terms of oxidation resistance and dimensional stability. Therefore, these organic and inorganic fine particles may be properly used or used together depending on the intended use.

微粒子をプラス(+)かマイナス(−)にチャージする方法としては、微粒子を帯電させるのに用いる一般的な帯電技術を用いることができる。具体的には、電圧を印加する方法等が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。なお、当該微粒子にチャージされた電荷(静電荷)は、その後、適当な方法で簡単に除去することができる。   As a method of charging the fine particles to plus (+) or minus (−), a general charging technique used for charging the fine particles can be used. Specific examples include a method of applying a voltage, but are not limited thereto. The charges (electrostatic charges) charged in the fine particles can be easily removed thereafter by an appropriate method.

(ii)基板
上記基板は、帯電可能な材料であれば良く、上記(I)〜(III)に記載した各種基板が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。
(Ii) Substrate The substrate may be any material that can be charged and includes the various substrates described in (I) to (III) above, but is not limited thereto.

基板に所望の電荷を帯びさせる方法としては、例えば、電圧印加等が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない
第4実施形態でも、図1の基板と微粒子の親水−親水相互作用を利用したものと同様に膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけた電解質膜を形成できる。
Examples of the method of applying a desired charge to the substrate include voltage application, but are not limited thereto. In the fourth embodiment, the hydrophilic-hydrophilic interaction between the substrate of FIG. An electrolyte membrane having a concentration gradient of fine particles in the membrane in the film thickness direction can be formed in the same manner as that used.

第4実施形態では、基板と微粒子の静電的相互作用により、これら各種の分子間力(相互作用)を引力または斥力のドライビングフォースとして微粒子と基板の間に働かせることで、基板上の電解質膜の膜厚方向に微粒子の濃度分布が形成されてなるものである。   In the fourth embodiment, the various intermolecular forces (interactions) act as attractive or repulsive driving forces between the microparticles and the substrate by electrostatic interaction between the microparticles and the microparticles. The fine particle concentration distribution is formed in the film thickness direction.

これは、製膜過程で、+(又は−)に帯電させた基板上に+または−にチャージした微粒子を分散した電解質溶液を塗布してから溶媒を除去するまでの、該微粒子が移動可能な状態にある過程において静電的相互作用を働かせる。詳しくは、基板表面と微粒子間で、静電的相互作用を働かせることにより、電解質膜中の微粒子に所望の濃度勾配を膜厚方向につける。その後、溶媒を除去した時点で、当該膜厚方向につけられた濃度勾配を固定化(安定化)させるようにしてもよい。これにより、所望の微粒子分散電解質膜を得ることができる。   This is because, during the film forming process, the fine particles can move from application of an electrolyte solution in which fine particles charged to + or − are dispersed to a substrate charged to + (or −) to removal of the solvent. Engage electrostatic interactions in the process. Specifically, by applying an electrostatic interaction between the substrate surface and the fine particles, a desired concentration gradient is given to the fine particles in the electrolyte membrane in the film thickness direction. After that, when the solvent is removed, the concentration gradient applied in the film thickness direction may be fixed (stabilized). Thereby, a desired fine particle-dispersed electrolyte membrane can be obtained.

V.第5実施形態;電荷移動相互作用を利用する形態
基板と微粒子の電荷移動相互作用を利用する形態としては、基板と微粒子の一方に電子供与体(ドナー;アントラキノンジスルホン酸、芳香族炭化水素、アミン類等)を、基板と微粒子のもう一方に電子受容体(アクセプター;ハロゲン含有化合物、ヒドロキノン等のキノン系化合物、ニトロ化合物、シアノ化合物等)との組み合わせによる電荷移動相互作用を用いて、基板と微粒子の間に、分子間力(引力)を働かせるものである。この他にも、例えば、ヨードとベンゼン、ベンゾキノンとヒドロキノン、トリニトロベンゼンとヘキサメチルベンゼン、テトラシアノエチレンとベンゼンやヘキサメチルベンゼンまたはこれらの誘導体との組み合わせなどが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。
V. Fifth Embodiment: Form using charge transfer interaction As a form using charge transfer interaction between a substrate and fine particles, an electron donor (donor; anthraquinone disulfonic acid, aromatic hydrocarbon, amine) is used on one of the substrate and fine particles. And the like using a charge transfer interaction in combination with an electron acceptor (acceptor; halogen-containing compound, quinone compound such as hydroquinone, nitro compound, cyano compound, etc.) An intermolecular force (attraction) is applied between the fine particles. Other examples include, but are not limited to, iodo and benzene, benzoquinone and hydroquinone, trinitrobenzene and hexamethylbenzene, tetracyanoethylene and benzene, hexamethylbenzene, or combinations thereof. It is not a thing.

(i)微粒子
上記微粒子は、電子供与体として用いる場合には、上記したようなアントラキノンジスルホン酸、芳香族炭化水素、アミン類等などが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。電子受容体として用いる場合には、ハロゲン含有化合物、ヒドロキノン等のキノン系化合物、ニトロ化合物、シアノ化合物等が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。本実施形態では、こうした電子供与体または電子受容体としての微粒子を1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(I) Fine particles When used as an electron donor, the fine particles include anthraquinone disulfonic acid, aromatic hydrocarbons, amines and the like as described above, but are not limited thereto. When used as an electron acceptor, examples thereof include halogen-containing compounds, quinone compounds such as hydroquinone, nitro compounds, and cyano compounds, but are not limited thereto. In this embodiment, such fine particles as an electron donor or electron acceptor may be used alone or in combination of two or more.

また、上記微粒子の材料については、該微粒子を含有した電解質膜として用いた燃料電池を運転した際に、該電解質膜内で安定して存在できるものであれば、その種類を特に制限するものではない。有機、無機のいずれの化合物により形成された微粒子であってもよい。有機微粒子の場合には、電荷移動相互作用、π−π相互作用、親水−親水相互作用ないし疎水−疎水相互作用等が複合的に関与し有効に作用することができ、使用できる材料の組み合わせが無限大である点で優れている。一方、無機微粒子の場合には、耐酸化性、寸法安定性の点で優れている。従って、これら有機、無機微粒子は、使用用途に応じて、適宜使い分けてもよいし、併用してもよい。   The material of the fine particles is not particularly limited as long as the material can be stably present in the electrolyte membrane when the fuel cell used as the electrolyte membrane containing the fine particles is operated. Absent. Fine particles formed of any organic or inorganic compound may be used. In the case of organic fine particles, charge transfer interaction, π-π interaction, hydrophilic-hydrophilic interaction, hydrophobic-hydrophobic interaction, etc. can be combined and effectively function. It is excellent in that it is infinite. On the other hand, inorganic fine particles are excellent in terms of oxidation resistance and dimensional stability. Therefore, these organic and inorganic fine particles may be properly used or used together depending on the intended use.

(ii)基板
上記基板は、上記微粒子と組むあわせて電荷移動相互作用を奏することができるものであればよく、微粒子で例示した電子供与体および電子受容体が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。
(Ii) Substrate The substrate is not particularly limited as long as it can combine with the fine particles and can exhibit a charge transfer interaction, and examples thereof include electron donors and electron acceptors exemplified for fine particles. It is not something.

第5実施形態でも、図1の基板と微粒子の親水−親水相互作用を利用したものと同様に膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけた電解質膜を形成できる。   Also in the fifth embodiment, an electrolyte membrane in which the concentration gradient of fine particles in the film is provided in the film thickness direction can be formed in the same manner as that utilizing the hydrophilic-hydrophilic interaction between the substrate and fine particles in FIG.

第5実施形態では、基板と微粒子の電荷移動相互作用により、これら各種の分子間力(相互作用)を引力または斥力のドライビングフォースとして微粒子と基板の間に働かせることで、基板上の電解質膜の膜厚方向に微粒子の濃度分布が形成されてなるものである。   In the fifth embodiment, these various intermolecular forces (interactions) are exerted between the fine particles and the substrate as attractive or repulsive driving forces by the charge transfer interaction between the fine particles and the fine particles. A concentration distribution of fine particles is formed in the film thickness direction.

これは、製膜過程で、例えば、電子供与体で構成された基板上に、電子受容体で構成された微粒子を分散した電解質溶液を塗布してから溶媒を除去するまでの、該微粒子が移動可能な状態にある過程において電荷移動相互作用を働かせる。詳しくは、基板表面と微粒子間で、電荷移動相互作用を働かせることにより、電解質膜中の微粒子に所望の濃度勾配を膜厚方向につける。その後、溶媒を除去した時点で、当該膜厚方向につけられた濃度勾配を固定化(安定化)させるようにしてもよい。これにより、所望の微粒子分散電解質膜を得ることができる。   This is because, during the film forming process, for example, the fine particles move from the application of the electrolyte solution in which the fine particles composed of the electron acceptor are dispersed on the substrate composed of the electron donor to the removal of the solvent. Make charge transfer interactions work in a process that is possible. Specifically, by applying a charge transfer interaction between the substrate surface and the fine particles, a desired concentration gradient is applied to the fine particles in the electrolyte membrane in the film thickness direction. After that, when the solvent is removed, the concentration gradient applied in the film thickness direction may be fixed (stabilized). Thereby, a desired fine particle-dispersed electrolyte membrane can be obtained.

VI.第6実施形態;双極子−双極子相互作用を利用する形態
基板と微粒子の双極子−双極子相互作用を利用する形態としては、基板と微粒子に、例えば、FON原子団を持つ化合物同士による水素結合などの双極子−双極子相互作用を用いて、基板と微粒子の間に、分子間力(引力)を働かせるものであるが、これらに何ら制限されるものではない。
VI. Sixth Embodiment: Form using dipole-dipole interaction As a form using dipole-dipole interaction between a substrate and fine particles, for example, hydrogen produced by compounds having FON atomic groups on the substrate and fine particles. A dipole-dipole interaction such as a bond is used to exert an intermolecular force (attractive force) between the substrate and the fine particles, but is not limited thereto.

(i)微粒子
上記微粒子としては、例えば、フッ素置換安息香酸シアノフェニル、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ尿素などのFON原子団を持つ化合物などの極性分子が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。特に双極子−双極子相互作用が特に強い例である水素結合を利用する場合には、電気陰性度が大きい原子が、F(フッ素),O(酸素),N(窒素)でないと、水素結合に必要なだけの求引力を誘起できないことから、上記したFON原子団を持つ化合物を用いる必要がある。電解質材料に分散させる観点から、上記微粒子として好ましくは、ポリエーテルエーテルケトンなどの芳香族系ポリマーなどが望ましい。本実施形態では、こうした微粒子を1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(I) Fine particles Examples of the fine particles include polar molecules such as compounds having FON atomic groups such as fluorinated cyanophenyl benzoate, polyurethane, polyether ether ketone, and polyurea, but are not limited thereto. It is not a thing. In particular, in the case of using a hydrogen bond, which is a particularly strong example of a dipole-dipole interaction, if the atom having a large electronegativity is not F (fluorine), O (oxygen), or N (nitrogen), the hydrogen bond Therefore, it is necessary to use the compound having the FON atomic group described above because it is impossible to induce the attractive force required for the above. From the viewpoint of dispersion in the electrolyte material, the fine particles are preferably aromatic polymers such as polyetheretherketone. In the present embodiment, these fine particles may be used alone or in combination of two or more.

また、上記微粒子も、該微粒子を含有した電解質膜として用いた燃料電池を運転した際に、該電解質膜内で安定して存在できるものであれば、その種類を特に制限するものではなく、有機、無機のいずれの化合物により形成された微粒子であってもよい。有機微粒子の場合には、π−π相互作用、静電的相互作用、親水−親水相互作用ないし疎水−疎水相互作用等が複合的に関与し有効に作用することができ、利用できる化合物の種類が豊富である点で優れている。一方、無機微粒子の場合には、耐酸化性、寸法安定性の点で優れている。従って、これら有機、無機微粒子は、使用用途に応じて、適宜使い分けてもよいし、併用してもよい。   Further, the kind of the fine particles is not particularly limited as long as the fine particles can be stably present in the electrolyte membrane when the fuel cell used as the electrolyte membrane containing the fine particles is operated. Fine particles formed of any inorganic compound may be used. In the case of organic fine particles, π-π interaction, electrostatic interaction, hydrophilic-hydrophilic interaction or hydrophobic-hydrophobic interaction, etc. can be involved and act effectively, and the types of compounds that can be used Is excellent in that it is abundant. On the other hand, inorganic fine particles are excellent in terms of oxidation resistance and dimensional stability. Therefore, these organic and inorganic fine particles may be properly used or used together depending on the intended use.

(ii)基板
上記基板としては、上記微粒子との間で水素結合などの双極子−双極子相互作用(引力)が働くものであればよく、上記微粒子で例示したものと同様のFON原子団を持つ化合物などの極性分子が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。
(Ii) Substrate The substrate may be any substrate as long as a dipole-dipole interaction (attraction) such as a hydrogen bond acts between the fine particles, and the same FON atomic group as that exemplified for the fine particles may be used. Examples thereof include polar molecules such as compounds, but are not limited thereto.

第6実施形態でも、図1の基板と微粒子の親水−親水相互作用を利用したものと同様に膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけた電解質膜を形成できる。   In the sixth embodiment as well, an electrolyte membrane in which the concentration gradient of fine particles in the film is provided in the film thickness direction can be formed in the same manner as that using the hydrophilic-hydrophilic interaction between the substrate and fine particles in FIG.

第6実施形態では、基板と微粒子の双極子−双極子相互作用により、例えば、基板を構成する極性分子の正端と微粒子を構成する極性分子の負端との間に働く各種の分子間力(相互作用)を、引力または斥力のドライビングフォースとして微粒子と基板の間に働かせることで、基板上の電解質膜の膜厚方向に微粒子の濃度分布が形成されてなるものである。   In the sixth embodiment, for example, various intermolecular forces acting between the positive end of the polar molecule constituting the substrate and the negative end of the polar molecule constituting the fine particle due to the dipole-dipole interaction between the substrate and the fine particle. By causing (interaction) to act as an attractive or repulsive driving force between the fine particles and the substrate, a concentration distribution of the fine particles is formed in the thickness direction of the electrolyte membrane on the substrate.

これは、製膜過程で、例えば、FON原子団を持つ化合物で構成された基板表面上に、同様にFON原子団を持つ化合物で構成された微粒子を分散した電解質溶液を塗布してから溶媒を除去するまでの、該微粒子が移動可能な状態にある過程において、双極子−双極子相互作用を働かせる。詳しくは、基板表面と微粒子間で、双極子−双極子相互作用を働かせることにより、電解質膜中の微粒子に所望の濃度勾配を膜厚方向につける。その後、溶媒を除去した時点で、当該膜厚方向につけられた濃度勾配を固定化(安定化)させるようにしてもよい。これにより、所望の微粒子分散電解質膜を得ることができる。   In the film forming process, for example, an electrolyte solution in which fine particles composed of a compound having FON atomic groups are dispersed on a substrate surface composed of a compound having FON atomic groups is applied, and then the solvent is removed. In the process in which the fine particles are movable until they are removed, a dipole-dipole interaction is exerted. Specifically, a desired concentration gradient is applied to the fine particles in the electrolyte film in the film thickness direction by causing a dipole-dipole interaction to work between the substrate surface and the fine particles. After that, when the solvent is removed, the concentration gradient applied in the film thickness direction may be fixed (stabilized). Thereby, a desired fine particle-dispersed electrolyte membrane can be obtained.

以上が本発明の微粒子含有電解質膜の特徴部分の構成要件についての説明である。本発明の微粒子含有電解質膜の他の構成要件(主に、電解質成分)に関しては、特に制限されるものではない。以下、他の構成要件(主に、電解質成分)につき、簡単に説明するが、これらに何ら制限されるものではない。   This completes the description of the constituent features of the characteristic part of the fine particle-containing electrolyte membrane of the present invention. There are no particular restrictions on the other constituents (mainly electrolyte components) of the fine particle-containing electrolyte membrane of the present invention. Hereinafter, other constituent elements (mainly electrolyte components) will be briefly described, but the present invention is not limited thereto.

即ち、本発明の微粒子含有電解質膜としては、該電解質膜中に上記した微粒子が膜厚方向に濃度勾配を持って含有されていることを除き、特に限定されず公知の電解質成分からなる膜を用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる電解質成分は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   That is, the fine particle-containing electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited except that the fine particles described above are contained in the electrolyte membrane with a concentration gradient in the film thickness direction, and is a membrane made of a known electrolyte component. Any member having at least high proton conductivity may be used. Electrolyte components that can be used in this case are broadly classified into fluorine-based electrolytes that contain fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton, and hydrocarbon-based electrolytes that do not contain fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホン、ポリスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone, polysulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkylphosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, poly A suitable example is phenylsulfonic acid.

高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.

また、デュポン社製の各種のNafion(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。または、上記電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。この際には、多孔質状の薄膜を製膜する際に微粒子を加えて、濃度勾配を持つようにすればよいといえる。   In addition, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes based on styrene, hydrocarbon resin membranes with sulfonic acid groups, and other commonly available solid polymer electrolyte membranes and polymer microporous membranes A membrane impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. Alternatively, the electrolyte membrane may be made of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte or a membrane made of a hydrocarbon resin having a sulfonic acid group. You may use what formed the porous thin film impregnated with electrolyte components, such as phosphoric acid and an ionic liquid. In this case, it can be said that fine particles are added when forming a porous thin film so as to have a concentration gradient.

前記電解質膜の厚みは、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.

前記電解質膜の大きさは、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよい。特に、本発明では、電解質膜の製膜過程で製造工数を増やすことなく一段階で製膜が可能となる為、膜のコスト低減が図られる点で優れている。これは、例えば、自動車燃料電池用の燃料電池の価格は1〜2億円ともいわれ、量産化によるコスト低減効果だけでは、現状のガソリンエンジン自動車並みの価格にするのは困難であるといわれている。そこで、燃料電池の性能の向上と共に、コスト低減に寄与する部品や構造の開発が重要なテーマになっている。このことは燃料電池を構成する膜に関しても言える課題の1つであり、特に高性能膜の1つであるフッ素系樹脂製膜では、低コスト化が大きなテーマである。そのため、本発明のように製膜過程を非常に短いステップで行い得るので膜の大幅なコスト低減が図れることは大幅なコスト低減効果が見込まれる点で極めて優れたものといる。   The size of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained MEA. In particular, the present invention is excellent in that the cost of the membrane can be reduced because the membrane can be formed in one step without increasing the number of manufacturing steps in the process of forming the electrolyte membrane. For example, the price of a fuel cell for an automobile fuel cell is said to be 100 to 200 million yen, and it is said that it is difficult to achieve the same price as a current gasoline engine car only by the cost reduction effect by mass production. Yes. Therefore, development of parts and structures that contribute to cost reduction as well as improvement of fuel cell performance has become an important theme. This is one of the problems that can be said with respect to the membrane constituting the fuel cell. In particular, in the fluorine-based resin membrane that is one of the high-performance membranes, cost reduction is a major theme. Therefore, since the film forming process can be performed in a very short step as in the present invention, it is extremely excellent that a significant cost reduction effect can be expected because the cost of the film can be greatly reduced.

次に、本発明に係るMEAは、上記した本発明の微粒子含有電解質膜に触媒層を両面から挟持して積層することで得られることを特徴とするものである。   Next, the MEA according to the present invention is obtained by sandwiching and laminating a catalyst layer from both surfaces of the above-described fine particle-containing electrolyte membrane of the present invention.

以下、本発明のMEAの実施形態につき、上記した本発明の微粒子含有電解質膜中の微粒子の膜厚方向への濃度勾配の付け方ごとに分けて説明する。   Hereinafter, the embodiments of the MEA of the present invention will be described separately for each method of applying a concentration gradient in the film thickness direction of the fine particles in the fine particle-containing electrolyte membrane of the present invention.

本発明のMEAの第1の実施形態は、MEAの電解質膜の厚さ方向で中心に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層して得られてなるものである。かかる構成をとることにより、例えば、MEAの中心方向に親水性微粒子が偏在した場合には、MEA中に水をとどめることができ、燃料電池発電中のドライアウトを抑制する効果を発現ないし高めることができる。これとは逆にMEAの中心方向に疎水性微粒子が偏在した場合には、MEAの中心部位からの排水効果が増大し、フラッディングを抑制する効果を発現ないし高めることができる。   The first embodiment of the MEA of the present invention is obtained by laminating so that the concentration of fine particles increases toward the center in the thickness direction of the MEA electrolyte membrane. By adopting such a configuration, for example, when hydrophilic fine particles are unevenly distributed in the center direction of the MEA, water can be retained in the MEA, and the effect of suppressing dryout during fuel cell power generation can be exhibited or enhanced. Can do. On the contrary, when hydrophobic fine particles are unevenly distributed in the central direction of the MEA, the drainage effect from the central portion of the MEA is increased, and the effect of suppressing flooding can be expressed or enhanced.

なお、本発明のMEAでは、微粒子含有電解質膜を用いた例を示したが、さらに触媒層にも本発明の微粒子含有電解質膜と同様にして形成した微粒子含有触媒層を用いてもよい。こうすることで、上記したMEA全体で、MEAの中心方向に親水性微粒子が偏在した構成とすることができ、上記効果をより一層高めることができる点で優れている。   In the MEA of the present invention, an example in which the fine particle-containing electrolyte membrane is used is shown, but a fine particle-containing catalyst layer formed in the same manner as the fine particle-containing electrolyte membrane of the present invention may be used for the catalyst layer. By carrying out like this, it can be set as the structure by which hydrophilic microparticles were unevenly distributed in the center direction of MEA in the above-mentioned whole MEA, and it is excellent in the point which can raise the said effect further.

本発明のMEAの第2の実施形態は、MEAの膜厚方向で外側に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層して得られてなるものである。かかる構成をとることにより、例えば、MEAの中心方向に親水性微粒子が偏在した場合には、MEAの中心部位からの排水効果が増大し、フラッディングを抑制する効果を発現ないし高めることができる。これとは逆にMEAの中心方向に疎水性微粒子が偏在した場合には、MEA中に水をとどめることができ、燃料電池発電中のドライアウトを抑制する効果を発現ないし高めることができる。   The second embodiment of the MEA of the present invention is obtained by laminating so that the concentration of the fine particles increases toward the outside in the film thickness direction of the MEA. By adopting such a configuration, for example, when hydrophilic fine particles are unevenly distributed in the central direction of the MEA, the drainage effect from the central portion of the MEA is increased, and the effect of suppressing flooding can be expressed or enhanced. On the contrary, when hydrophobic fine particles are unevenly distributed in the center direction of the MEA, water can be retained in the MEA, and the effect of suppressing dryout during fuel cell power generation can be expressed or enhanced.

本発明のMEAの第3の実施形態は、MEAの膜厚方向で一方の表面からもう一方の表面に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層して得られてなるものである。かかる構成をとることにより、例えば、MEAの厚み方向全体に親水性微粒子ないし疎水性微粒子の勾配がついた場合、MEAの厚み方向で水分を任意の方向に移動させることができる。MEAの面内の適当な部位にこうした構成を設けることで、燃料電池発電中のドライアウトを抑制する効果を発現ないし高めることができると共に、MEAの中心部位からの排水効果が増大し、フラッディングを抑制する効果を発現ないし高めることもできる。   The third embodiment of the MEA of the present invention is obtained by laminating so that the concentration of fine particles increases from one surface to the other surface in the film thickness direction of the MEA. By adopting such a configuration, for example, when there is a gradient of hydrophilic fine particles or hydrophobic fine particles throughout the thickness direction of the MEA, moisture can be moved in any direction in the thickness direction of the MEA. By providing such a configuration in an appropriate part of the MEA surface, the effect of suppressing the dry-out during fuel cell power generation can be expressed or enhanced, and the drainage effect from the central part of the MEA can be increased. The suppressing effect can be expressed or enhanced.

本発明の燃料電池用微粒子含有電解質膜(更には触媒層)及びこれを用いたMEAでは、上記MEAの第3の実施形態に限らず、上述したような微粒子の膜厚方向に偏在する構成をとる部位を、電解質膜(更には触媒層)ないしMEA表面(電解質膜ないしMEAの面方向)全体に形成してもよい。あるいは、電解質膜(更には触媒層)ないしMEA表面(電解質膜ないしMEAの面方向)の適当な箇所(領域)にのみ形成してもよい。こうした構造は、例えば、基板表面の適用な箇所にのみ微粒子と相互作用するような材料(例えば、親水性材料)を用いて構成してもよいし、基板表面の適用な箇所にのみ微粒子と相互作用するような表面処理(例えば、親水化処理など)を施しても良い。   The fuel cell fine particle-containing electrolyte membrane (and catalyst layer) of the present invention and the MEA using the same are not limited to the third embodiment of the MEA, but have a configuration in which the fine particles are unevenly distributed in the film thickness direction as described above. The portion to be taken may be formed on the entire electrolyte membrane (further, the catalyst layer) or MEA surface (electrolyte membrane or MEA surface direction). Or you may form only in the suitable location (area | region) of electrolyte membrane (further a catalyst layer) thru | or MEA surface (electrolyte membrane thru | or the MEA surface direction). Such a structure may be configured using, for example, a material (for example, a hydrophilic material) that interacts with the fine particles only at an applicable position on the substrate surface, or interacts with the fine particles only at an applicable position on the substrate surface. A surface treatment (such as a hydrophilic treatment) may be applied.

なお、本発明のMEAに関しても、上記した本発明の微粒子含有電解質膜以外の他の構成要件(主に、触媒層、更にはガス拡散層(GDL))に関しては、特に制限されるものではない。以下、これら他の構成要件(主に、触媒層、更にはガス拡散層(GDL))につき、簡単に説明するが、これらに何ら制限されるものではない。   The MEA of the present invention is not particularly limited with respect to the other constituent elements (mainly the catalyst layer and further the gas diffusion layer (GDL)) other than the above-described fine particle-containing electrolyte membrane of the present invention. . Hereinafter, these other constituent elements (mainly the catalyst layer and further the gas diffusion layer (GDL)) will be briefly described, but are not limited thereto.

(1)触媒層
触媒層の構成としては、(i)電極触媒及び(ii)電解質を含む。
(1) Catalyst layer The configuration of the catalyst layer includes (i) an electrode catalyst and (ii) an electrolyte.

(i)電極触媒
電極触媒は、触媒粒子が導電性担体に担持されてなるものである。
(I) Electrode catalyst The electrode catalyst is formed by supporting catalyst particles on a conductive carrier.

ここで、カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、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、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。   Here, the catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for an element obtained by adding one or more metal elements or non-metal elements to a metal element and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of component elements that form separate crystals, a component element that completely dissolves into a solid solution, and a component element that is an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the oxygen reduction activity is also high, but in practice the average particle diameter is too small. On the other hand, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.

前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。前記比表面積が、20m/g以上であると前記導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性が向上し、十分な発電性能が得られる点で優れている。一方、1600m/g以下であると触媒成分および高分子電解質の高い有効利用率を有効に保持することができる点で優れている。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. When the specific surface area is 20 m 2 / g or more, the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte in the conductive carrier is improved, which is excellent in that sufficient power generation performance can be obtained. On the other hand, when it is 1600 m 2 / g or less, the catalyst component and the polymer electrolyte are excellent in that a high effective utilization rate can be effectively maintained.

また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%以下であると、触媒成分の導電性担体上での優れた分散度を有効に保持することができ、担持量の増加に見合った発電性能の向上効果を有効に発現させることができる利点がある。また、前記担持量が、10質量%以上であると、単位質量あたりの触媒活性に優れ、担持量に応じた所望の発電性能を得ることができる。そのため、所望の電池性能を確保するための担持量設計が比較的容易になし得る点で優れている。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. When the supported amount is 80% by mass or less, it is possible to effectively maintain an excellent degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support, and to effectively improve the power generation performance corresponding to the increase in the supported amount. There is an advantage that can be expressed. Further, when the supported amount is 10% by mass or more, the catalyst activity per unit mass is excellent, and desired power generation performance corresponding to the supported amount can be obtained. Therefore, it is excellent in that the carrying amount design for ensuring the desired battery performance can be made relatively easily. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。   The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.

(ii)電解質
本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、電解質が含まれる。前記電解質としては、特に限定されず、上記膜に用いたものと同様の高分子電解質が使用できる。前記膜に用いられる電解質と、各触媒層に用いられる電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層と膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。すなわち、前記電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。
(Ii) Electrolyte The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains an electrolyte in addition to the electrode catalyst. The electrolyte is not particularly limited, and the same polymer electrolyte as that used for the membrane can be used. The electrolyte used for the membrane and the electrolyte used for each catalyst layer may be the same or different, but from the viewpoint of improving the adhesion between each catalyst layer and the membrane, the same one is used. Is preferred. That is, the electrolyte is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Electrolytes that can be used in this case are broadly classified into fluorine-based electrolytes containing fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton and hydrocarbon-based electrolytes not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.

(iii)微粒子
本発明では、さらに必要に応じて、触媒層も本発明の微粒子分散電解質膜と同様に微粒子分散触媒層としてもよい。具体的な構成および製造方法に関しては、上記微粒子含有触媒層で説明したと同様にして行うことができる(実施例で説明する図2参照のこと。)
即ち、基板と微粒子の相互作用を利用することで、触媒層中の微粒子の濃度勾配を膜厚(層の厚さ)方向につけたことを特徴とする燃料電池用微粒子含有触媒層とすることができる。上記相互作用は、親水−親水相互作用、疎水−疎水相互作用、π−π相互作用、静電的相互作用、電荷移動相互作用で、双極子−双極子相互作用などを適宜組み合わせて用いることができる。親水−親水相互作用を利用する場合において、微粒子及び基板は、それぞれは親水性を持つもの、または親水性を付与したものを用いることができる。詳しくは、親水性の官能基をその表面ないし内部に一種類以上有している化合物であってもよいし、その表面ないし内部に親水性の官能基を修飾させることにより親水性を付与したものであってもよい。同様に、疎水−疎水相互作用を利用する場合においても、微粒子及び基板は、それぞれ疎水性を持つもの、または疎水性を付与したものを用いることができる。詳しくは、疎水性の官能基をその表面ないし内部に一種類以上有している化合物であってもよいし、その表面ないし内部に疎水性の官能基を修飾させることにより疎水性を付与したものであってもよい。なお、これら詳細に関しては、既に微粒子分散電解質膜の項において説明しているため、ここでの説明は省略する。
(Iii) Fine Particles In the present invention, if necessary, the catalyst layer may be a fine particle dispersed catalyst layer in the same manner as the fine particle dispersed electrolyte membrane of the present invention. The specific configuration and production method can be performed in the same manner as described for the fine particle-containing catalyst layer (see FIG. 2 described in the examples).
That is, by using the interaction between the substrate and the fine particles, a fine particle-containing catalyst layer for a fuel cell, characterized in that a concentration gradient of fine particles in the catalyst layer is provided in the film thickness (layer thickness) direction. it can. The above interaction is a hydrophilic-hydrophilic interaction, a hydrophobic-hydrophobic interaction, a π-π interaction, an electrostatic interaction, a charge transfer interaction, and a combination of dipole-dipole interactions, etc., as appropriate. it can. In the case of utilizing the hydrophilic-hydrophilic interaction, the fine particles and the substrate can each be hydrophilic or imparted with hydrophilicity. Specifically, it may be a compound having one or more kinds of hydrophilic functional groups on the surface or inside thereof, or those having hydrophilicity by modifying hydrophilic functional groups on the surface or inside thereof. It may be. Similarly, in the case of utilizing the hydrophobic-hydrophobic interaction, the fine particles and the substrate can each have a hydrophobic property or a hydrophobic property. Specifically, it may be a compound having one or more kinds of hydrophobic functional groups on the surface or inside thereof, or a substance imparted with hydrophobicity by modifying a hydrophobic functional group on the surface or inside thereof. It may be. Since these details have already been described in the section of the fine particle dispersed electrolyte membrane, description thereof is omitted here.

また、触媒層、更には電解質膜中の微粒子の濃度勾配のつけ方も、MEAの電解質膜及び、触媒層の厚さ方向で中心に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層してもよいし、MEAの膜厚方向で外側に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層してもよいし、MEAの膜厚方向で一方の表面からもう一方の表面に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層してもよいなど、燃料電池のMEAに求められる特性に応じて最適な構成(濃度勾配)となるようにすればよい。なお、これら詳細に関しても、既に本発明のMEAの項において説明しているため、ここでの説明は省略する。   In addition, the catalyst layer, and further, the concentration gradient of the fine particles in the electrolyte membrane may be laminated so that the concentration of the fine particles increases toward the center in the thickness direction of the MEA electrolyte membrane and the catalyst layer. In addition, the layers may be laminated so that the concentration of the fine particles increases toward the outside in the MEA film thickness direction, or the concentration of the fine particles increases from one surface to the other surface in the MEA film thickness direction. It is only necessary to obtain an optimum configuration (concentration gradient) according to characteristics required for the MEA of the fuel cell. Note that these details are already described in the MEA section of the present invention, and thus the description thereof is omitted here.

(2)GDL
GDLは、膜の両側のアノード及びカソード触媒層上にそれぞれ配置されてなるものである。具体的には、MEA(膜+触媒層)をさらにGDLで挟持し、必要であればこれをホットプレスにより挟持・接合することで得ることができる。
(2) GDL
The GDL is disposed on the anode and cathode catalyst layers on both sides of the membrane. Specifically, the MEA (membrane + catalyst layer) can be further sandwiched by GDL, and if necessary, it can be obtained by sandwiching and joining by hot pressing.

GDLとしては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。   The GDL is not particularly limited, and known materials can be used in the same manner. For example, the base material is a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric. Things. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.

前記GDLは、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The GDL preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, Fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

(2’)カーボン粒子層(以下、単にMILともいう)
また、撥水性をより向上させるために、前記GDLは、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるMILを有するものであってもよい。
(2 ′) Carbon particle layer (hereinafter also simply referred to as MIL)
In order to further improve water repellency, the GDL may have a MIL made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the substrate.

前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、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好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

前記MILに用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。   Examples of the water repellent used for the MIL include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

前記MILにおける、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、MILにおけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。   In the MIL, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity can be obtained. There is no fear. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in MIL is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

前記MILの厚さは、得られるGDLの撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The thickness of the MIL may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained GDL.

GDLに撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、GDLに用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。   When the GDL contains a water repellent, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for GDL in the dispersion liquid of a water repellent, the method of heat-drying in oven etc. is mentioned.

GDLにおいて転写用台紙上にMILを形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを転写用台紙上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。   When MIL is formed on a transfer mount in GDL, carbon particles, water repellent, etc. are dispersed in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol and the like. The slurry is prepared by applying the slurry onto a transfer mount and dried, or the slurry is once dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Good. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。また、当該実施例において、「%」は特記しない限り質量百分率を表わすものとする。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples. In the examples, “%” represents a mass percentage unless otherwise specified.

1.親水化微粒子の調製
平均粒子径0.05μmのシリカゲル微粒子をピラニア溶液に12時間浸漬することによりシリカゲル微粒子の親水化処理を行い、表面に水酸基(−OH基)を付与してなる親水化シリカゲル微粒子103を得た。
1. Preparation of hydrophilized fine particles Hydrophilic silica gel fine particles obtained by hydrophilizing silica gel fine particles by immersing silica gel fine particles with an average particle size of 0.05 μm in a piranha solution for 12 hours to give hydroxyl groups (—OH groups) to the surface. 103 was obtained.

2.親水化基板の調製
基板として、シリコン基板をピラニア溶液(体積比が過酸化水素水(31%):濃硫酸=3:7の混合溶液を熱したもの)に12時間浸漬することによりシリコン基板の親水化処理を行い、表面に水酸基(−OH基)を付与してなる親水化処理されたシリコン基板(単に、親水化シリコン基板ともいう)300を得た。得られた親水化シリコン基板300表面の対水接触角は60°であった。
2. Preparation of Hydrophilized Substrate As a substrate, the silicon substrate was immersed in a piranha solution (volume ratio of hydrogen peroxide solution (31%): concentrated sulfuric acid = 3: 7 mixed solution heated) for 12 hours. A hydrophilization treatment was performed to obtain a hydrophilized silicon substrate (also simply referred to as a hydrophilized silicon substrate) 300 having a hydroxyl group (—OH group) added to the surface. The water contact angle of the surface of the obtained hydrophilic silicon substrate 300 was 60 °.

3.厚み方向に親水化微粒子の濃度勾配を有する電解質膜の作製
親水性微粒子分散電解質溶液として、Nafion溶液(登録商標 DuPont社製 DE520、Nafion含量5wt%)中に上記親水化シリカゲル微粒子を5wt%で分散させた溶液を調整した。得られた親水性微粒子分散電解質溶液を支持体である上記親水化シリコン基板300上に流延塗布し、大気雰囲気下、25℃で24時間かけて溶媒を除去し、親水性微粒子分散電解質膜100(厚さ50μm、面積10cm×10cm)を作製した。図1A、Bに示すように、得られた親水性微粒子分散電解質膜100は、基板300との界面での親水性微粒子濃度が最も高くなっている。即ち、電解質膜100内の親水化微粒子103の濃度は、基板側の面(底面)102が最も高くなっている。そして、親水性微粒子の濃度(分布)は、基板側の底面102から空気側の上面101に向かって漸減する勾配を持って存在している。この濃度勾配を有することの確認は、後述するEPMA測定に基づき算出することができる。
3. Production of electrolyte membrane having concentration gradient of hydrophilized fine particles in thickness direction Disperse the above-mentioned hydrophilized silica gel fine particles at 5 wt% in Nafion solution (registered trademark DuPont DE520, Nafion content 5 wt%) as a hydrophilic fine particle dispersed electrolyte solution. The prepared solution was prepared. The obtained hydrophilic fine particle-dispersed electrolyte solution is cast-coated on the above-mentioned hydrophilized silicon substrate 300 as a support, and the solvent is removed at 25 ° C. for 24 hours in an air atmosphere. (Thickness 50 μm, area 10 cm × 10 cm) was produced. As shown in FIGS. 1A and 1B, the obtained hydrophilic fine particle-dispersed electrolyte membrane 100 has the highest hydrophilic fine particle concentration at the interface with the substrate 300. That is, the concentration of the hydrophilized fine particles 103 in the electrolyte membrane 100 is highest on the surface (bottom surface) 102 on the substrate side. The concentration (distribution) of the hydrophilic fine particles exists with a gradient that gradually decreases from the bottom surface 102 on the substrate side toward the upper surface 101 on the air side. The confirmation of having this concentration gradient can be calculated based on the EPMA measurement described later.

なお、図1Bに示す、親水性微粒子の濃度(分布)の制御には、上記した溶媒除去速度(具体的には、乾燥温度など)や親水化処理時の浸漬時間や温度などを変えることで制御可能である。   Note that the concentration (distribution) of the hydrophilic fine particles shown in FIG. 1B can be controlled by changing the solvent removal rate (specifically, the drying temperature, etc.), the immersion time during the hydrophilization treatment, the temperature, and the like. It can be controlled.

[厚み方向に親水性微粒子の勾配を有する電極触媒層の作成]
白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E、白金含量46.5%)10g、Nafion(登録商標)/イソプロピルアルコール溶液(デュポン社製、Nafion5wt%含有)に上記親水化シリカゲル微粒子を5wt%で分散させた溶液4.5g、純水50g、1−プロパノール(和光純薬工業社株式会社製特級試薬)40g、2−プロパノール(和光純薬工業社株式会社製特級試薬)40g、を、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで触媒インクを調製した。上記触媒インクを親水化処理基板300上に流延塗布し、大気雰囲気下、25℃で24時間かけて溶媒を除去し、親水性微粒子分散電極触媒層200(厚さ20μm、面積5cm×5cm)を作製した。
[Creation of an electrocatalyst layer having a gradient of hydrophilic fine particles in the thickness direction]
Disperse the above-mentioned hydrophilized silica gel particles in 5 wt% in platinum-supporting carbon (TEC 10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, platinum content 46.5%), Nafion (registered trademark) / isopropyl alcohol solution (DuPont, Nafion 5 wt%). 4.5 g of purified solution, 50 g of pure water, 40 g of 1-propanol (special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 40 g of 2-propanol (special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at 25 ° C. A catalyst ink was prepared by mixing and dispersing for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to hold. The catalyst ink was cast on the hydrophilized substrate 300 and the solvent was removed over 24 hours at 25 ° C. in an air atmosphere. A hydrophilic fine particle dispersed electrode catalyst layer 200 (thickness 20 μm, area 5 cm × 5 cm) Was made.

[厚み方向に親水性微粒子の勾配を有する親水性微粒子分散電解質接合体の作成]
図2に示すように、前記親水性微粒子分散電解質膜100と親水性微粒子分散電極触媒層200を用い、親水化処理支持体と接していた面を内側にして積層させ、3MPaの圧力で、130℃、10分間ホットプレスすることにより、親水性微粒子分散極接合体400を得た。
[Preparation of hydrophilic fine particle dispersed electrolyte assembly having hydrophilic fine particle gradient in the thickness direction]
As shown in FIG. 2, the hydrophilic fine particle-dispersed electrolyte membrane 100 and the hydrophilic fine particle-dispersed electrode catalyst layer 200 are used and laminated with the surface in contact with the hydrophilization treatment support inside, and the pressure is 130 MPa at a pressure of 3 MPa. By hot pressing at 10 ° C. for 10 minutes, a hydrophilic fine particle dispersed electrode assembly 400 was obtained.

[厚み方向に親水性微粒子の勾配を有する親水性微粒子分散電解質接合体の作成]
図3に示すように、厚み方向に親水性微粒子の勾配を有する前記親水性微粒子分散電解質膜100とアノード触媒層210、カソード触媒層220とを用い、親水化処理支持体と接していた面がアノード触媒層210と電解質膜100の界面211となるようにして積層させ、3MPaの圧力で、130℃、10分間ホットプレスすることにより、厚み方向に親水性微粒子の勾配を有し、電解質膜とアノード触媒層の界面が最も親水性微粒子の濃度が高い親水性微粒子分散膜電極接合体400を得た。図3Bは、得られた膜電極接合体400中の厚み方向の親水性微粒子の濃度分布を表した図面である。図3A、Bに示すように、本実施例では、アノード触媒層210、カソード触媒層220には微粒子を配合していないが、電解質膜と触媒層を積層させ、ホットプレスすることにより、電解質膜からアノード触媒層内にも微粒子が拡散されて、アノード触媒層の厚み方向に親水性微粒子の濃度分布が形成されることが確認された。
[Preparation of hydrophilic fine particle dispersed electrolyte assembly having hydrophilic fine particle gradient in the thickness direction]
As shown in FIG. 3, the hydrophilic fine particle-dispersed electrolyte membrane 100 having a gradient of hydrophilic fine particles in the thickness direction, the anode catalyst layer 210, and the cathode catalyst layer 220 are used, and the surface in contact with the hydrophilic treatment support is The anode catalyst layer 210 and the electrolyte membrane 100 are laminated so as to be the interface 211, and hot pressing is performed at a pressure of 3 MPa at 130 ° C. for 10 minutes, thereby having a gradient of hydrophilic fine particles in the thickness direction. A hydrophilic fine particle dispersed membrane electrode assembly 400 having the highest concentration of hydrophilic fine particles at the interface of the anode catalyst layer was obtained. FIG. 3B is a drawing showing the concentration distribution of hydrophilic fine particles in the thickness direction in the membrane electrode assembly 400 obtained. As shown in FIGS. 3A and 3B, in this embodiment, fine particles are not blended in the anode catalyst layer 210 and the cathode catalyst layer 220, but the electrolyte membrane is formed by laminating the electrolyte membrane and the catalyst layer and hot pressing them. From this, it was confirmed that the fine particles were diffused also in the anode catalyst layer, and the concentration distribution of the hydrophilic fine particles was formed in the thickness direction of the anode catalyst layer.

図3の組み合わせによると、アノード触媒層と電解質膜の界面の親水性微粒子濃度が最も高くなるため、アノード界面からアノード気相側への蒸発を抑えることができ、アノードドライアウトによる電圧降下を抑制することができる。   According to the combination of FIG. 3, since the hydrophilic fine particle concentration at the interface between the anode catalyst layer and the electrolyte membrane is the highest, evaporation from the anode interface to the anode gas phase side can be suppressed, and voltage drop due to anode dryout is suppressed. can do.

図4は、X線マイクロアナライザー(EPMA:Electron Probe Micro−Analysis)測定により得られる表面の深さ方向のSi対F強度比分布である。ナフィオン(電解質膜)のフッ素原子をベースとしてシリカゲル微粒子由来のSi原子の存在比率(vs.フッ素)を算出した。親水化処理した基板上でキャスト製膜した場合、親水化基板側のSi濃度が基板側から空気側に向かって勾配を持って存在していることが確認された。同様に、上述した図1B、2B、3Bの微粒子の濃度分布も、上記に示すEPMA測定に基づき算出することができる。   FIG. 4 shows the Si to F intensity ratio distribution in the depth direction of the surface obtained by X-ray microanalyzer (EPMA: Electron Probe Micro-Analysis) measurement. Based on the fluorine atoms of Nafion (electrolyte membrane), the abundance ratio of Si atoms derived from silica gel particles (vs. fluorine) was calculated. When cast film formation was performed on a hydrophilized substrate, it was confirmed that the Si concentration on the hydrophilized substrate side was present with a gradient from the substrate side to the air side. Similarly, the concentration distribution of the fine particles shown in FIGS. 1B, 2B, and 3B can be calculated based on the EPMA measurement described above.

図1は、第1実施形態の1例として、基板と微粒子の親水−親水相互作用を利用することで、膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけた電解質膜の様子を模式的に表した概略図である。図1Aは、親水性を付与した基板上に作製された燃料電池用親水性微粒子含有電解質膜の様子を模式的に表した断面概略図であり、図1Bは、図1Aの親水性微粒子含有電解質膜の膜厚方向に対する親水性微粒子の濃度分布の関係を表すグラフである。As an example of the first embodiment, FIG. 1 schematically shows a state of an electrolyte membrane in which a concentration gradient of fine particles in a film is applied in a film thickness direction by utilizing a hydrophilic-hydrophilic interaction between a substrate and fine particles. FIG. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view schematically showing a state of a hydrophilic fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell produced on a hydrophilic substrate, and FIG. 1B is a hydrophilic fine particle-containing electrolyte of FIG. 1A. It is a graph showing the relationship of the density distribution of hydrophilic fine particles with respect to the film thickness direction of a film. 図2Aは、実施例で作製した、親水性微粒子分散電解質膜と親水性微粒子分散電極触媒層を用い、親水化処理支持体と接していた面を内側にして積層させホットプレスすることにより得られてなる親水性微粒子分散膜電極接合体の様子を模式的に表した断面概略図である。図2Bは、図2Aの親水性微粒子分散膜電極接合体の膜厚方向に対する親水性微粒子の濃度分布の関係を表すグラフである。FIG. 2A is obtained by using the hydrophilic fine particle-dispersed electrolyte membrane and the hydrophilic fine particle-dispersed electrode catalyst layer produced in the examples, laminating with the surface in contact with the hydrophilization support inside, and hot pressing. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a state of the hydrophilic fine particle dispersed membrane electrode assembly obtained. FIG. 2B is a graph showing the relationship of the concentration distribution of hydrophilic fine particles with respect to the film thickness direction of the hydrophilic fine particle dispersed membrane electrode assembly of FIG. 2A. 図3Aは、実施例で作製した、厚み方向に親水性微粒子の勾配を有する親水性微粒子分散電解質膜とアノード触媒層、カソード触媒層とを用い、親水化処理支持体と接していた面がアノード触媒層と電解質膜の界面となるようにして積層させ、ホットプレスすることにより得られてなる、厚み方向に親水性微粒子の勾配を有し、電解質膜とアノード触媒層の界面が最も親水性微粒子の濃度が高い親水性微粒子分散膜電極接合体の様子を模式的に表した断面概略図である。図3Bは、図3Aの親水性微粒子分散膜電極接合体の膜厚方向に対する親水性微粒子の濃度分布の関係を表すグラフである。FIG. 3A shows an example of a hydrophilic fine particle-dispersed electrolyte membrane having a gradient of hydrophilic fine particles in the thickness direction, an anode catalyst layer, and a cathode catalyst layer, which were prepared in Examples, and the surface in contact with the hydrophilization support was Laminated so as to be the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane, and obtained by hot pressing, has a gradient of hydrophilic fine particles in the thickness direction, and the interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer is the most hydrophilic fine particles It is the cross-sectional schematic diagram which represented typically the mode of the hydrophilic fine particle dispersion membrane electrode assembly with a high density | concentration. FIG. 3B is a graph showing the relationship of the concentration distribution of hydrophilic fine particles with respect to the film thickness direction of the hydrophilic fine particle dispersed membrane electrode assembly of FIG. 3A. 図4は、実施例で図3を用いて説明した親水性微粒子分散電解質膜につき、X線マイクロアナライザー(EPMA)測定により得られる表面の深さ方向のSi対F強度比分布を表したグラフである。FIG. 4 is a graph showing the Si to F intensity ratio distribution in the depth direction of the surface obtained by X-ray microanalyzer (EPMA) measurement for the hydrophilic fine particle dispersed electrolyte membrane described with reference to FIG. 3 in the example. is there.

符号の説明Explanation of symbols

100 親水性微粒子分散電解質膜(厚み方向に親水性微粒子の勾配を有する電解質膜)、
101 電解質膜両側の面のうち、親水性微粒子濃度が面102よりも低い面、
102 電解質膜両側の面のうち、親水性微粒子濃度が面101よりも高い面、
103 親水化シリカゲル微粒子、
200 厚み方向に親水性微粒子の勾配を有する電極触媒層、
201 親水性微粒子濃度が202面よりも高い面、
202 親水性微粒子濃度が201面よりも低い面、
210 アノード触媒層、
211 アノード触媒層と電解質膜の界面、
220 カソード触媒層、
221 カソード触媒層と電解質膜の界面、
300 親水化処理された基板、
301 親水化処理された基板の表面、
400 厚み方向に親水性微粒子の勾配を有し、電解質膜と電極触媒層(アノード触媒層)の界面が最も親水性微粒子濃度の高いMEA。
100 hydrophilic fine particle-dispersed electrolyte membrane (electrolyte membrane having a gradient of hydrophilic fine particles in the thickness direction),
101 Of the surfaces on both sides of the electrolyte membrane, a surface having a hydrophilic fine particle concentration lower than the surface 102;
102 Of the surfaces on both sides of the electrolyte membrane, the surface having a hydrophilic fine particle concentration higher than the surface 101,
103 hydrophilized silica gel particles,
200 an electrode catalyst layer having a gradient of hydrophilic fine particles in the thickness direction;
201 surface having a hydrophilic fine particle concentration higher than 202 surface;
202 surface having a hydrophilic fine particle concentration lower than 201 surface;
210 anode catalyst layer,
211 Interface between anode catalyst layer and electrolyte membrane,
220 cathode catalyst layer,
221 interface between the cathode catalyst layer and the electrolyte membrane,
300 Hydrophilized substrate,
301 surface of a substrate subjected to hydrophilic treatment,
400 MEA having a gradient of hydrophilic fine particles in the thickness direction and having the highest hydrophilic fine particle concentration at the interface between the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer (anode catalyst layer).

Claims (19)

基板と微粒子の相互作用を利用することで、膜中の微粒子の濃度勾配を膜厚方向につけたことを特徴とする燃料電池用微粒子含有電解質膜。   A fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that a concentration gradient of fine particles in the film is provided in the film thickness direction by utilizing the interaction between the substrate and the fine particles. 上記相互作用が、親水−親水相互作用であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   2. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the interaction is a hydrophilic-hydrophilic interaction. 上記相互作用が、疎水−疎水相互作用であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   2. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the interaction is a hydrophobic-hydrophobic interaction. 上記相互作用が、π−π相互作用であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the interaction is a π-π interaction. 上記相互作用が、静電的相互作用であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   2. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the interaction is an electrostatic interaction. 上記相互作用が、電荷移動相互作用であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the interaction is a charge transfer interaction. 上記相互作用が、双極子−双極子相互作用であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   2. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the interaction is a dipole-dipole interaction. 前記親水−親水相互作用を利用する場合において、微粒子は親水性を持つもの、または親水性を付与したものであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   3. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 2, wherein when the hydrophilic-hydrophilic interaction is used, the fine particles have hydrophilicity or are imparted with hydrophilicity. 前記親水−親水相互作用を利用する場合において、基板は親水性を持つもの、または親水性を付与したものであることを特徴とする請求項2または8に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   9. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 2 or 8, wherein, when the hydrophilic-hydrophilic interaction is utilized, the substrate is hydrophilic or imparted with hydrophilicity. 前記疎水−疎水相互作用を利用する場合において、微粒子は疎水性を持つもの、または疎水性を付与したものであることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   4. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 3, wherein, when the hydrophobic-hydrophobic interaction is used, the fine particles have hydrophobicity or are imparted with hydrophobicity. 前記疎水−疎水相互作用を利用する場合において、基板は疎水性を持つもの、または疎水性を付与したものであることを特徴とする請求項3または10に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   11. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 3, wherein, when the hydrophobic-hydrophobic interaction is used, the substrate has hydrophobicity or is imparted with hydrophobicity. 前記微粒子および/または基板が、親水性の官能基をその表面ないし内部に一種類以上有している化合物であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   2. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the fine particles and / or the substrate is a compound having one or more kinds of hydrophilic functional groups on the surface or inside thereof. 前記微粒子および/または基板が、その表面ないし内部に親水性の官能基を修飾させることにより親水性を付与したものであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   2. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the fine particles and / or the substrate are provided with hydrophilicity by modifying a hydrophilic functional group on the surface or inside thereof. 前記微粒子および/または基板が、疎水性の官能基をその表面ないし内部に一種類以上有している化合物であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   2. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the fine particles and / or the substrate is a compound having one or more types of hydrophobic functional groups on the surface or inside thereof. 前記微粒子および/または基板が、その表面ないし内部に疎水性の官能基を修飾させることにより疎水性を付与したものであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用微粒子含有電解質膜。   2. The fine particle-containing electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the fine particles and / or the substrate are provided with hydrophobicity by modifying a hydrophobic functional group on the surface or inside thereof. 請求項1〜15のいずれかに記載の微粒子含有電解質膜に触媒層を両面から挟持して積層することで得られる膜電極接合体。   A membrane / electrode assembly obtained by sandwiching and laminating a catalyst layer from both surfaces of the fine particle-containing electrolyte membrane according to claim 1. 接合体の電解質膜の厚さ方向で中心に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層して得られる請求項16に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 16, obtained by laminating so that the concentration of fine particles increases toward the center in the thickness direction of the electrolyte membrane of the assembly. 接合体の膜厚方向で外側に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層して得られる請求項16に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 16, which is obtained by laminating so that the concentration of fine particles increases toward the outside in the film thickness direction of the assembly. 接合体の膜厚方向で一方の表面からもう一方の表面に向かって微粒子の濃度が高くなるように積層して得られる請求項16に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 16, obtained by laminating so that the concentration of fine particles increases from one surface to the other surface in the film thickness direction of the assembly.
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