JP2007305577A - Method for manufacturing film-electrode assembly - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing film-electrode assembly, using a catalyst ink direct coating method, capable of inhibiting formation of wrinkles which causes problems, such as deterioration in its output capacity, and to provide a solid polymer electrolyte fuel cell that uses it. <P>SOLUTION: (1) In the film-electrode assembly manufacturing method, after applying a low water absorption treatment to a hydrocarbon polymer electrolyte for manufacturing a polymer electrolyte film, a low water absorption film is manufactured by forming a film from the treated object. Then, the catalyst ink, containing at least a catalyst material and solvent, is coated directly, at least on a surface of the obtained low water absorption film and the solvent is volatilized to form a catalyst layer. (2) In the film-electrode assembly manufacturing method, a low water absorption film is manufactured, by applying the low water absorption treatment to a hydrocarbon polymer electrolyte film, obtained by forming a film from the hydrocarbon polymer electrolyte for manufacturing the polymer electrolyte film. Then, the catalyst ink including at least the catalyst material and the solvent is coated directly, at least on a surface of the obtained low water absorption film, and the solvent is volatilized to form a catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜−電極接合体の製造方法、並びに、これにより製造される膜−電極接合体および固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane-electrode assembly, and a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell produced thereby.

固体高分子型燃料電池は、近年、住宅用や自動車用等の用途における発電機としての実用化が期待されている。固体高分子型燃料電池に用いられるイオン伝導膜(高分子電解質膜)に係わる高分子電解質は、従来主として用いられてきたナフィオン(デュポン社の登録商標)に代表されるフッ素系高分子電解質に代わり、廉価で、かつ機械強度や耐熱性に優れる炭化水素系高分子電解質が注目されている。   In recent years, solid polymer fuel cells are expected to be put to practical use as power generators in applications such as residential use and automobile use. The polymer electrolyte related to the ion conductive membrane (polymer electrolyte membrane) used in the polymer electrolyte fuel cell is replaced with a fluorine-based polymer electrolyte represented by Nafion (registered trademark of DuPont), which has been mainly used conventionally. Attention has been focused on hydrocarbon polymer electrolytes that are inexpensive and have excellent mechanical strength and heat resistance.

ところで、固体高分子型燃料電池は、水素と空気の酸化還元反応を促進する白金などの触媒を含む触媒層と呼ばれる電極を、上記高分子電解質膜の両面に形成し、さらに触媒層の外側にガスを効率的に触媒層に供給するためのガス拡散層を有する形態として用いられる。ここで、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成したものは、通常、膜−電極接合体(以下、「MEA」ということもある。)と呼ばれている。   By the way, the polymer electrolyte fuel cell has electrodes called catalyst layers containing a catalyst such as platinum that promotes the oxidation-reduction reaction between hydrogen and air on both sides of the polymer electrolyte membrane, and further on the outside of the catalyst layer. It is used as a form having a gas diffusion layer for efficiently supplying gas to the catalyst layer. Here, what formed the catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane is usually called a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”).

かかるMEAの製造方法としては、高分子電解質膜上に直接触媒層を形成する方法、カーボンペーパー等のガス拡散層となる基材上に触媒層を形成した後に、これを高分子電解質膜と接合する方法や、平板支持基材上に触媒層を形成して、これを高分子電解質膜に転写した後、該支持基材を剥離する方法等がある。これらの方法では触媒層を形成するために、触媒を分散または溶解させた分散液または溶液(以下、「触媒インク」という。)を使用する。触媒インクには、通常、白金族金属を活性炭等に担持した触媒物質(触媒粉末)、高分子電解質、および必要に応じて撥水剤、造孔剤、増粘剤が含まれ、これらが溶媒に分散または溶解しているものである。   As a method for producing such MEA, a method of directly forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer is formed on a base material that becomes a gas diffusion layer such as carbon paper, and this is joined to the polymer electrolyte membrane. And a method of forming a catalyst layer on a flat support substrate, transferring it to a polymer electrolyte membrane, and then peeling the support substrate. In these methods, a dispersion or solution in which a catalyst is dispersed or dissolved (hereinafter referred to as “catalyst ink”) is used to form a catalyst layer. The catalyst ink usually contains a catalyst substance (catalyst powder) in which a platinum group metal is supported on activated carbon or the like, a polymer electrolyte, and, if necessary, a water repellent, a pore former, and a thickener, and these are solvents. It is dispersed or dissolved in.

上記MEAの製造方法の中でも、高分子電解質膜上に直接触媒層を形成する方法として、高分子電解質膜に直接触媒インクを塗布する方法(触媒インク直接塗布法)が注目されている。この方法にて触媒層を形成した場合、膜と触媒層の接着性が強固なものとなり、優れた発電特性を備えた固体高分子形燃料電池を得ることができる。ここで、触媒インクを塗布する方法としては、通常、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット等の既存の方法が挙げられる。
しかしながら、通常、高分子電解質膜に直接触媒インクを塗布する方法により触媒層を形成すると、該触媒層の周辺部に接する高分子電解質膜に、目視でも判定できるほどの大きな皺が発生しやすく、このようなMEAを用いた燃料電池では、安定的な出力性能が得られないという問題があった。
Among the MEA manufacturing methods, a method of directly applying a catalyst ink to a polymer electrolyte membrane (catalyst ink direct application method) has attracted attention as a method of directly forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane. When the catalyst layer is formed by this method, the adhesion between the membrane and the catalyst layer becomes strong, and a polymer electrolyte fuel cell having excellent power generation characteristics can be obtained. Here, as a method of applying the catalyst ink, there are usually existing methods such as a die coater, screen printing, spray method, and ink jet.
However, usually, when the catalyst layer is formed by the method of directly applying the catalyst ink to the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane in contact with the peripheral portion of the catalyst layer is likely to generate large wrinkles that can be visually judged, A fuel cell using such an MEA has a problem that stable output performance cannot be obtained.

MEAの製造方法において上記のような皺の発生を抑制する方法としては、例えば、高分子電解質膜をPETフィルムなどの基材に固定した後、触媒インクをスクリーン印刷で塗布することで触媒層を形成せしめ、次いで該基材を剥離する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この方法は、片面に触媒インクを塗布、乾燥したのち、高分子電解質膜を基材から剥離し、表裏を反対にして再度基材に固定し、もう一方の面に触媒インクを塗布するという工程によって、触媒層を製造することによって、MEAを得ることができる。   As a method for suppressing the generation of wrinkles as described above in the MEA production method, for example, after fixing a polymer electrolyte membrane to a substrate such as a PET film, the catalyst layer is applied by applying a catalyst ink by screen printing. A method for forming the substrate and then peeling the substrate has been proposed (for example, see Patent Document 1). In this method, the catalyst ink is applied to one side and dried, and then the polymer electrolyte membrane is peeled off from the substrate, fixed to the substrate again with the front and back sides reversed, and the catalyst ink is applied to the other side. By manufacturing a catalyst layer, MEA can be obtained.

また、インクジェット法により、高分子電解質膜に触媒インクを塗布する際、液滴を滴下するときに所定の距離を保って飛々に滴下し、次に滴下済みの液滴の間に液滴を滴下する要領で、液滴の滴下を複数回繰り返すことで、触媒インク直接塗布による皺の発生を抑制する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2001−160405公報(特許請求の範囲) 特開2005−267916公報(特許請求の範囲)
In addition, when applying the catalyst ink to the polymer electrolyte membrane by the ink-jet method, when dropping the droplet, the droplet is dropped at a predetermined distance, and then the droplet is dropped between the dropped droplets. There is disclosed a method for suppressing generation of wrinkles due to direct application of catalyst ink by repeating the dropping of droplets a plurality of times in the manner of dripping (see, for example, Patent Document 2).
JP 2001-160405 A (Claims) JP-A-2005-267916 (Claims)

しかしながら、上記特許文献1の方法では、非常に煩雑な工程を必要とするといった欠点があり、基材から高分子電解質膜を剥離したり貼合したりする過程で、該高分子電解質膜が機械的なダメージを受けることが予想される。また、特許文献2の方法では、インクジェット法に限って適用できるものであり、さらには大面積にわたって触媒インクを塗布する際に、多大な時間を要することから、生産性が他の塗布技術に比べて劣るという欠点があった。
本発明は、触媒インク直接塗布法を用いた、簡便な膜−電極接合体の製造方法であって、出力性能を低下させる等の問題を起こす、皺の発生を抑制することができる製造方法を提供することを目的とする。また、当該製造方法にて得られる膜−電極接合体、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池を提供する。
However, the method of Patent Document 1 has a drawback that a very complicated process is required, and the polymer electrolyte membrane is mechanically removed in the process of peeling or bonding the polymer electrolyte membrane from the substrate. Expected to take damage. Further, the method of Patent Document 2 can be applied only to the ink jet method, and further, it takes much time to apply the catalyst ink over a large area, so that productivity is higher than that of other application techniques. There was a disadvantage of being inferior.
The present invention relates to a simple method for producing a membrane-electrode assembly using a catalyst ink direct coating method, which causes problems such as a reduction in output performance, and is capable of suppressing the generation of wrinkles. The purpose is to provide. In addition, a membrane-electrode assembly obtained by the production method and a polymer electrolyte fuel cell using the same are provided.

上記課題を達成するため、本発明者らは、鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、第1の実施様態として下記[1]に示す製造方法を提供するものである。
[1]高分子電解質膜製造用の炭化水素系高分子電解質に、下記に示す低吸水化処理を行った処理物を得た後、当該処理物を製膜して低吸水膜を製造し、次いで得られた低吸水膜の少なくとも片面に、触媒物質と溶媒とを含む触媒インクを直接塗布し、該溶媒を揮発させて触媒層を形成することを特徴とする膜−電極接合体の製造方法
[低吸水化処理]
塩置換率が1%以下の高分子電解質膜としたとき下式で求められる吸水率を、10%以上減少させる処理
吸水率(重量%)=100×(W1−W2)/W2 ・・・数式1
(上式中、W1は当該膜を飽和吸水させたときの重量(飽和吸水重量)を表し、W2は当該膜の乾燥重量を表す。)
In order to achieve the above object, the present inventors have intensively studied, and as a result, completed the present invention. That is, this invention provides the manufacturing method shown to following [1] as 1st Embodiment.
[1] A hydrocarbon polymer electrolyte for production of a polymer electrolyte membrane is obtained by subjecting the hydrocarbon polymer electrolyte to a treatment for reducing water absorption as shown below to produce a low water absorption membrane by forming the treatment product. Subsequently, a catalyst ink containing a catalyst substance and a solvent is directly applied to at least one surface of the obtained low water absorption membrane, and the catalyst layer is formed by volatilizing the solvent to form a membrane-electrode assembly. [Low water absorption treatment]
Treatment for reducing the water absorption obtained by the following formula when the salt substitution rate is 1% or less by 10% or more Water absorption (wt%) = 100 × (W1-W2) / W2 Formula 1
(W1 represents the weight (saturated water absorption weight) when the membrane is saturatedly absorbed, and W2 represents the dry weight of the membrane.)

上記塩置換率の定義について説明すると、高分子電解質のイオン交換基が酸性基である場合は、該酸性基の中で、水素イオン(H+)以外のカチオン(例えば、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、遷移金属イオン、4級アンモニウムイオン等)を対イオンとして有する基の、上記酸性基の総数に対する割合を意味するものである。一方、高分子電解質のイオン交換基が塩基性基である場合は、該塩基性基の中で水酸化物イオン(OH-)以外のアニオン(例えば、ハロゲンイオン、硫酸イオン、硝酸イオン、酢酸イオン等)を対イオンとして有する基の、上記塩基性基の総数に対する割合を意味するものである。通常、高分子電解質膜において塩置換率を低下させると、吸水率は上昇する傾向があり、塩置換率1%以下において、吸水率は飽和する。さらに、前記低吸水化処理において定義する、塩置換率1%以下の高分子電解質膜とは、当該膜の前駆体である高分子電解質において、塩置換率1%以下の高分子電解質を準備しておき、かかる高分子電解質を製膜してなる高分子電解質膜である。
また、「炭化水素系高分子電解質」とは、イオン交換基として酸性基または塩基性基を有する高分子電解質であって、塩置換率1%以下としたとき、炭素原子、水素原子、酸素原子、窒素原子、硫黄原子およびケイ素原子からなる原子の合計組成を85重量%以上有する高分子電解質を意味するものである。
Referring to the definition of the salt substitution ratio, when the ion exchange groups of the polymer electrolyte is an acidic group, among the acidic group, hydrogen ions (H +) of cations other than (e.g., an alkali metal ion, an alkaline earth It means the ratio of a group having a metal ion, a transition metal ion, a quaternary ammonium ion, etc.) as a counter ion to the total number of the acidic groups. On the other hand, when the ion exchange group of the polymer electrolyte is a basic group, an anion other than hydroxide ion (OH ) in the basic group (eg, halogen ion, sulfate ion, nitrate ion, acetate ion) Or the like) as a counter ion to the ratio of the total number of the basic groups. Usually, when the salt substitution rate is lowered in the polymer electrolyte membrane, the water absorption rate tends to increase. When the salt substitution rate is 1% or less, the water absorption rate is saturated. Further, the polymer electrolyte membrane having a salt substitution rate of 1% or less as defined in the low water absorption treatment is a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 1% or less in the polymer electrolyte that is a precursor of the membrane. A polymer electrolyte membrane formed by forming such a polymer electrolyte.
The “hydrocarbon polymer electrolyte” is a polymer electrolyte having an acidic group or a basic group as an ion exchange group, and when the salt substitution rate is 1% or less, a carbon atom, a hydrogen atom, an oxygen atom It means a polymer electrolyte having a total composition of atoms consisting of nitrogen atoms, sulfur atoms and silicon atoms of 85% by weight or more.

さらに、本発明は第2の実施様態として下記[2]に示す製造方法を提供する。
[2]高分子電解質膜製造用の炭化水素系高分子電解質を製膜して得られた高分子電解質膜に、下記に示す低吸水処理を行って低吸水膜を製造し、次いで得られた低吸水膜の少なくとも片面に、触媒物質と溶媒とを含む触媒インクを直接塗布し、該溶媒を揮発させて触媒層を形成することを特徴とする膜−電極接合体の製造方法
[低吸水化処理]
塩置換率が1%以下の高分子電解質膜としたとき下式で求められる吸水率を、10%以上減少させる処理
吸水率(重量%)=100×(W1−W2)/W2 ・・・数式1
(上式中、W1は当該膜を飽和吸水させたときの重量(飽和吸水重量)を表し、W2は当該膜の乾燥重量を表す。)
ここで、「塩置換率」と「炭化水素系高分子電解質」の定義は上記と同義である。
Furthermore, this invention provides the manufacturing method shown to following [2] as 2nd Embodiment.
[2] A polymer electrolyte membrane obtained by forming a hydrocarbon polymer electrolyte for producing a polymer electrolyte membrane was subjected to the following low water absorption treatment to produce a low water absorption membrane, and then obtained. A method for producing a membrane-electrode assembly, wherein a catalyst layer containing a catalyst substance and a solvent is directly applied to at least one surface of the low water absorption membrane, and the solvent is volatilized to form a catalyst layer. processing]
Treatment for reducing the water absorption obtained by the following formula when the salt substitution rate is 1% or less by 10% or more Water absorption (wt%) = 100 × (W1-W2) / W2 Formula 1
(W1 represents the weight (saturated water absorption weight) when the membrane is saturatedly absorbed, and W2 represents the dry weight of the membrane.)
Here, the definitions of “salt substitution rate” and “hydrocarbon polymer electrolyte” are as defined above.

さらに、本発明に係る上記低吸水化処理として、下記[3]を提供する。
[3]上記低級水化処理が、塩置換率が1%以下の高分子電解質膜としたとき数式1で求められる吸水率を、30%以上減少させる処理である、上記[1]または[2]に記載の膜−電極接合体の製造方法
Furthermore, the following [3] is provided as the low water absorption treatment according to the present invention.
[3] The above-mentioned [1] or [2], wherein the lower hydration treatment is a treatment for reducing the water absorption obtained by Formula 1 by 30% or more when a polymer electrolyte membrane having a salt substitution rate of 1% or less is used. ] The manufacturing method of the membrane-electrode assembly as described in

さらに、高分子電解質膜製造用の炭化水素系高分子電解質において、塩置換率1%以下としたときの吸水率が高いほど、得られるMEAに係る高分子電解質膜のイオン伝導性が向上するため好ましく、下記[4]を提供する。
[4]上記炭化水素系高分子電解質が、塩置換率が1%以下の高分子電解質膜としたとき、数式1で求められる吸水率が80重量%以上である、上記[1]〜[3]のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法
Furthermore, in the hydrocarbon-based polymer electrolyte for producing the polymer electrolyte membrane, the higher the water absorption when the salt substitution rate is 1% or less, the more the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane according to the MEA obtained is improved. Preferably, the following [4] is provided.
[4] When the hydrocarbon-based polymer electrolyte is a polymer electrolyte membrane having a salt substitution rate of 1% or less, the water absorption obtained by Formula 1 is 80% by weight or more, [1] to [3] ] The manufacturing method of the membrane-electrode assembly in any one of

ここで、上記低吸水化処理は、後述する吸水率測定方法にて求められる吸水率を10%以上低下することができる方法であれば、特に制限されるものではなく、該低吸水化処理によって得られた低吸水膜は、本発明の目的である触媒層形成時の皺の発生を劇的に低減することができる。しかしながら、該低吸水化処理は高分子電解質膜自体のイオン伝導性を低下させる場合があり、後述のように触媒層形成後に、吸水率を向上することにより、皺の発生を抑制するだけでなく、実用的なイオン伝導性を有するMEAが得られると好ましく、下記[5]を提供する。
[5]さらに、触媒層形成後の低吸水膜の吸水率を向上させる、上記[1]〜[4]のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。
Here, the water-absorbing treatment is not particularly limited as long as it is a method capable of reducing the water-absorbing rate obtained by the water-absorbing rate measuring method described later by 10% or more. The obtained low water absorption membrane can dramatically reduce the generation of soot during the formation of the catalyst layer, which is the object of the present invention. However, the water-absorbing treatment may reduce the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane itself, and not only suppresses the generation of soot by improving the water absorption after the formation of the catalyst layer as described later. When MEA having practical ion conductivity is obtained, the following [5] is provided.
[5] The method for producing a membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [4], further improving the water absorption rate of the low water absorption membrane after the formation of the catalyst layer.

本発明者らは、低吸水化処理において、上述のように高分子電解質の塩置換率と、吸水率の関係に着目し、塩置換率を上げることで、吸水率を低下させる処理が簡便であるばかりか、一旦低吸水化させた後、その吸水率を再び向上させることも容易であることを見出し、本発明の製造方法に好適に用いることができることを見出した。すなわち、下記[6]であると、好適である。
[6]上記低吸水膜が、塩置換率が50%以上の高分子電解質からなる膜である、上記[1]〜[5]のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。
In the low water absorption treatment, the present inventors pay attention to the relationship between the salt substitution rate of the polymer electrolyte and the water absorption rate as described above, and the treatment for reducing the water absorption rate is simple by increasing the salt substitution rate. In addition, it has been found that once the water absorption is reduced, it is easy to improve the water absorption again, and it has been found that it can be suitably used in the production method of the present invention. That is, the following [6] is preferable.
[6] The method for producing a membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [5], wherein the low water absorption membrane is a membrane made of a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 50% or more.

上記触媒インクを直接、低吸水膜に塗布する方法の中でも、スプレー法が工業的に簡便であることから好ましく、下記[7]を提供する。
[7]上記触媒インクを、スプレー法を用いて低吸水膜に直接塗布する、上記[1]〜[6]のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法
Among the methods of directly applying the catalyst ink to the low water absorption film, the spray method is preferable because it is industrially simple and provides the following [7].
[7] The method for producing a membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [6], wherein the catalyst ink is directly applied to the low water absorption film using a spray method.

さらに、上記炭化水素系高分子電解質は、そのイオン交換基が酸性基であると、得られる高分子電解質膜のイオン伝導性(プロトン伝導性)がより向上するため好ましく、下記[8]を提供する
[8]上記炭化水素系高分子電解質のイオン交換基が酸性基である、上記[1]〜[7]のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法
Further, the hydrocarbon polymer electrolyte is preferably an acidic ion group because the ion conductivity (proton conductivity) of the obtained polymer electrolyte membrane is further improved, and the following [8] is provided. [8] The method for producing a membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [7], wherein the ion exchange group of the hydrocarbon-based polymer electrolyte is an acidic group.

上記のMEAは、燃料電池として好適に用いることが可能であり、下記[9]または[10]を提供する。
[9]上記いずれかの製造方法で得られる、膜−電極接合体
[10]一対のセパレータと、該一対のセパレータ間に配置された膜−電極接合体とを備えた固体高分子形燃料電池であって、該膜−電極接合体が上記[9]に記載の膜−電極接合体であることを特徴とする固体高分子型燃料電池
The above MEA can be suitably used as a fuel cell, and provides the following [9] or [10].
[9] Membrane-electrode assembly [10] obtained by any of the above production methods [10] A polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of separators and a membrane-electrode assembly disposed between the pair of separators The membrane-electrode assembly is the membrane-electrode assembly according to [9] above, wherein the polymer electrolyte fuel cell is characterized in that

本発明によれば、上記の触媒インク直接塗布法に係わる触媒層周辺部に接する高分子電解質膜表面に皺を有さないMEAの簡便な製造方法を提供できる。本発明の製造方法により得られるMEAは、このような皺の発生に基づく出力低下が生じにくく、優れた燃料電池を提供できるため、工業的に極めて有用である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the simple manufacturing method of MEA which does not have a wrinkle on the polymer electrolyte membrane surface which contact | connects the catalyst layer periphery part concerning said catalyst ink direct coating method can be provided. The MEA obtained by the production method of the present invention is extremely useful industrially because it is less likely to cause a decrease in output due to the occurrence of such soot and can provide an excellent fuel cell.

以下、必要に応じて図面を参照しながら、本発明の好適な実施様態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as necessary.

本発明の第1の実施様態、第2の実施様態に適用する高分子電解質膜製造用の炭化水素系高分子電解質とは、イオン伝導に係るイオン交換基を有する高分子であり、該イオン交換基としては、酸性基(カチオン交換基)あるいは塩基性基(アニオン交換基)のいずれでもよい。なお、該高分子電解質の好適な例あるいは高分子電解質を膜の形態とするのに好適な溶液キャスト法については後述する。かかる高分子電解質は、そのイオン交換基の水和に従って、吸水性を示す。本発明が提供するMEAの製造方法は、当該吸水性を低減させて得られる低吸水膜を用いることを特徴とするものである。   The hydrocarbon-based polymer electrolyte for producing a polymer electrolyte membrane applied to the first embodiment and the second embodiment of the present invention is a polymer having an ion exchange group related to ion conduction, and the ion exchange The group may be either an acidic group (cation exchange group) or a basic group (anion exchange group). A suitable example of the polymer electrolyte or a solution casting method suitable for making the polymer electrolyte into a membrane will be described later. Such a polymer electrolyte exhibits water absorption according to the hydration of its ion exchange group. The MEA manufacturing method provided by the present invention is characterized by using a low water absorption film obtained by reducing the water absorption.

まず、第1の実施様態に係る低吸水膜について説明する。
かかる実施様態における低吸水化処理とは、本発明に適用する高分子電解質を、その塩置換率が1%以下の高分子電解質からなる高分子電解質膜の形態としたとき、上記数式1で求められる吸水率を指標とし、当該吸水率を10%以上低減させた吸水率とする処理である。
First, the low water absorption film according to the first embodiment will be described.
The low water absorption treatment in this embodiment is obtained by the above formula 1 when the polymer electrolyte applied to the present invention is in the form of a polymer electrolyte membrane composed of a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 1% or less. The water absorption rate is an index, and the water absorption rate is reduced by 10% or more.

該低吸水化処理は、該炭化水素系高分子電解質の吸水率を10%以上低減させる処理であるが、30%以上低減する処理であると好ましく、40%以上低減する処理であると、より好ましく、50%以上低減する処理であると、さらに好ましく、60%以上低減する処理であると特に好ましい。このように、上記低吸水化処理による吸水率低減効果が大であると、目的とする皺の発生を抑制する効果が高くなるため好ましい。   The low water absorption treatment is a treatment for reducing the water absorption rate of the hydrocarbon-based polymer electrolyte by 10% or more, preferably a treatment for reducing by 30% or more, and more preferably a treatment for reducing by 40% or more. The treatment is preferably 50% or more, more preferably 60% or more. Thus, since the effect which suppresses generation | occurrence | production of the target flaw becomes high when the water absorption rate reduction effect by the said low water absorption process is large, it is preferable.

ここで、吸水率を測定する方法について詳細を説明する。
膜を、室温雰囲気下で約200mg切り出す。切り出した膜を、スクリューキャップ付きのポリプロピレン製の250mLビーカーに入れ、そこへ予め100℃に保温されているイオン交換水約150mLを投入してから、該膜をイオン交換水に浸漬する。スクリューキャップで蓋をした後、予め100℃に保温してある恒温槽に入れ、2時間保持する。このようにすることで、わずかに加圧された状態としながら、保管温度100℃で、十分に膜を吸水させる。その後、上記のビーカーから膜を取り出し、室温(約25℃)のイオン交換水に数秒浸漬して冷却した後、膜を取り出し、濾紙で表面に付着した水を拭き取り、メトラートレド社製水分率計HR73型で飽和吸水重量W1を測定する。その後、上記水分計の加熱温度を105℃に設定し、恒量となるまで膜を乾燥せしめて、乾燥重量W2を測定する。このようにして求められるW1、W2を上記数式1に代入することで吸水率を求めることができる。
ここで、「イオン交換水」とは、25℃における抵抗率が10MΩ・cm以上である水であり、これらは市販の純水製造装置を用いれば、容易に入手しえる。さらに浸漬においては、上記の膜の形状を保持できる範囲で、緩やかに攪拌していてもよい。これらの操作において、膜には重量測定に影響する汚染を生じさせないようにする必要があるが、上記の操作において微量な埃等によって生じる汚染程度は、W1、W2測定値の誤差において許容である。
Here, the method for measuring the water absorption rate will be described in detail.
About 200 mg of the membrane is cut out at room temperature. The cut out membrane is put into a 250 mL beaker made of polypropylene with a screw cap, and about 150 mL of ion-exchanged water that has been preliminarily kept at 100 ° C. is added thereto, and then the membrane is immersed in ion-exchanged water. After covering with a screw cap, it is placed in a thermostatic bath that has been kept warm at 100 ° C. for 2 hours. In this way, the film is sufficiently absorbed at a storage temperature of 100 ° C. while being slightly pressurized. Thereafter, the membrane was taken out from the above beaker, immersed in ion exchange water at room temperature (about 25 ° C.) for several seconds and cooled, then the membrane was taken out, and the water adhering to the surface was wiped off with a filter paper. Saturated water absorption weight W1 is measured with HR73 type. Thereafter, the heating temperature of the moisture meter is set to 105 ° C., the film is dried until a constant weight is reached, and the dry weight W2 is measured. The water absorption rate can be obtained by substituting W1 and W2 obtained in this way into the above formula 1.
Here, “ion-exchanged water” is water having a resistivity at 25 ° C. of 10 MΩ · cm or more, and these can be easily obtained by using a commercially available pure water production apparatus. Further, in the immersion, the film may be gently stirred as long as the shape of the film can be maintained. In these operations, it is necessary to prevent the membrane from causing contamination that affects the weight measurement. However, the degree of contamination caused by a small amount of dust or the like in the above operation is allowable in the error of the measured values of W1 and W2. .

ここで、塩置換率1%以下の高分子電解質膜を得る方法について説明する。酸性基をイオン交換基として有する高分子電解質が、その製造後に塩置換率として1%を越えるものが得られる場合、該高分子電解質に対して、多量の酸によって酸処理することで、容易に塩置換率1%以下の高分子電解質を得ることができる。一方、塩基性基をイオン交換基として有する高分子電解質が、その製造後に塩置換率として1%を越えるものが得られる場合、該高分子電解質に対して、多量のアルカリによってアルカリ処理することで、容易に塩置換率1%以下の高分子電解質を得ることができる。ここで、「多量」の定義は、用いる高分子電解質のイオン交換容量(単位重量当たりのイオン交換基当量)に対して、10当量倍以上であることを意味し、上記酸処理に10当量倍以上の酸を使用するか、上記アルカリ処理に10当量倍以上のアルカリを使用することを意味する。
上記の、酸処理を施した酸性基を有する高分子電解質またはアルカリ処理を施した塩基性基を有する高分子電解質は、必要に応じて水洗等を行ってから、製膜することで、塩置換率1%以下の高分子電解質膜を得ることができる。該製膜の方法としては、溶液キャスト法が好ましく、この詳細については後述する。
Here, a method for obtaining a polymer electrolyte membrane having a salt substitution rate of 1% or less will be described. When a polymer electrolyte having an acidic group as an ion exchange group is obtained with a salt substitution rate exceeding 1% after its production, the polymer electrolyte can be easily treated by acid treatment with a large amount of acid. A polymer electrolyte having a salt substitution rate of 1% or less can be obtained. On the other hand, when a polymer electrolyte having a basic group as an ion exchange group is obtained with a salt substitution rate exceeding 1% after its production, the polymer electrolyte can be subjected to an alkali treatment with a large amount of alkali. A polymer electrolyte having a salt substitution rate of 1% or less can be easily obtained. Here, the definition of “large amount” means that it is 10 equivalent times or more with respect to the ion exchange capacity (ion exchange group equivalent per unit weight) of the polymer electrolyte to be used. It means that the above acid is used or 10 equivalent times or more alkali is used for the alkali treatment.
The polymer electrolyte having an acid-treated acidic group or an alkali-treated basic electrolyte is subjected to salt substitution by washing with water if necessary, and then forming a film. A polymer electrolyte membrane having a rate of 1% or less can be obtained. The film forming method is preferably a solution casting method, and details thereof will be described later.

次に第1の実施様態に係る低吸水化処理について説明する。
上記のとおりの、高分子電解質膜の吸水率と比較して、10%以上低減させる処理であり、該低吸水化処理は上記に示した吸水率を低減できる処理であれば、特に限定されるものではないが、下記の(i)で示される低吸水化処理によって低吸水膜を得ると好ましい。
(i) 上記炭化水素系高分子電解質の塩置換率を50%以上に変換し、次いで該塩置換率が変換された高分子電解質から溶液キャスト法等の製膜法にて低吸水膜を製造する
Next, the water absorption reduction process according to the first embodiment will be described.
As described above, it is a treatment for reducing the water absorption rate of the polymer electrolyte membrane by 10% or more, and the low water absorption treatment is particularly limited as long as it can reduce the water absorption rate as described above. Although it is not a thing, it is preferable when a low water absorption film | membrane is obtained by the low water absorption process shown by the following (i).
(i) Converting the salt substitution rate of the hydrocarbon-based polymer electrolyte to 50% or more, and then producing a low water absorption membrane from the polymer electrolyte with the converted salt substitution rate by a film-forming method such as a solution casting method Do

上記(i)に示す方法は、高分子電解質中のイオン交換基に対して、反対電荷を有するイオンを用いて、該イオン交換基を中和させ、塩の形態の基とする方法である。このように塩の形態の基に変換したイオン交換基数の、イオン交換基総数に対する存在割合が塩置換率として定義されることは上記のとおりである。ここで、上記反対電荷を有するイオンを提供しうる化合物を「塩置換剤」と呼ぶ。
具体的に、イオン交換基が塩の形態の基となることを説明する。
上記高分子電解質が、スルホン酸基(−SO3H)、カルボキシル基(−COOH)またはホスホン酸基(−PO32)等の酸性基を、イオン交換基として有する場合は、該酸性基にイオン結合する水素イオンを、水素イオン以外のカチオンと、イオン交換することで達成される。水素イオン以外のカチオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオンなどのアルカリ土類金属イオン、鉄イオン、ニッケルイオン、銅イオンなどの遷移金属イオン、アンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、ベンジルトリメチルアンモニウムイオン等の4級アンモニウムイオンが挙げられる。中でも、2価以上のカチオンまたは4級アンモニウムイオンであると、皺の発生を抑制する効果が、より高いので好ましい。
該イオン交換による具体的な方法としては、予め酸性基をイオン交換基として有する高分子電解質を、水および/または有機溶媒に溶解または分散させ、上記に例示したカチオンを有する塩置換剤を加えて、酸性基をイオン交換反応させることで、塩の形態の基に変換することができる。該イオン交換反応に係る処理時間は、通常10分〜24時間であり、好ましくは0.5〜10時間、より好ましくは1〜5時間である。また、処理温度は0〜100℃から選ばれ、10〜50℃が好ましいが、通常室温程度で充分である。ここで、上記カチオンを有する塩置換剤としては、塩基性化合物(例えば、前記に例示したカチオンの水酸化物)または塩(例えば、前記に例示したカチオンの塩化塩、臭化塩等)が挙げられる。
The method shown in (i) is a method in which ions having opposite charges are neutralized with respect to the ion exchange groups in the polymer electrolyte to form a salt form group. As described above, the existence ratio of the number of ion-exchange groups converted into a salt form group to the total number of ion-exchange groups is defined as the salt substitution rate. Here, a compound capable of providing an ion having the opposite charge is referred to as a “salt substitute”.
Specifically, it will be explained that the ion exchange group becomes a group in the form of a salt.
When the polymer electrolyte has an acidic group such as a sulfonic acid group (—SO 3 H), a carboxyl group (—COOH), or a phosphonic acid group (—PO 3 H 2 ) as an ion exchange group, the acidic group This is achieved by ion-exchange of hydrogen ions that ionically bond with cation other than hydrogen ions. Examples of cations other than hydrogen ions include alkali metal ions such as lithium ion, sodium ion and potassium ion, alkaline earth metal ions such as magnesium ion and calcium ion, transition metal ions such as iron ion, nickel ion and copper ion, ammonium Examples thereof include quaternary ammonium ions such as ions, tetramethylammonium ions, tetraethylammonium ions, tetrabutylammonium ions and benzyltrimethylammonium ions. Among these, a cation having a valence of 2 or more or a quaternary ammonium ion is preferable because the effect of suppressing generation of soot is higher.
As a specific method by ion exchange, a polymer electrolyte having an acidic group as an ion exchange group is dissolved or dispersed in water and / or an organic solvent in advance, and a salt substitution agent having a cation exemplified above is added. The acid group can be converted into a salt form group by an ion exchange reaction. The treatment time for the ion exchange reaction is usually 10 minutes to 24 hours, preferably 0.5 to 10 hours, more preferably 1 to 5 hours. The treatment temperature is selected from 0 to 100 ° C., preferably 10 to 50 ° C., but usually about room temperature is sufficient. Here, examples of the salt displacing agent having the cation include a basic compound (for example, a hydroxide of the cation exemplified above) or a salt (for example, the chloride, bromide, etc. of the cation exemplified above). It is done.

上記カチオンを有する塩置換剤の具体例を挙げる。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム等が挙げられる。塩としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化カルシウム、臭化マグネシウム、酢酸ナトリウム、酢酸カルシウム、酢酸マグネシウム、塩化テトラメチルアンモニウム、塩化ベンジルトリメチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、臭化ベンジルトリメチルアンモニウム等が挙げられ、これらの中でも、好ましいカチオンである2価以上のカチオンあるいは4級アンモニウムイオンを供給する塩置換剤が好ましく、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、塩化ベンジルトリメチルアンモニウムが好ましい。   Specific examples of the salt displacing agent having the cation will be given. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, and benzyltrimethylammonium hydroxide. As salts, sodium chloride, potassium chloride, calcium chloride, magnesium chloride, sodium bromide, potassium bromide, calcium bromide, magnesium bromide, sodium acetate, calcium acetate, magnesium acetate, tetramethylammonium chloride, benzyltrimethylammonium chloride , Tetraethylammonium bromide, benzyltrimethylammonium bromide, and the like. Among these, a salt displacing agent that supplies a divalent or higher cation or a quaternary ammonium ion, which is a preferred cation, is preferable. Calcium hydroxide, magnesium hydroxide , Calcium chloride, magnesium chloride, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium hydroxide, tetraethylammonium chloride, benzyl chloride Trimethyl ammonium are preferred.

一方、高分子電解質が、トリメチルアンモニオ基(−N+(CH33)、トリエチルアンモニオ基(−N+(C253)等の塩基性基を有する場合は、該塩基性基にイオン結合する水酸化物イオンを、塩素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、酢酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン等の、水酸化物イオン以外のアニオンにイオン交換することで、該塩基性基を塩の形態の基に変換する。
この方法としては、上記酸性基を有する高分子電解質の場合と同様に、塩基性基を有する高分子電解質を、水および/または有機溶媒に溶解または分散し、水酸化物イオン以外のアニオンを有する塩置換剤を加えて、塩基性基をイオン交換反応させることで、塩の形態の基に変換することができる。該イオン交換反応に係る処理時間、処理温度は、上記酸性基を有する高分子電解質膜と同等の条件が例示される。塩基性基に対する塩置換剤としては、酸性化合物(例えば、前記に例示したアニオンのプロトン酸)または塩(例えば、前記に例示したアニオンのナトリウム塩、カリウム塩等)が挙げられる。
該塩置換剤は、通常強酸性化合物である塩酸、硫酸、硝酸等が好ましく、特に塩酸が好ましい。これらの酸性化合物として用いると、高分子電解質中の塩基性基の種類によらず、イオン交換反応させることが可能となる。
On the other hand, when the polymer electrolyte has a basic group such as a trimethylammonio group (—N + (CH 3 ) 3 ) or a triethylammonio group (—N + (C 2 H 5 ) 3 ), the base The basic group is ion-exchanged with an anion other than hydroxide ions, such as chloride ion, bromine ion, iodine ion, acetate ion, nitrate ion, sulfate ion, etc. To a salt form group.
In this method, as in the case of the polymer electrolyte having an acidic group, a polymer electrolyte having a basic group is dissolved or dispersed in water and / or an organic solvent and has an anion other than hydroxide ions. By adding a salt substitution agent, the basic group can be converted into a salt form group by an ion exchange reaction. Examples of the treatment time and treatment temperature related to the ion exchange reaction are the same conditions as those of the polymer electrolyte membrane having an acidic group. Examples of the salt displacing agent for the basic group include acidic compounds (for example, protonic acids of the anions exemplified above) or salts (for example, sodium salts and potassium salts of the anions exemplified above).
As the salt-substituting agent, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and the like, which are usually strongly acidic compounds, are preferable, and hydrochloric acid is particularly preferable. When used as these acidic compounds, an ion exchange reaction can be performed regardless of the type of the basic group in the polymer electrolyte.

ここで、高分子電解質の塩置換率は50%以上とすることが好ましいが、より好ましくは70%以上であり、さらに好ましくは80%以上であり、一層好ましくは90%以上であり、とりわけ好ましくは95%以上であり、99%以上にすると特に好ましい。塩置換率が高いほうが、より低吸水化効果が高くなる傾向があり好ましい。塩置換率をコントロールする方法について説明する。まず、用いる高分子電解質のイオン交換容量を予め公知の方法で求めておく。該イオン交換容量(高分子電解質単位重量当たりのイオン交換基のモル数)に対して、塩置換剤を所望の当量比で加えることにより、容易にコントロールすることが可能である。また、塩置換率が95%以上にする場合は、該イオン交換基に対して塩置換剤を、高分子電解質のイオン交換容量から計算される当量値よりも過剰に加えて行ってもよい。特に、上記イオン交換容量の塩置換率99%以上にする場合においては、イオン交換容量から求められるイオン交換基数に対して、塩置換剤を10当量倍以上、用いればよい。   Here, the salt substitution rate of the polymer electrolyte is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, still more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more, and particularly preferably. Is 95% or more, particularly preferably 99% or more. A higher salt substitution rate is preferred because the water-absorbing effect tends to be higher. A method for controlling the salt substitution rate will be described. First, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte to be used is obtained in advance by a known method. It can be easily controlled by adding a salt substitution agent in a desired equivalent ratio with respect to the ion exchange capacity (number of moles of ion exchange groups per unit weight of the polymer electrolyte). When the salt substitution rate is 95% or more, a salt substitution agent may be added to the ion exchange group in excess of the equivalent value calculated from the ion exchange capacity of the polymer electrolyte. In particular, when the salt substitution rate of the ion exchange capacity is 99% or more, the salt substitution agent may be used in an amount of 10 equivalents or more with respect to the number of ion exchange groups determined from the ion exchange capacity.

このようにして得られる、塩置換率50%以上の高分子電解質を製膜して、低吸水膜とするには、その高分子電解質が溶剤に可溶である場合は溶液キャスト法、溶剤に不溶である場合は押し出し成形法、インフレーション成形法等、公知の製膜法を適用することができる。   In order to form a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 50% or more and obtain a low water-absorbing film obtained in this manner, when the polymer electrolyte is soluble in a solvent, a solution casting method, When insoluble, known film forming methods such as an extrusion molding method and an inflation molding method can be applied.

得られた低吸水膜の塩置換率は、滴定法により求めることも可能である。酸性基を有する高分子電解質から得られた、塩置換率50%以上の低吸水膜の場合、所定の濃度及び容積の水酸化ナトリウム水溶液に、該低吸水膜を浸漬することで、膜中のプロトンイオンとイオン結合している酸性基を、ナトリウムイオンにイオン交換させた後、得られた水酸化ナトリウム溶液を、所定濃度の塩酸で滴定して、残存する水酸化ナトリウム量を求めることで算出できる。
一方、塩基性基を有する高分子電解質から得られた、塩置換率50%以上の低吸水膜の場合は、所定の濃度及び容積を有する塩酸水溶液に、該低吸水膜を浸漬することで、高分子電解質中の、水酸イオンをイオン結合している塩基性基を塩素イオンにイオン交換させた後、この塩酸溶液を、所定濃度の水酸化ナトリウム水溶液で滴定して、残存する塩酸量を求めることで算出できる。
The salt substitution rate of the obtained low water absorption membrane can be determined by a titration method. In the case of a low water absorption membrane obtained from a polymer electrolyte having an acidic group and having a salt substitution rate of 50% or more, by immersing the low water absorption membrane in an aqueous sodium hydroxide solution having a predetermined concentration and volume, After ion exchange of acidic groups that are ion-bonded with proton ions, sodium hydroxide solution is titrated with hydrochloric acid at a predetermined concentration to calculate the amount of residual sodium hydroxide. it can.
On the other hand, in the case of a low water absorption membrane obtained from a polymer electrolyte having a basic group and having a salt substitution rate of 50% or more, by immersing the low water absorption membrane in an aqueous hydrochloric acid solution having a predetermined concentration and volume, After ion exchange of basic groups in the polymer electrolyte, which are ion-bonded with hydroxide ions, to chloride ions, this hydrochloric acid solution is titrated with a sodium hydroxide aqueous solution of a predetermined concentration to determine the amount of residual hydrochloric acid. It can be calculated by obtaining.

このようにして、塩置換率が50%以上である高分子電解質からならなる低吸水膜を得、次いで得られた低吸水膜に、触媒インク直接塗布法にて触媒層を形成し、MEAとする。その後、該低吸水膜中の、塩の形態であるイオン交換基を、遊離の酸性基(水素イオンとイオン結合している酸性基)または遊離の塩基性基(水酸化物イオンとイオン結合している塩基性基)に容易に戻すことができる。この方法としては、酸性基を有する低吸水膜の場合は酸処理、塩基性基を有する低吸水膜の場合はアルカリ処理を施すことによって実施することができる。   In this way, a low water absorption film comprising a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 50% or more is obtained, and then a catalyst layer is formed on the obtained low water absorption film by a catalyst ink direct coating method, To do. Thereafter, the ion-exchange group in the form of a salt in the low water-absorbing membrane is bound to a free acidic group (an acidic group ionically bonded to hydrogen ions) or a free basic group (an ion bond to hydroxide ions). The basic group can be easily restored. This method can be carried out by applying an acid treatment in the case of a low water absorption membrane having an acidic group and an alkali treatment in the case of a low water absorption membrane having a basic group.

次に、第2の実施様態に係る低吸水膜について説明する。
かかる実施様態における低吸水化処理とは、本発明に適用する炭化水素系高分子電解質を予め製膜して高分子電解質膜を得、該高分子電解質膜の吸水率を、当該炭化水素系高分子電解質を塩置換率1%以下の高分子電解質膜の形態としたとき、上記数式1で求められる吸水率を10%以上低減させた吸水率とする処理である。
Next, the low water absorption film according to the second embodiment will be described.
The low water absorption treatment in such an embodiment means that a hydrocarbon-based polymer electrolyte to be applied to the present invention is formed in advance to obtain a polymer electrolyte membrane, and the water absorption rate of the polymer-electrolyte membrane is determined according to the hydrocarbon-based high electrolyte. When the molecular electrolyte is in the form of a polymer electrolyte membrane having a salt substitution rate of 1% or less, the water absorption obtained by the above formula 1 is reduced to 10% or more.

この低吸水化処理についても、得られる低吸水膜の吸水率が、上記の吸水率に対して10%以上低減させるものであるが、30%以上低減する処理であると好ましく、40%以上低減する処理であると、より好ましく、50%以上低減する処理であると、さらに好ましく、60%以上低減する処理であると特に好ましい。このように、上記低吸水化処理による吸水率低減効果が大であると、目的とする皺の発生を抑制する効果が高くなるため好ましい。   Also for this low water absorption treatment, the water absorption rate of the resulting low water absorption membrane is to reduce the water absorption rate by 10% or more, preferably 30% or more, and preferably 40% or more reduction. More preferably, it is a treatment that reduces by 50% or more, and even more preferred is a treatment that reduces by 60% or more. Thus, since the effect which suppresses generation | occurrence | production of the target flaw becomes high when the water absorption rate reduction effect by the said low water absorption process is large, it is preferable.

第2の実施様態に適用する低吸水化処理としては、下記の(ii)あるいは(iii)であると好ましい。
(ii)予め塩置換質が50%未満の高分子電解質を溶液キャスト法等にて製膜して、高分子電解質膜を得、該高分子電解質膜の塩置換率を、50%以上になるようにして、低吸水膜を製造する
(iii)高分子電解質を溶液キャスト法等にて製膜した高分子電解質膜を、加熱処理、電離放射線照射処理または化学処理から選ばれる処理により、高分子電解質分子が架橋してなる低吸水膜を製造する
The low water absorption treatment applied to the second embodiment is preferably the following (ii) or (iii).
(ii) A polymer electrolyte having a salt substitution material of less than 50% is formed in advance by a solution casting method or the like to obtain a polymer electrolyte membrane, and the salt substitution rate of the polymer electrolyte membrane is 50% or more. To produce a low water absorption membrane
(iii) A low water-absorbing film obtained by crosslinking a polymer electrolyte molecule by a treatment selected from a heat treatment, an ionizing radiation irradiation treatment, or a chemical treatment on a polymer electrolyte membrane obtained by forming a polymer electrolyte by a solution casting method or the like Manufacture

まず、上記(ii)に示す処理について説明する。
この方法は、まず塩置換率が50%未満の高分子電解質膜を予め、製膜して高分子電解質膜を得、次いで、該高分子電解質膜の塩置換率を50%以上にする方法であり、最終的に得られる低吸水膜は上記(i)と同様の低吸水膜が得られる。製膜する前の塩置換率は上記の範囲のものを適用できるが、塩置換率が1%以下の高分子電解質を用いると、溶液キャスト法にて、容易に製膜できるため好ましい。
First, the process shown in (ii) above will be described.
In this method, first, a polymer electrolyte membrane having a salt substitution rate of less than 50% is formed in advance to obtain a polymer electrolyte membrane, and then the salt substitution rate of the polymer electrolyte membrane is set to 50% or more. Yes, the low water absorption film finally obtained is the same low water absorption film as the above (i). The salt substitution rate before film formation can be within the above range, but it is preferable to use a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 1% or less because it can be easily formed by a solution casting method.

具体的に例示すると、塩置換率が50%未満の酸性基を有する高分子電解質の場合は、該高分子電解質を溶液キャスト法にて製膜し、高分子電解質膜とした後、この高分子電解質膜を水および/または有機溶媒に浸漬する。そこへ、水素イオン以外のカチオンを有する塩置換剤を投入し、10分〜24時間、好ましくは0.5〜10時間、より好ましくは1〜5時間浸漬することで、上記高分子電解質膜中の酸性基にイオン結合している水素イオンを、塩置換剤のカチオンでイオン交換させる。該イオン交換における温度は、0〜100℃から選ばれ、好ましくは10〜50℃であるが、通常、室温程度で十分である。
かかる方法において、予め塩置換剤を水および/または有機溶媒に溶解させ塩置換剤溶液を調整しておき、そこへ高分子電解質膜を浸漬してもよい。また、上記塩置換剤溶液を高分子電解質膜へスプレー噴霧する方法でもよい。
Specifically, in the case of a polymer electrolyte having an acidic group with a salt substitution rate of less than 50%, the polymer electrolyte is formed into a polymer electrolyte membrane by a solution casting method, and then this polymer electrolyte is formed. The electrolyte membrane is immersed in water and / or an organic solvent. Into the polymer electrolyte membrane, a salt-substituting agent having a cation other than hydrogen ions is added and immersed for 10 minutes to 24 hours, preferably 0.5 to 10 hours, more preferably 1 to 5 hours. The hydrogen ion ion-bonded to the acidic group is ion-exchanged with the cation of the salt substitution agent. The temperature in the ion exchange is selected from 0 to 100 ° C., preferably 10 to 50 ° C., but about room temperature is usually sufficient.
In such a method, the salt substitute agent may be dissolved in water and / or an organic solvent in advance to prepare a salt substitute solution, and the polymer electrolyte membrane may be immersed therein. Moreover, the method of spraying the said salt-substitution agent solution on a polymer electrolyte membrane may be used.

一方、塩置換率が50%未満の塩基性基を有する高分子電解質の場合は、溶液キャスト法にて製膜し、高分子電解質膜とした後、水酸化物イオン以外のアニオンを有する塩置換剤を用いること以外は、上記の酸性基を有する高分子電解質と同等である。   On the other hand, in the case of a polymer electrolyte having a basic group with a salt substitution rate of less than 50%, after forming a polymer electrolyte membrane by a solution casting method, salt substitution having an anion other than hydroxide ions Except for using an agent, it is the same as the above-described polymer electrolyte having an acidic group.

ここで、上記の水素イオン以外のカチオンを有する塩置換剤、水酸化物イオン以外のアニオンを有する塩置換剤は、上記(i)で例示したものと同等のものを挙げることができる。   Here, examples of the salt substitution agent having a cation other than the hydrogen ion and the salt substitution agent having an anion other than the hydroxide ion may be the same as those exemplified in the above (i).

ここで、高分子電解質膜の塩置換率を変換する場合、塩置換率を70%以上にすると、より好ましく、80%以上にすると、さらに好ましく、90%以上にすると、一層好ましく、95%以上にすると、とりわけ好ましく、99%以上にすると特に好ましい。
このように塩置換率をコントロールする方法は、上記(i)において、「高分子電解質」を「高分子電解質膜」に置換えれば、容易に実施することができる。また、低吸水化処理を施す前の高分子電解質膜の塩置換率(「初期塩置換率」とする)が、1%を越えて、50%未満である場合は、処理後の低吸水膜の塩置換率が50%以上になるようにして、用いる塩置換剤の当量比をコントロールすることができる。また、初期塩置換率を求める方法は、上記(i)にて説明した滴定法を用いればよい。
Here, when converting the salt substitution rate of the polymer electrolyte membrane, the salt substitution rate is more preferably 70% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more, and even more preferably 95% or more. If it is, it is especially preferable, and it is especially preferable when it is 99% or more.
Thus, the method of controlling the salt substitution rate can be easily carried out by replacing “polymer electrolyte” with “polymer electrolyte membrane” in the above (i). In addition, when the salt substitution rate (referred to as “initial salt substitution rate”) of the polymer electrolyte membrane before the water absorption treatment is more than 1% and less than 50%, the low water absorption membrane after the treatment Thus, the equivalent ratio of the salt-substituting agent to be used can be controlled so that the salt-substitution rate is 50% or more. Moreover, what is necessary is just to use the titration method demonstrated in said (i) as a method of calculating | requiring an initial stage salt substitution rate.

次に、上記(iii)に示す方法について説明する。
上記(iii)における、加熱処理とは、通常、カルボキシル基、スルホン酸等の酸性基を有する高分子電解質から得られる高分子電解質膜に対して有効な処理である。かかる高分子電解質からなる高分子電解質膜に対し、加熱処理を行うと、上記酸性基同士が縮合して、酸無水物の基となることで吸水率を低下させることができる。また、このように酸性基を、酸無水物の基に変換することで得た低吸水膜は、触媒層を製造後のMEAを水に浸漬し、必要に応じて加温(加水分解)することで、酸無水物を、元の酸性基に戻すことが可能となる。
Next, the method shown in (iii) will be described.
The heat treatment in the above (iii) is usually an effective treatment for a polymer electrolyte membrane obtained from a polymer electrolyte having an acidic group such as a carboxyl group or sulfonic acid. When a polymer electrolyte membrane made of such a polymer electrolyte is subjected to a heat treatment, the acid groups are condensed to form an acid anhydride group, thereby reducing the water absorption rate. In addition, the low water absorption membrane obtained by converting the acidic group into the acid anhydride group in this manner is obtained by immersing the MEA after manufacturing the catalyst layer in water and heating (hydrolyzing) it as necessary. Thus, the acid anhydride can be returned to the original acidic group.

該加熱処理の条件(処理温度、処理時間等)は、上記酸性基同士が酸無水物に変換する割合を、IRスペクトル等で確認することで好適な条件を求めることが可能である。通常、処理温度としては100〜400℃、好ましくは150〜300℃である。処理時間は反応温度によって異なるが、通常10秒〜100時間、好ましくは1分〜1時間である。処理雰囲気は、空気中、不活性ガス(窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等)中、真空中等、特に制限されるものではない。
より具体的には、特表2000−501223号公報に記載の方法に準拠して行うことができる。
また、上記高分子電解質膜を構成する高分子電解質に、エチレン性不飽和基(ビニル基、アリル基、スチリル基等)、アセチレン性不飽和基(エチニル基、プロピニル基等)、ニトリル基、エポキシ基、オキセタニル基等に例示される、加熱により架橋反応を生じうる基(以下、「熱架橋基」と総称する。)がある場合は、これらの熱架橋基を加熱処理によって架橋させてもよい。
As for the conditions for the heat treatment (treatment temperature, treatment time, etc.), it is possible to obtain suitable conditions by confirming the ratio at which the acidic groups are converted into acid anhydrides with an IR spectrum or the like. Usually, the processing temperature is 100 to 400 ° C, preferably 150 to 300 ° C. The treatment time varies depending on the reaction temperature, but is usually 10 seconds to 100 hours, preferably 1 minute to 1 hour. The treatment atmosphere is not particularly limited in air, in an inert gas (nitrogen gas, helium gas, argon gas, etc.), in a vacuum, or the like.
More specifically, it can be performed according to the method described in JP-T-2000-501223.
In addition, the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane includes an ethylenically unsaturated group (vinyl group, allyl group, styryl group, etc.), acetylenically unsaturated group (ethynyl group, propynyl group, etc.), nitrile group, epoxy When there is a group capable of causing a crosslinking reaction by heating (hereinafter collectively referred to as “thermal crosslinking group”), exemplified by a group, oxetanyl group, etc., these thermal crosslinking groups may be crosslinked by heat treatment. .

次に、電離放射線処理について説明する。
上記電離放射線照射処理とは、その電離作用により、高分子電解質の分子鎖中にラジカルを生成せしめ、そのラジカル同士の再結合反応により架橋反応を生じさせる処理である。該電離放射線としては、γ線、X線、真空紫外線、紫外線、可視光線、近赤外線、赤外線、あるいは電子ビーム等から挙げられる。これらの例示から選ばれる電離放射線を上記高分子電解質膜に照射し、高分子電解質が架橋した低吸水膜を得ることができる。また、電離放射線として紫外線、可視光線を選択した場合、上記高分子電解質中に、これらの電離放射線の作用により、架橋反応を生じうる基(以下、「感電離放射線基」と総称する。)を有するものに適用できる。上記の感電離放射線基としては、ベンゾフェノン基、α−ジケトン基、アシロイン基、アシロインエーテル基、ベンジルアルキルケタール基、アセトフェノン基、キノン基、チオキサントン基、アシルフォスフィン基等が例示される。さらに、該感電離放射線基とともに、上記熱架橋基に例示したエチレン性不飽和基、アセチレン性不飽和基を併せて有すると、架橋反応が容易に生じる。
該電離放射線照射は窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で行うことが好ましい。処理時の温度は、室温〜250℃の範囲で行うことができる。照射時間は、1秒〜100時間の間で行うことができ、より具体的には、特開2003−217342号公報に記載の方法等に準じて行うこともできる。
さらに、上記高分子電解質膜の主鎖または側鎖に飽和炭化水素基を有する場合は、X線、γ線あるいは電子ビームの照射によって、該飽和炭化水素基にラジカルを発生させることができ、このようなラジカルの再結合反応によって架橋反応を生じさせることもできる。
Next, ionizing radiation processing will be described.
The ionizing radiation irradiation treatment is a treatment for generating a radical in the molecular chain of the polymer electrolyte by the ionizing action and causing a crosslinking reaction by a recombination reaction between the radicals. Examples of the ionizing radiation include γ rays, X rays, vacuum ultraviolet rays, ultraviolet rays, visible rays, near infrared rays, infrared rays, and electron beams. By irradiating the polymer electrolyte membrane with ionizing radiation selected from these examples, a low water absorption membrane in which the polymer electrolyte is crosslinked can be obtained. In addition, when ultraviolet rays or visible rays are selected as the ionizing radiation, groups capable of causing a crosslinking reaction by the action of these ionizing radiations in the polymer electrolyte (hereinafter collectively referred to as “ionizing radiation groups”). Applicable to what you have. Examples of the ionizing radiation group include benzophenone group, α-diketone group, acyloin group, acyloin ether group, benzylalkyl ketal group, acetophenone group, quinone group, thioxanthone group, and acylphosphine group. Furthermore, when it has an ethylenically unsaturated group and an acetylenic unsaturated group which were illustrated to the said thermal crosslinking group with this ionizing radiation group, a crosslinking reaction will arise easily.
The ionizing radiation irradiation is preferably performed in an inert gas such as nitrogen or argon. The temperature at the time of a process can be performed in the range of room temperature to 250 degreeC. Irradiation time can be performed between 1 second and 100 hours, and more specifically, can be performed according to the method described in JP-A No. 2003-217342.
Further, when the main chain or side chain of the polymer electrolyte membrane has a saturated hydrocarbon group, radicals can be generated in the saturated hydrocarbon group by irradiation with X-rays, γ-rays or electron beams. A crosslinking reaction can also be caused by such a radical recombination reaction.

次に、化学処理について説明する。
ここで、化学処理とは上記高分子電解質膜を構成する高分子電解質に対して共有結合を形成する反応基を、複数分子内に有する反応剤(以下、架橋剤と呼ぶ)を用いて架橋反応を生じさせる処理を意味する。該架橋剤と、高分子電解質に共存させることにより、架橋剤が高分子電解質に対して、橋架け基となり、架橋反応を生じる。ここで、架橋剤を具体的に例示すると、ジメチロール尿素、トリメチロールメラミン、ジメチロールクレゾール等のメチロール架橋剤、ビスグリシジルビスフェノールA、ビスグルシジルビスフェノールF等のエポキシ架橋剤、トリレンジイソシアネート等のイソシアネート系架橋剤等を挙げることができる。また、上記電離放射線の作用で説明したように、高分子電解質の分子鎖中のプロトンラジカル引き抜き反応を生じうる架橋剤も、上記化学処理の範疇であり、このような架橋剤としては、ケトンパーオキシド、ベンゾイルパーオキシド等の過酸化物を例示することができる。
これらの化学処理は、高分子電解質膜を予め製造せしめてから行うこともできるし、高分子電解質と架橋剤とを混合した混合物から、膜化させると同時に架橋を生じさせることもできる。
これら、いずれの方法によっても、高分子電解質分子が架橋してなる低吸水膜を得ることができる。
Next, chemical treatment will be described.
Here, the chemical treatment is a cross-linking reaction using a reactive agent (hereinafter referred to as a cross-linking agent) having a reactive group that forms a covalent bond with the polyelectrolyte constituting the polymer electrolyte membrane in a plurality of molecules. Means a process that generates By allowing the crosslinking agent to coexist in the polymer electrolyte, the crosslinking agent becomes a bridging group for the polymer electrolyte and causes a crosslinking reaction. Here, specific examples of the crosslinking agent include methylol crosslinking agents such as dimethylol urea, trimethylol melamine, and dimethylol cresol, epoxy crosslinking agents such as bisglycidyl bisphenol A and bisglycidyl bisphenol F, and isocyanates such as tolylene diisocyanate. Examples thereof include a system cross-linking agent. In addition, as described above with reference to the action of ionizing radiation, a crosslinking agent that can cause a proton radical abstraction reaction in the molecular chain of the polymer electrolyte is also within the category of the above chemical treatment. Examples thereof include peroxides such as oxide and benzoyl peroxide.
These chemical treatments can be carried out after the polymer electrolyte membrane has been produced in advance, or can be formed into a membrane from a mixture of a polymer electrolyte and a crosslinking agent, and simultaneously crosslinked.
Any of these methods can provide a low water-absorbing film in which polymer electrolyte molecules are crosslinked.

上記の(i)、(ii)または(iii)のいずれの方法によっても、低吸水膜が得ることができる。さらに、該低吸水膜を得た後に、水洗等を行い、低吸水膜を洗浄した後、乾燥させると好ましい。乾燥する方法は特に限定されるものではないが、低吸水膜の吸水率が保持できる条件で行うことが必要であり、室温で乾燥させるのが好ましい。   A low water absorption membrane can be obtained by any of the above methods (i), (ii), or (iii). Furthermore, after obtaining the low water absorption film, it is preferable to perform water washing or the like, wash the low water absorption film, and then dry. The drying method is not particularly limited, but it is necessary to perform the drying under conditions where the water absorption rate of the low water absorption film can be maintained, and it is preferable to dry at room temperature.

低吸水膜を得る方法として例示した、第1の実施形態に係る(i)、第2の実施形態に係る(ii)、(iii)から選ばれる方法の中でも、一旦、低吸水化した低吸水膜を、後述する方法で触媒層を形成した後、該低吸水化膜の吸水率を向上できると、好ましい。このような観点からは、上記の中でも、第1の実施形態の(i)または第2の実施形態の(ii)によって得られた低吸水膜が好ましい。(i)または(ii)で得られた低吸水膜は、塩置換率50%以上の高分子電解質からなるものであり、一旦塩置換されたイオン交換基を、遊離のイオン交換基(水素イオンとイオン結合したカチオン交換基、または水酸化物イオンとイオン結合したアニオン交換基)に戻すことが容易である。このようにすることで、低吸水膜の吸水性を向上させることができる。吸水率を向上させると、最終的に得られるMEA自体のイオン伝導性を高めることができ、かかるMEAを有する燃料電池は、より発電性能に優れるものが得られるため、好ましい。   Among the methods selected from (i) according to the first embodiment and (ii) and (iii) according to the second embodiment exemplified as a method for obtaining a low water absorption membrane, the low water absorption once reduced in water absorption It is preferable if the water absorption rate of the low water absorption membrane can be improved after the catalyst layer is formed by the method described later. From such a viewpoint, among the above, the low water absorption membrane obtained by (i) of the first embodiment or (ii) of the second embodiment is preferable. The low water absorption membrane obtained in (i) or (ii) is composed of a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 50% or more. The ion exchange group once salt-substituted is converted into a free ion exchange group (hydrogen ion). And an anion exchange group ion-bonded to a hydroxide ion). By doing in this way, the water absorption of a low water absorption film | membrane can be improved. Increasing the water absorption rate is preferable because the ion conductivity of the MEA itself finally obtained can be increased, and a fuel cell having such an MEA can be obtained with better power generation performance.

上記の吸水率を求める塩置換率1%以下の高分子電解質膜の製膜法や、上記(i)、(ii)または(iii)に示した低吸水膜の製造に係る製膜法としては、溶液キャスト法が操作が簡便である点で好ましい。ここで溶液キャスト法とは、高分子電解質を、適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法である。製膜に用いる溶媒は、適用する高分子電解質が溶解可能であり、且つ膜化した後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、N,N−ジメチルホルムアミド(以下、「DMF」という)、N,N−ジメチルアセトアミド(以下、「DMAc」という)、N−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」という)、ジメチルスルホキシド(以下、「DMSO」という)等の非プロトン性極性溶媒、あるいはジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。
これらの溶媒は単独で用いることもできるが、必要に応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。中でも、DMF、DMAc、NMP、DMSO等が高分子電解質の溶解性が高く好ましい。
As a method for forming a polymer electrolyte membrane having a salt substitution rate of 1% or less for obtaining the water absorption rate, or a method for forming a low water absorption membrane shown in (i), (ii) or (iii) above, The solution casting method is preferable because the operation is simple. Here, the solution casting method is a method of forming a film by dissolving a polymer electrolyte in an appropriate solvent, casting the solution onto a glass plate, and removing the solvent. The solvent used for film formation is not particularly limited as long as the applied polymer electrolyte can be dissolved and can be removed after film formation. N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as “DMF”) Aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide (hereinafter referred to as “DMAc”), N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as “NMP”), dimethyl sulfoxide (hereinafter referred to as “DMSO”), Or, chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol mono Echi Alkylene glycol monoalkyl ethers such as ether is preferably used.
These solvents can be used alone, or two or more solvents can be mixed and used as necessary. Among these, DMF, DMAc, NMP, DMSO and the like are preferable because of high solubility of the polymer electrolyte.

上記のようにして得られた低吸水膜の、少なくとも片面に触媒インクを直接塗布することで触媒層を形成する。
ここで、触媒インクとは、触媒物質と、溶媒とを必須成分として含むものである。該触媒物質としては、従来の燃料電池において用いられているものをそのまま用いることができ、例えば、白金、白金−ルテニウム合金のような貴金属類等、当該分野で周知のものが挙げられる。さらに、触媒層での水素イオンと電子の輸送を容易にできるとの観点から、該触媒物質を導電性材料に担持させたものを用いると好ましい。該導電性材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブなどの導電性カーボン材料、酸化チタンなどのセラミック材料などが挙げられる。
The catalyst layer is formed by directly applying the catalyst ink to at least one surface of the low water absorption film obtained as described above.
Here, the catalyst ink includes a catalyst substance and a solvent as essential components. As the catalyst material, those used in conventional fuel cells can be used as they are, and examples thereof include those well known in the art such as noble metals such as platinum and platinum-ruthenium alloys. Further, from the viewpoint that hydrogen ions and electrons can be easily transported in the catalyst layer, it is preferable to use a catalyst material supported on a conductive material. Examples of the conductive material include conductive carbon materials such as carbon black and carbon nanotubes, and ceramic materials such as titanium oxide.

また、本発明に適用する触媒インクは、前記の触媒物質および溶媒に加えて、高分子電解質を含むと好ましい。該高分子電解質は、イオン伝導性があり、かつ上記触媒物質を結着させるバインダーとして働くものであれば特に制限はなく、従来知られているデュポン社製のナフィオン(商品名)や脂肪族高分子電解質、芳香族高分子電解質を用いることができる。
該触媒インクを構成するその他の成分は任意であり、特に制限はないが、触媒層の撥水性を高める目的で、PTFEなどの撥水材が、また触媒層のガス拡散性を高める目的で、炭酸カルシウムなどの造孔材が、さらに得られるMEAの耐久性を高める目的で金属酸化物などの安定剤などが含まれることもある。
The catalyst ink applied to the present invention preferably contains a polymer electrolyte in addition to the catalyst substance and the solvent. The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it has ion conductivity and functions as a binder for binding the catalyst substance, and conventionally known Nafion (trade name) manufactured by DuPont or an aliphatic high polymer. Molecular electrolytes and aromatic polymer electrolytes can be used.
The other components constituting the catalyst ink are optional and are not particularly limited. For the purpose of increasing the water repellency of the catalyst layer, a water repellent material such as PTFE is used, and for the purpose of increasing the gas diffusibility of the catalyst layer, A pore former such as calcium carbonate may contain a stabilizer such as a metal oxide for the purpose of further enhancing the durability of the obtained MEA.

一方、該触媒インクに係る溶媒は特に制限されるものではないが、触媒インクを構成する溶媒以外の成分を、溶解させるか、分子レベルで一様に分散させるか、もしくはナノメーターからマイクロメーターのレベルで凝集体を形成させ、その凝集体を分散させることが望まれる。溶媒は単一であっても、複数の溶媒が混合したものでもよい。高分子電解質にナフィオンのようなフッ素系高分子電解質を用いる場合、水と親水性有機溶媒とからなる混合溶媒が通常用いられる。   On the other hand, the solvent related to the catalyst ink is not particularly limited, but components other than the solvent constituting the catalyst ink are dissolved, dispersed uniformly at the molecular level, or from nanometer to micrometer. It is desirable to form aggregates at a level and disperse the aggregates. The solvent may be a single solvent or a mixture of a plurality of solvents. When a fluorine-based polymer electrolyte such as Nafion is used as the polymer electrolyte, a mixed solvent composed of water and a hydrophilic organic solvent is usually used.

該触媒インクは、上記の触媒物質および/または導電性材料に触媒物質を担持させた触媒担持材料と、溶媒と、その他の成分とを、公知の方法によって混合して得られるものである。混合方法としては、超音波分散装置、ホモジナイザー、ボールミル、遊星ボールミル、サンドミル等を用いる方法が挙げられる。   The catalyst ink is obtained by mixing the above-described catalyst material and / or a catalyst-supporting material in which a catalyst material is supported on a conductive material, a solvent, and other components by a known method. Examples of the mixing method include a method using an ultrasonic dispersing device, a homogenizer, a ball mill, a planetary ball mill, a sand mill and the like.

上記低吸水膜表面に、触媒インクを直接塗布する方法としては特に制限は無く、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法等の既存の方法を使用することができる。本発明者らは、これらの中でも、スプレー法による塗布方法が、操作が簡便であることに加え、目的とする皺の発生を抑制するうえで、特に好ましいことを見出している。この理由については明らかではないが、スプレー法による直接塗布では、触媒インクが吐出口から膜に到達する間に大気中で溶媒が気化し、低吸水膜に触媒インクが接触する際、取り込まれる溶媒を低減できるためであると推定される。また、該スプレー法は、工業的にも操作が簡便であることからも好ましい。   The method for directly applying the catalyst ink to the surface of the low water absorption film is not particularly limited, and an existing method such as a die coater, screen printing, a spray method, or an ink jet method can be used. Among these, the present inventors have found that a coating method by a spray method is particularly preferable in terms of suppressing the generation of the target wrinkles in addition to simple operation. Although the reason for this is not clear, in the direct application by the spray method, the solvent is vaporized in the atmosphere while the catalyst ink reaches the film from the discharge port, and the solvent taken in when the catalyst ink contacts the low water absorption film. It is presumed that this can be reduced. Moreover, this spray method is preferable also from operation being easy industrially.

触媒インクのスプレー方法としては、例えば、特開2004−89976号公報に記載の装置や方法が具体的に例示でき、これらを用いて行うことができる。
すなわち、低吸水膜をステージ上に設置し、該低吸水膜に、触媒インクを直接塗布する。スプレー法では、触媒インクが吐出口から粒子状となって飛散し、低吸水膜上に付着する。ステージは、塗布後速やかに溶媒を除去するため、加温しておくことが望ましく、その温度は50℃〜150℃であることが好ましい。温度範囲が上記の範囲であれば、触媒インクの溶媒が速やかに除去されやすく、低吸水膜が熱的に損傷を受ける傾向が小さいため、好ましい。
このように、スプレー法による塗布に続いて、ステージの加温により溶媒が除去され、触媒層が低吸水膜上に製造される。
溶媒の除去をより確実にする目的で、触媒層が製造された低吸水膜を、加温したオーブンなどに入れて乾燥させてもよいし、必要に応じて真空乾燥を行ってもよい。
As a method for spraying the catalyst ink, for example, an apparatus and a method described in JP-A-2004-89976 can be specifically exemplified, and these can be used.
That is, a low water absorption film is installed on the stage, and the catalyst ink is directly applied to the low water absorption film. In the spray method, catalyst ink scatters in the form of particles from the discharge port and adheres to the low water absorption film. The stage is desirably heated in order to remove the solvent immediately after coating, and the temperature is preferably 50 ° C to 150 ° C. A temperature range of the above range is preferable because the solvent of the catalyst ink is easily removed and the low water absorption film is less likely to be thermally damaged.
As described above, following the application by the spray method, the solvent is removed by heating the stage, and the catalyst layer is manufactured on the low water absorption film.
In order to make the removal of the solvent more reliable, the low water absorption membrane on which the catalyst layer is produced may be put in a heated oven or the like and dried, or may be vacuum dried as necessary.

また、触媒インクを複数回スプレーして、各スプレーによる層を低吸水膜上に塗り重ねて多層塗りとしてもよい。この多層塗りによって、1層の塗布量を少なくすることができ、塗布後の触媒インクの乾燥が促進され、溶媒の除去が不十分な場合でも、塗布後の低吸水膜における皺の発生をより低減することができる。   Alternatively, the catalyst ink may be sprayed a plurality of times, and a layer by each spray may be applied repeatedly on the low water absorption film to form a multilayer coating. This multi-layer coating can reduce the coating amount of one layer, promotes drying of the catalyst ink after coating, and prevents generation of wrinkles in the low water absorption film after coating even when the removal of the solvent is insufficient. Can be reduced.

本発明のMEAの製造方法は、上記のように酸性基を有する高分子電解質膜、塩基性基を有する高分子電解質膜、いずれも適用することが可能であるが、酸性基を有する高分子電解質膜を用いると、一層発電性能に優れた燃料電池が得られるため、好ましい。   The MEA production method of the present invention can be applied to both a polymer electrolyte membrane having an acidic group and a polymer electrolyte membrane having a basic group as described above, but a polymer electrolyte having an acidic group. The use of a membrane is preferable because a fuel cell with further improved power generation performance can be obtained.

酸性基を有する高分子電解質膜は、例えば、上記のスルホン酸基、カルボキシル基、ホスホン酸基等に加え、ホスフィン酸基(−OPO32)、スルホニルイミド基(−SO2NHSO2−)、フェノール性水酸基等のカチオン交換基を有するものであってもよい。中でも、酸性基としては、スルホン酸基またはホスホン酸基がより好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。 Examples of the polymer electrolyte membrane having an acidic group include a phosphinic acid group (—OPO 3 H 2 ) and a sulfonylimide group (—SO 2 NHSO 2 —) in addition to the sulfonic acid group, carboxyl group, phosphonic acid group and the like described above. Or having a cation exchange group such as a phenolic hydroxyl group. Among these, as the acidic group, a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is more preferable, and a sulfonic acid group is particularly preferable.

かかる高分子電解質膜を構成する高分子電解質の代表例としては、例えば(A)主鎖が脂肪族炭化水素からなる炭化水素系高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質;(B)主鎖が芳香環を有する高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した炭化水素系高分子電解質;(C)主鎖が、脂肪族炭化水素とシロキサン基、フォスファゼン基などの無機の単位構造からなる重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した炭化水素系高分子電解質;(D)上記(A)〜(C)のスルホン酸基および/またはホスホン酸基導入前の高分子を構成する繰り返し単位から選ばれるいずれか2種以上の繰り返し単位からなる共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した炭化水素系高分子電解質;等が挙げられる。   As a typical example of a polymer electrolyte constituting such a polymer electrolyte membrane, for example, (A) a polymer in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a hydrocarbon polymer whose main chain is an aliphatic hydrocarbon. (B) a hydrocarbon polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a polymer having a main chain having an aromatic ring; (C) a main chain consisting of an aliphatic hydrocarbon, a siloxane group, and phosphazene. A hydrocarbon-based polymer electrolyte obtained by introducing a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group into a polymer having an inorganic unit structure such as a group; (D) the sulfonic acid group and / or phosphone of (A) to (C) above; Carbonization in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a copolymer composed of any two or more repeating units selected from repeating units constituting the polymer before introduction of the acid group Motokei polyelectrolyte; and the like.

上記(A)の高分子電解質としては、例えば、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸、等が挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (A) include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, poly (α-methylstyrene) sulfonic acid, and the like.

上記(B)の高分子電解質としては、主鎖が酸素原子等のヘテロ原子で中断されているものであってもよく、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレン・エーテル)、ポリイミド、ポリ((4-フェノキシベンゾイル)-1,4-フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の単独重合体のそれぞれにスルホン酸基が導入されたもの、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホアルキル化ポリベンズイミダゾール(例えば、特開平9−110982号公報参照)、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)(例えば、J.Appl.Polym.Sci.,18,1969(1974)参照)等が挙げられる。   The polymer electrolyte (B) may be one in which the main chain is interrupted by a hetero atom such as an oxygen atom. For example, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, poly (arylene ether) ), Polyimide, poly ((4-phenoxybenzoyl) -1,4-phenylene), polyphenylene sulfide, polyphenylquinoxalen, and other homopolymers each having a sulfonic acid group introduced therein, sulfoarylated polybenz Imidazole, sulfoalkylated polybenzimidazole, phosphoalkylated polybenzimidazole (for example, see JP-A-9-110882), phosphonated poly (phenylene ether) (for example, J. Appl. Polym. Sci., 18, 1969). (1974)).

また、上記(C)の高分子電解質としては例えば、文献(Polymer Prep.,41,No.1,70(2000))に記載されたポリフォスファゼンにスルホン酸基が導入されたもの、ホスホン酸基を有するポリシロキサンに準じて容易に製造することができる。   Examples of the polymer electrolyte (C) include those obtained by introducing a sulfonic acid group into polyphosphazene described in the literature (Polymer Prep., 41, No. 1, 70 (2000)), phosphonic acid It can be easily produced according to the polysiloxane having a group.

上記(D)の高分子電解質としては、ランダム共重合体にスルホン酸基及び/又はホスホン酸基が導入されたものでも、交互共重合体にスルホン酸基及び/又はホスホン酸基が導入されたものでも、ブロック共重合体にスルホン酸基及び/又はホスホン酸基が導入されたものでもよい。ランダム共重合体にスルホン酸基が導入されたものとしては、例えば、特開平11−116679号公報に記載の、スルホン化ポリエーテルスルホン重合体が挙げられる。   As the polymer electrolyte of the above (D), a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a random copolymer, but a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into an alternating copolymer. Those having a sulfonic acid group and / or phosphonic acid group introduced into the block copolymer may be used. Examples of the sulfonic acid group introduced into the random copolymer include sulfonated polyethersulfone polymers described in JP-A-11-116679.

上記のような高分子電解質の中でも、高い発電性能と耐久性を両立させるという観点から、上記(C)、(D)の高分子電解質が好ましく、とりわけ上記(D)の中でも、ブロック共重合体にスルホン酸基を導入した構造を有し、高分子主鎖が芳香環を有するものが好ましく、特に好ましくは、スルホン酸基を有するブロックと、イオン交換基を実質的に有さないブロックとからなるブロック共重合体である。
このようなブロック共重合体としては、特開2001−250567号公報に記載のスルホン化された芳香族ポリマーブロックを有するブロック共重合体、特開2003−31232号公報、特開2004−359925号公報、特開2005−232439号公報、特開2003−113136号公報等の特許文献に記載の、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンを主鎖構造とするブロック共重合体を挙げることができる。
Among the above polymer electrolytes, the polymer electrolytes (C) and (D) are preferable from the viewpoint of achieving both high power generation performance and durability, and among the above (D), the block copolymer is particularly preferable. It preferably has a structure in which a sulfonic acid group is introduced into the polymer, and the polymer main chain has an aromatic ring, and particularly preferably includes a block having a sulfonic acid group and a block having substantially no ion exchange group. Is a block copolymer.
Examples of such a block copolymer include a block copolymer having a sulfonated aromatic polymer block described in JP-A-2001-250567, JP-A-2003-32322, and JP-A-2004-359925. And block copolymers having a main chain structure of polyetherketone and polyethersulfone described in JP-A-2005-232439 and JP-A-2003-113136.

なお、上記のブロック共重合体は、スルホン酸基を有するブロックと、イオン交換基を実質的に有さないブロックとを、それぞれ1つ以上有するものであり、どちらかのブロックが2つ以上有するものでもよく、スルホン酸基を有するブロックと、イオン交換基を実質上有さないブロックとをそれぞれ複数有するものでもよい。なお、スルホン酸基を有するブロックの定義は当該ブロックを構成する構造単位1個当たりにある平均スルホン酸基数で表すと、0.5個以上であるブロックを意味するものであり、1個以上であるとより好ましい。また、イオン交換基を実質的に有さないブロックの定義は、当該ブロックを構成する構造単位1個当たりにある平均イオン交換基数で表すと、0.1個以下であることを意味するものであり、0個、すなわちブロック全体にイオン交換基が皆無であると特に好ましい。   In addition, said block copolymer has one or more each of the block which has a sulfonic acid group, and the block which does not have an ion exchange group substantially, and either block has two or more. The block may have a sulfonic acid group and may have a plurality of blocks each having substantially no ion exchange group. In addition, the definition of a block having a sulfonic acid group means a block having 0.5 or more when expressed by the average number of sulfonic acid groups per structural unit constituting the block. More preferably. In addition, the definition of a block having substantially no ion exchange group means that it is 0.1 or less in terms of the average number of ion exchange groups per structural unit constituting the block. It is particularly preferred that zero, that is, no ion exchange groups exist in the entire block.

さらに、本発明の製造方法で得られる膜−電極接合体に係る高分子電解質膜は、上記に例示した高分子電解質に加え、所望の特性に応じて、プロトン伝導性を著しく低下させない範囲で他の成分を含んでいてもよい。このような他の成分としては、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤、保水剤等の添加剤が挙げられる。
特に、燃料電池の動作中に、高分子電解質膜に隣接する触媒層において過酸化物が生成し、この過酸化物が拡散しながらラジカル種に変化し、これが高分子電解質膜を構成している高分子電解質を劣化させることがある。かかる不都合を回避するために、高分子電解質には、ラジカル耐性を付与し得る安定剤を添加することが好ましい。
Furthermore, the polymer electrolyte membrane according to the membrane-electrode assembly obtained by the production method of the present invention can be used in addition to the polymer electrolytes exemplified above as long as the proton conductivity is not significantly reduced depending on the desired characteristics. May be included. Examples of such other components include additives such as plasticizers, stabilizers, mold release agents, and water retention agents that are used in ordinary polymers.
In particular, during the operation of the fuel cell, peroxide is generated in the catalyst layer adjacent to the polymer electrolyte membrane, and this peroxide diffuses and changes into radical species, which constitutes the polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte may be deteriorated. In order to avoid such inconvenience, it is preferable to add a stabilizer capable of imparting radical resistance to the polymer electrolyte.

また、上記低吸水膜の機械的強度を向上させる目的で、高分子電解質と所定の支持体とを複合化した複合膜を本発明のMEAに用いることもできる。この場合、当該複合膜から、低吸水化膜を得ることにより、触媒層に接する複合膜に対して皺の発生を抑制することを可能とする。なお、支持体としては、フィブリル形状や多孔膜形状等の基材が挙げられる。   For the purpose of improving the mechanical strength of the low water absorption membrane, a composite membrane in which a polymer electrolyte and a predetermined support are combined can be used for the MEA of the present invention. In this case, by obtaining a low water absorption membrane from the composite membrane, it is possible to suppress the generation of soot on the composite membrane in contact with the catalyst layer. In addition, as a support body, base materials, such as a fibril shape and a porous membrane shape, are mentioned.

上記のような高分子電解質膜または複合膜のいずれにおいても、本発明によれば、上記触媒インクを直接塗布することによる、触媒層と高分子電解質膜または複合膜との高度の接着性を維持したまま、皺の発生を抑制することができる。   In any of the polymer electrolyte membranes or composite membranes as described above, according to the present invention, high adhesion between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane or composite membrane can be maintained by directly applying the catalyst ink. It is possible to suppress the generation of wrinkles.

さらに、本発明の製造方法は、第1の実施様態または第2の実施様態によって、低吸水膜に触媒層を形成せしめて得られた(低吸水)膜−電極接合体中の、低吸水膜の吸水率を向上させると、好ましい。このように、一旦吸水率を低下させた低吸水膜の、吸水率を向上させることで、イオン伝導性がより向上し、燃料電池作動時に高い発電性能を有するMEAを得ることができる。特に、好ましい実施様態である、上記(i)または(ii)に示す方法を低吸水膜の製造として選択した場合、一旦、塩の形態の基としたイオン交換基を、再度イオン伝導性を発現する、遊離のイオン交換基に戻すことで、吸水率を向上させることができる。
好ましい炭化水素系高分子電解質として、酸性基をイオン交換基として有する高分子電解質である場合、上記(低吸水)膜−触媒層接合体を、酸処理を行うことで、容易に実施することができる。
Furthermore, the production method of the present invention is a low water absorption film in a membrane-electrode assembly (low water absorption) obtained by forming a catalyst layer on a low water absorption film according to the first embodiment or the second embodiment. It is preferable to improve the water absorption rate. As described above, by improving the water absorption rate of the low water absorption film once having reduced the water absorption rate, an ion conductivity can be further improved, and an MEA having high power generation performance when the fuel cell is operated can be obtained. In particular, when the method shown in the above (i) or (ii), which is a preferred embodiment, is selected as the production of the low water absorption membrane, the ion exchange group once formed as a salt form once again exhibits ion conductivity. The water absorption can be improved by returning to the free ion exchange group.
When a polymer electrolyte having an acidic group as an ion exchange group as a preferred hydrocarbon polymer electrolyte, the above (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly can be easily implemented by performing acid treatment. it can.

該酸処理としては、所定濃度・温度の酸水溶液に、該(低吸水)膜−触媒層接合体を所定時間浸漬するという簡便な方法で行うことができる。酸の種類には特に制限は無いが、塩酸、硫酸、硝酸等の強酸が好ましく用いられる。
また、上記酸処理において、該低吸水膜−触媒層接合体の形態を損なわない範囲で、浸漬に用いる酸水溶液を攪拌してもよい。
このようにすることで、目的とする皺の抑制と、高イオン伝導性を有するMEAを製造することができる。
The acid treatment can be performed by a simple method of immersing the (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly in an acid aqueous solution having a predetermined concentration and temperature for a predetermined time. Although there is no restriction | limiting in particular in the kind of acid, Strong acids, such as hydrochloric acid, a sulfuric acid, nitric acid, are used preferably.
Moreover, in the said acid treatment, you may stir the acid aqueous solution used for immersion in the range which does not impair the form of this low water absorption membrane-catalyst layer assembly.
By doing in this way, MEA which has the target suppression of wrinkles and high ion conductivity can be manufactured.

また、上記酸処理を行った後、酸が処理後のMEA内部に残存することもあるため、当該酸処理に引き続き、水洗を行うことが好ましい。このようにすると、内部に残存する余剰の酸成分を除去することができる。水洗方法としては、酸処理後の膜−電極接合体を流水に所定時間曝す方法が有効である。
また、このようにして酸処理、必要に応じて水洗を行った後、乾燥させてもよい。
In addition, after the acid treatment, the acid may remain inside the MEA after the treatment, and therefore, it is preferable to perform water washing following the acid treatment. If it does in this way, the surplus acid component which remains inside can be removed. As a method for washing with water, a method of exposing the membrane-electrode assembly after acid treatment to running water for a predetermined time is effective.
Moreover, after acid-treating and washing with water as necessary, it may be dried.

本発明の製造方法により得られたMEAは、燃料電池として使用したときに高い出力性能が得られるものである。なお、MEAの少なくも片面の触媒層を形成することについて詳細に記したが、無論MEAの両面の触媒層を形成することも可能である。この場合、上記に記載の方法を経て、低吸水膜の片面に触媒層を形成してから、他方の面に同様の方法を施すことにより、両面に触媒層を形成することが可能となる。
また、MEAに係る片面の触媒層に、本発明の製造方法による触媒層を形成させ、もう一方の面の触媒層は、従来から用いられている公知の方法で別の触媒層を形成することもできる。ここで触媒層形成方法に係る公知の方法としては、例えば、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209 に記載されている方法等が挙げられる。
The MEA obtained by the production method of the present invention has high output performance when used as a fuel cell. In addition, although it described in detail about forming the catalyst layer of at least one side of MEA, it is also possible to form the catalyst layer of both sides of MEA. In this case, the catalyst layer can be formed on both surfaces by forming the catalyst layer on one surface of the low water absorption membrane and performing the same method on the other surface through the method described above.
In addition, a catalyst layer formed by the production method of the present invention is formed on one catalyst layer of MEA, and another catalyst layer is formed on the other surface by a conventionally known method. You can also. Here, as a known method related to the catalyst layer forming method, for example, J. Org. Electrochem. Soc. : Methods described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209, and the like.

次に、本発明の製造方法により得られたMEAを備える燃料電池について説明する。   Next, a fuel cell provided with MEA obtained by the manufacturing method of the present invention will be described.

図1は、好適な実施形態に係る燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。図1に示すように、燃料電池10は、高分子電解質膜12(イオン伝導膜)の両側に、これを挟むように触媒層14a,14bがなり、これが本発明の製造方法で得られるMEA20である。さらに、両面の触媒層には、それぞれ、ガス拡散層16a,16bを備え、該ガス拡散層にセパレータ18a,18bが形成されている。
ここで、MEA20とガス拡散層16a,16bを備えたものは、膜−触媒層−ガス拡散層接合体と呼ばれ、通常MEGAと略される。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a fuel cell according to a preferred embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes catalyst layers 14a and 14b on both sides of a polymer electrolyte membrane 12 (ion conductive membrane) so as to sandwich the membrane, and this is an MEA 20 obtained by the manufacturing method of the present invention. is there. Furthermore, the catalyst layers on both sides are provided with gas diffusion layers 16a and 16b, respectively, and separators 18a and 18b are formed in the gas diffusion layers.
Here, the one provided with the MEA 20 and the gas diffusion layers 16a and 16b is called a membrane-catalyst layer-gas diffusion layer assembly and is usually abbreviated as MEGA.

ここで触媒層14a,14bは、燃料電池における電極層として機能する層であり、これらのいずれか一方がアノード電極層となり、他方がカソード電極層となる。   Here, the catalyst layers 14a and 14b are layers that function as electrode layers in the fuel cell, and either one of them is an anode electrode layer and the other is a cathode electrode layer.

ガス拡散層16a,16bは、MEA20の両側を挟むように設けられており、触媒層14a,14bへの原料ガスの拡散を促進するものである。このガス拡散層16a,16bは、電子伝導性を有する多孔質材料により構成されるものが好ましい。例えば、多孔質性のカーボン不織布やカーボンペーパーが、原料ガスを触媒層14a,14bへ効率的に輸送することができるため、好ましい。   The gas diffusion layers 16a and 16b are provided so as to sandwich both sides of the MEA 20, and promote the diffusion of the raw material gas into the catalyst layers 14a and 14b. The gas diffusion layers 16a and 16b are preferably made of a porous material having electron conductivity. For example, a porous carbon non-woven fabric or carbon paper is preferable because the raw material gas can be efficiently transported to the catalyst layers 14a and 14b.

セパレータ18a,18bは、電子伝導性を有する材料で形成されており、かかる材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレス等が挙げられる。かかるセパレータ18a,18bは、図示しないが、触媒層14a,14b側に、燃料ガス等の流路となる溝が形成されていると好ましい。   Separator 18a, 18b is formed with the material which has electronic conductivity, As this material, carbon, resin mold carbon, titanium, stainless steel etc. are mentioned, for example. Although not shown, the separators 18a and 18b are preferably provided with grooves serving as flow paths for fuel gas or the like on the catalyst layers 14a and 14b.

そして、燃料電池10は、上述したようなMEGAを、一対のセパレータ18a,18bで挟み込み、これらを接合することで得ることができる。   The fuel cell 10 can be obtained by sandwiching MEGA as described above between a pair of separators 18a and 18b and joining them together.

なお、本発明の燃料電池は、必ずしも上述した構成を有するものに限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜異なる構成を有していてもよい。   The fuel cell of the present invention is not necessarily limited to the above-described configuration, and may have a different configuration as long as it does not depart from the spirit of the fuel cell.

また、燃料電池10は、上述した構造を有するものを、ガスシール体等で封止したものであってもよい。さらに、上記構造の燃料電池10は、直列に複数個接続して、燃料電池スタックとして実用に供することもできる。そして、このような構成を有する燃料電池は、燃料が水素である場合は固体高分子形燃料電池として、また燃料がメタノール水溶液である場合は直接メタノール型燃料電池として用いることができる。   The fuel cell 10 may be one having the above-described structure sealed with a gas seal body or the like. Furthermore, a plurality of the fuel cells 10 having the above structure can be connected in series to be put to practical use as a fuel cell stack. The fuel cell having such a configuration can be used as a solid polymer fuel cell when the fuel is hydrogen, and as a direct methanol fuel cell when the fuel is an aqueous methanol solution.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.

製造例1[4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムの合成]
攪拌機を備えた反応器に、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン467gと30%発煙硫酸3500gとを加え、100℃で5時間反応させた。得られた反応混合物を冷却した後、大量の氷水中に加え、これに、さらに50%水酸化カリウム水溶液470mLを滴下した。
次いで、析出した固体を濾過して集め、エタノールで洗浄した後、乾燥させた。得られた固体を脱イオン水6.0Lに溶解させ、50%水酸化カリウム水溶液を加えて、pH7.5に調整した後、塩化カリウム460gを加えた。析出した固体を濾過して集め、エタノールで洗浄した後、乾燥させた。
その後、得られた固体をDMSO2.9Lに溶解させ、不溶の無機塩を濾過で除き、この無機塩をDMSO300mLでさらに洗浄した。得られた濾液に酢酸エチル/エタノール=24/1の溶液6.0Lを滴下し、析出した固体を濾過して、メタノールで洗浄し、100℃で乾燥させて、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムの固体482gを得た。
Production Example 1 [Synthesis of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate]
To a reactor equipped with a stirrer, 467 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 3500 g of 30% fuming sulfuric acid were added and reacted at 100 ° C. for 5 hours. After cooling the obtained reaction mixture, it was added to a large amount of ice water, and 470 mL of a 50% aqueous potassium hydroxide solution was further added dropwise thereto.
Next, the precipitated solid was collected by filtration, washed with ethanol, and dried. The obtained solid was dissolved in 6.0 L of deionized water, 50% aqueous potassium hydroxide solution was added to adjust the pH to 7.5, and then 460 g of potassium chloride was added. The precipitated solid was collected by filtration, washed with ethanol, and dried.
Thereafter, the obtained solid was dissolved in 2.9 L of DMSO, insoluble inorganic salts were removed by filtration, and the inorganic salts were further washed with 300 mL of DMSO. 6.0 L of a solution of ethyl acetate / ethanol = 24/1 was added dropwise to the obtained filtrate, and the precipitated solid was filtered, washed with methanol, dried at 100 ° C., and 4,4′-difluorodiphenylsulfone. 482 g of a solid of dipotassium-3,3′-disulfonate was obtained.

製造例2[高分子電解質の製造]
(スルホン酸基を有する高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、製造例1で得られた4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム9.32重量部、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム4.20重量部、DMSO59.6重量部、及び、トルエン9.00重量部を加え、これらを室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを2.67重量部加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続け、スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液を得た。総加熱時間は14時間であった。得られた溶液は室温にて放冷した。
Production Example 2 [Production of polymer electrolyte]
(Synthesis of polymer compound having sulfonic acid group)
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 9.32 parts by weight of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate obtained in Production Example 1 in an argon atmosphere, 2,5-dihydroxybenzene 4.20 parts by weight of potassium sulfonate, 59.6 parts by weight of DMSO, and 9.00 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring these at room temperature.
Thereafter, 2.67 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while distilling off toluene, and a DMSO solution of a polymer compound having a sulfonic acid group was obtained. Total heating time was 14 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature.

(イオン交換基を実質的に有さない高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン8.32重量部、2,6−ジヒドロキシナフタレン5.36重量部、DMSO30.2重量部、NMP30.2重量部、及び、トルエン9.81重量部を加え、室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを5.09重量部加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続けた。総加熱時間は5時間であった。得られた溶液を室温にて放冷し、イオン交換基を実質的に有さない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を得た。
(Synthesis of polymer compounds substantially free of ion exchange groups)
A flask equipped with an azeotropic distillation apparatus was charged with 8.32 parts by weight of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 5.36 parts by weight of 2,6-dihydroxynaphthalene, 30.2 parts by weight of DMSO, and 30.2 parts by weight of NMP in an argon atmosphere. And 9.81 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring at room temperature.
Thereafter, 5.09 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while toluene was distilled off. Total heating time was 5 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature to obtain a NMP / DMSO mixed solution of a polymer compound substantially free of ion exchange groups.

(ブロック共重合体の合成)
得られたイオン交換基を実質的に有さない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を攪拌しながら、これに、上記スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液の全量とNMP80.4重量部、DMSO45.3重量部を加え、150℃にて40時間ブロック共重合反応を行った。
得られた反応液を大量の2N塩酸に滴下し、1時間浸漬した。その後、生成した沈殿物を濾別した後、再度2N塩酸に1時間浸漬した。得られた沈殿物を濾別、水洗した後、95℃の大量の熱水に1時間浸漬した。そして、この溶液を80℃で12時間乾燥させて、ブロック共重合体である高分子電解質を得た。この高分子電解質の構造を下記に示す。
なお、下記式における「block」の記載は、スルホン酸基を有するブロック及びイオン交換基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上有することを表している。

Figure 2007305577
(Synthesis of block copolymer)
While stirring the obtained NMP / DMSO mixed solution of the polymer compound having substantially no ion exchange group, the total amount of the DMSO solution of the polymer compound having the sulfonic acid group and 80.4 parts by weight of NMP were added thereto. DMSO (45.3 parts by weight) was added and a block copolymerization reaction was carried out at 150 ° C. for 40 hours.
The obtained reaction solution was dropped into a large amount of 2N hydrochloric acid and immersed for 1 hour. Thereafter, the produced precipitate was filtered off and then immersed again in 2N hydrochloric acid for 1 hour. The obtained precipitate was filtered and washed with water, and then immersed in a large amount of hot water at 95 ° C. for 1 hour. And this solution was dried at 80 degreeC for 12 hours, and the polymer electrolyte which is a block copolymer was obtained. The structure of this polymer electrolyte is shown below.
In addition, description of "block" in a following formula represents having at least one block each having a sulfonic acid group and no block having an ion exchange group.
Figure 2007305577

製造例3[高分子電解質膜の製造]
製造例2で得られた高分子電解質を、NMPに約30重量%の濃度となるように溶解させて、高分子電解質溶液を調製した。次いで、この高分子電解質溶液をガラス板上に滴下した。それから、ワイヤーコーターを用いて高分子電解質溶液をガラス板上に均一に塗り広げた。この際、0.2mmクリアランスのワイヤーコーターを用いて塗工厚みをコントロールした。塗布後、高分子電解質溶液を80℃で常圧乾燥した。それから、得られた膜を1N塩酸に浸漬した後、イオン交換水で洗浄し、さらに常温乾燥することによって高分子電解質膜(塩置換率1%以下)を得た。
Production Example 3 [Production of polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte obtained in Production Example 2 was dissolved in NMP to a concentration of about 30% by weight to prepare a polymer electrolyte solution. Next, this polymer electrolyte solution was dropped on a glass plate. Then, the polymer electrolyte solution was uniformly spread on the glass plate using a wire coater. At this time, the coating thickness was controlled using a 0.2 mm clearance wire coater. After application, the polymer electrolyte solution was dried at 80 ° C. under normal pressure. Then, the obtained membrane was immersed in 1N hydrochloric acid, washed with ion-exchanged water, and further dried at room temperature to obtain a polymer electrolyte membrane (salt substitution rate of 1% or less).

製造例4[触媒インクの調製]
市販の5重量%ナフィオン溶液(溶媒:水と低級アルコールの混合物)6mLに50重量%の白金が担持された白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製)を0.83g投入し、さらにエタノールを13.2mL加えた。得られた混合物を1時間超音波処理したのち、スターラーで5時間攪拌し、触媒インクを得た。
Production Example 4 [Preparation of catalyst ink]
0.83 g of platinum-supported carbon (SA50BK, manufactured by N.E. Chemcat), in which 50% by weight of platinum is supported in 6 mL of a commercially available 5% by weight Nafion solution (solvent: mixture of water and lower alcohol), and ethanol Of 13.2 mL was added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred for 5 hours with a stirrer to obtain a catalyst ink.

ここで、下記実施例に係わる物性測定法を列記する。
[イオン交換容量の測定]
測定に供する高分子電解質膜を、加熱温度105℃に設定されたハロゲン水分率計を用いて、乾燥重量を求めた。次いで、この高分子電解質膜を0.1mol/L水酸化ナトリウム水溶液5mLに浸漬した後、更に50mLのイオン交換水を加え、2時間放置した。その後、この高分子電解質膜が浸漬された溶液に、0.1mol/Lの塩酸を徐々に加えることで滴定を行い、中和点を求めた。そして、高分子電解質膜の乾燥重量と上記の中和に要した塩酸の量から、高分子電解質膜のイオン交換容量(単位:meq/g)を算出した。
Here, physical property measuring methods according to the following examples are listed.
[Measurement of ion exchange capacity]
The dry weight of the polymer electrolyte membrane to be measured was determined using a halogen moisture meter set at a heating temperature of 105 ° C. Next, this polymer electrolyte membrane was immersed in 5 mL of a 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution, and then 50 mL of ion-exchanged water was added and left for 2 hours. Thereafter, titration was performed by gradually adding 0.1 mol / L hydrochloric acid to the solution in which the polymer electrolyte membrane was immersed, and the neutralization point was determined. Then, the ion exchange capacity (unit: meq / g) of the polymer electrolyte membrane was calculated from the dry weight of the polymer electrolyte membrane and the amount of hydrochloric acid required for the neutralization.

[吸水率の測定]
塩置換率1%以下の高分子電解質からなる高分子電解質膜を、室温雰囲気下で約200mg切り出した。切り出した膜を、スクリューキャップ付きのポリプロピレン製の250mLビーカーに入れ、そこへ予め100℃に保温されているイオン交換水約150mLを投入し、該膜をイオン交換水に浸漬した。スクリューキャップで蓋をした後、予め100℃に保温してある恒温槽に入れ、2時間保持することで、わずかに加圧された状態にて、保管温度100℃で、十分に膜を吸水させた。その後、上記のビーカーから膜を取り出し、室温のイオン交換水に数秒浸漬して冷却した後、膜を取り出し、濾紙で表面に付着した水を拭き取り、メトラートレド社製水分率計HR73型で飽和吸水重量W1を測定した。その後、上記水分計の加熱温度を105℃に設定し、恒量となる乾燥重量W2を測定した。このようにして求められるW1、W2を上記数式1に代入することで吸水率を求めた。
[Measurement of water absorption rate]
About 200 mg of a polymer electrolyte membrane made of a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 1% or less was cut out at room temperature. The cut-out membrane was put into a 250 mL beaker made of polypropylene with a screw cap, and about 150 mL of ion-exchanged water kept at 100 ° C. in advance was added thereto, and the membrane was immersed in ion-exchanged water. After covering with a screw cap, put it in a constant temperature bath that has been kept at 100 ° C in advance, and hold it for 2 hours, so that the membrane is sufficiently absorbed at a storage temperature of 100 ° C in a slightly pressurized state. It was. Thereafter, the membrane is taken out from the above beaker, immersed in ion exchange water at room temperature for several seconds and cooled, and then the membrane is taken out, wiped off the water adhering to the surface with a filter paper, and saturated water absorption with a moisture meter HR73 manufactured by METTLER TOLEDO The weight W1 was measured. Thereafter, the heating temperature of the moisture meter was set to 105 ° C., and the dry weight W2 as a constant weight was measured. The water absorption rate was determined by substituting W1 and W2 determined in this way into the above formula 1.

実施例1
まず、製造例3で得られた高分子電解質膜のイオン交換容量を測定したところ、1.9meq/gであった。一方、1.0mol/Lの塩化カルシウム水溶液を500mL調製し、この高分子電解質膜(8cm角)を攪拌しながら2時間浸漬した。その後、高分子電解質膜を流水で2時間洗浄し、乾燥し、該高分子電解質膜のスルホン酸基を、カルシウム塩の形態に変換した低吸水膜を得た。この低吸水膜のイオン交換容量を測定したところ、0.0meq/gであり、ほぼ全量のスルホン酸基の水素イオンがカルシウムイオンで置換されていた(塩置換率:約100%)。また、吸水率を測定したところ、59%であった。
Example 1
First, when the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane obtained in Production Example 3 was measured, it was 1.9 meq / g. On the other hand, 500 mL of 1.0 mol / L calcium chloride aqueous solution was prepared, and this polymer electrolyte membrane (8 cm square) was immersed for 2 hours while stirring. Thereafter, the polymer electrolyte membrane was washed with running water for 2 hours and dried to obtain a low water absorption membrane in which the sulfonic acid group of the polymer electrolyte membrane was converted into a calcium salt form. When the ion exchange capacity of this low water absorption membrane was measured, it was 0.0 meq / g, and almost all of the hydrogen ions of the sulfonic acid groups were substituted with calcium ions (salt substitution rate: about 100%). Further, the water absorption was measured and found to be 59%.

引き続き、特開2004−089976号公報に記載の方法に準拠し、上記低吸水膜の片面の中央部の5.2cm角の領域に触媒インクを塗布した。吐出口から膜までの距離は6cm、ステージ温度は75℃に設定した。8回の重ね塗りをした後、ステージ上に15分間放置して、溶媒を除去し、触媒層を形成させた。もう一方の面にも同様に触媒インクを塗布し、触媒層を形成した。触媒層の組成と塗布した重量から、片面あたり0.6mg/cm2の白金が配置された、(低吸水)膜―触媒層接合体を得た。この(低吸水)膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視で皺の発生は認められなかった。 Subsequently, in accordance with the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-089976, a catalyst ink was applied to a 5.2 cm square region at the center of one side of the low water absorption film. The distance from the discharge port to the film was set to 6 cm, and the stage temperature was set to 75 ° C. After eight times of overcoating, the mixture was left on the stage for 15 minutes to remove the solvent and form a catalyst layer. Similarly, the catalyst ink was applied to the other surface to form a catalyst layer. From the composition of the catalyst layer and the applied weight, a (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly in which 0.6 mg / cm 2 of platinum was disposed on one side was obtained. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of this (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly, no wrinkle was observed visually.

実施例2
1.0mol/Lの塩化カルシウム水溶液に代えて、0.1mol/L塩化カリウム水溶液を使用する以外は、実施例1と同様にして(低吸水)膜−触媒層接合体を得た。触媒インクを塗布する前の低吸水膜のイオン交換容量は0.0meq/g(塩置換率:約100%)、吸水率は79%であった。また、触媒インクを用いて得られた触媒層は、片面当り0.6mg/cm2の白金が配置されていた。この(低吸水)膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視で皺の発生は認められなかった。
Example 2
A membrane-catalyst layer assembly was obtained in the same manner as in Example 1 (low water absorption) except that a 0.1 mol / L potassium chloride aqueous solution was used instead of the 1.0 mol / L calcium chloride aqueous solution. The ion-exchange capacity of the low water absorption film before applying the catalyst ink was 0.0 meq / g (salt substitution rate: about 100%), and the water absorption rate was 79%. The catalyst layer obtained using the catalyst ink had 0.6 mg / cm 2 of platinum arranged on one side. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of this (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly, no wrinkle was observed visually.

実施例3
1.0mol/Lの塩化カルシウム水溶液に代えて、0.1mol/L塩化ベンジルトリメチルアンモニウム水溶液を使用する以外は、実施例1と同様にして(低吸水)膜−触媒層接合体を得た。触媒インクを塗布する前の低吸水膜のイオン交換容量は0.0meq/g(塩置換率:約100%)、吸水率は43%であった。また、触媒インクを用いて得られた触媒層は、片面当り0.6mg/cm2の白金が配置されていた。この(低吸水)膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視で皺の発生は認められなかった。
Example 3
A membrane-catalyst layer assembly was obtained in the same manner as in Example 1 (low water absorption) except that a 0.1 mol / L benzyltrimethylammonium chloride aqueous solution was used instead of the 1.0 mol / L calcium chloride aqueous solution. The ion-exchange capacity of the low water absorption film before applying the catalyst ink was 0.0 meq / g (salt substitution rate: about 100%), and the water absorption rate was 43%. The catalyst layer obtained using the catalyst ink had 0.6 mg / cm 2 of platinum arranged on one side. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of this (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly, no wrinkle was observed visually.

実施例4
製造例2で得られた高分子電解質2gを、0.1mol/Lの塩化ベンジルトリメチルアンモニウム水溶液500mLに浸漬し、2時間スターラーで攪拌した。攪拌後の混合物を濾別し、80℃で12時間乾燥させて、スルホン酸基がベンジルトリメチルアンモニウムイオンで塩の形態の基とされた高分子電解質を得た。得られた高分子電解質を、NMPに約30重量%の濃度となるように溶解させて、高分子電解質溶液を調製した。次いで、この高分子電解質溶液をガラス板上に滴下した。それから、ワイヤーコーターを用いて、この高分子電解質溶液をガラス板上に均一に塗り広げた。この際、0.2mmクリアランスのワイヤーコーターを用いて塗工厚みをコントロールした。塗布後、高分子電解質溶液を80℃で常圧乾燥して、低吸水膜を得た。この低吸水膜のイオン交換容量を測定したところ、0.0meq/gであり、ほぼ全量のスルホン酸基の水素イオンがベンジルトリメチルアンモニウムイオンで置換されていた(塩置換率:約100%)。また、吸水率を測定したところ、52%であった。
Example 4
2 g of the polymer electrolyte obtained in Production Example 2 was immersed in 500 mL of a 0.1 mol / L benzyltrimethylammonium chloride aqueous solution and stirred with a stirrer for 2 hours. The mixture after stirring was separated by filtration and dried at 80 ° C. for 12 hours to obtain a polymer electrolyte in which the sulfonic acid group was converted into a salt form with benzyltrimethylammonium ions. The obtained polymer electrolyte was dissolved in NMP to a concentration of about 30% by weight to prepare a polymer electrolyte solution. Next, this polymer electrolyte solution was dropped on a glass plate. Then, using a wire coater, the polymer electrolyte solution was uniformly spread on a glass plate. At this time, the coating thickness was controlled using a 0.2 mm clearance wire coater. After coating, the polymer electrolyte solution was dried at 80 ° C. under normal pressure to obtain a low water absorption film. When the ion exchange capacity of this low water absorption membrane was measured, it was 0.0 meq / g, and almost all of the hydrogen ions of the sulfonic acid group were substituted with benzyltrimethylammonium ions (salt substitution rate: about 100%). Further, the water absorption was measured and found to be 52%.

引き続き、特開2004−089976号公報に記載の方法に準拠し、上記低吸水膜の片面の中央部の5.2cm角の領域に触媒インクを塗布した。吐出口から膜までの距離は6cm、ステージ温度は75℃に設定した。8回の重ね塗りをした後、ステージ上に15分間放置して、溶媒を除去し、触媒層を形成させた。もう一方の面にも同様に触媒インクを塗布し、触媒層を形成した。触媒層の組成と塗布した重量から、片面あたり0.6mg/cm2の白金が配置された、(低吸水)膜―触媒層接合体を得た。この(低吸水)膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視で皺の発生は認められなかった。 Subsequently, in accordance with the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-089976, a catalyst ink was applied to a 5.2 cm square region at the center of one side of the low water absorption film. The distance from the discharge port to the film was set to 6 cm, and the stage temperature was set to 75 ° C. After eight times of overcoating, the mixture was left on the stage for 15 minutes to remove the solvent and form a catalyst layer. Similarly, the catalyst ink was applied to the other surface to form a catalyst layer. From the composition of the catalyst layer and the applied weight, a (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly in which 0.6 mg / cm 2 of platinum was disposed on one side was obtained. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of this (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly, no wrinkle was observed visually.

実施例5
1.0mol/Lの塩化カルシウム水溶液に替えて、0.5mol/L塩化銅(II)水溶液を使用する以外は、実施例1と同様にして(低吸水)膜−触媒層接合体を得た。触媒インクを塗布する前の低吸水膜のイオン交換容量は1.4meq/g(塩置換率:約26%)、吸水率は63%であった。また、触媒インクを用いて得られた触媒層は、片面当り0.6mg/cm2の白金が配置されていた。この(低吸水)膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視で皺の発生は認められなかった。
Example 5
A membrane-catalyst layer assembly was obtained in the same manner as in Example 1 (low water absorption) except that a 0.5 mol / L copper (II) chloride aqueous solution was used instead of the 1.0 mol / L calcium chloride aqueous solution. . The ion exchange capacity of the low water absorption membrane before applying the catalyst ink was 1.4 meq / g (salt substitution rate: about 26%), and the water absorption rate was 63%. The catalyst layer obtained using the catalyst ink had 0.6 mg / cm 2 of platinum arranged on one side. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of this (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly, no wrinkle was observed visually.

実施例6
1.0mol/Lの塩化カルシウム水溶液に替えて、6.9×10-4mol/L塩化カルシウム水溶液を使用する以外は、実施例1と同様にして(低吸水)膜−触媒層接合体を得た。触媒インクを塗布する前の低吸水膜のイオン交換容量は0.25meq/g(塩置換率:約87%)、吸水率は65%であった。また、触媒インクを用いて得られた触媒層は、片面当り0.6mg/cm2の白金が配置されていた。この(低吸水)膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視で皺の発生は認められなかった。
Example 6
A membrane-catalyst layer assembly was prepared in the same manner as in Example 1 (low water absorption) except that a 6.9 × 10 −4 mol / L calcium chloride aqueous solution was used instead of the 1.0 mol / L calcium chloride aqueous solution. Obtained. The ion-exchange capacity of the low water absorption film before the application of the catalyst ink was 0.25 meq / g (salt substitution rate: about 87%), and the water absorption rate was 65%. The catalyst layer obtained using the catalyst ink had 0.6 mg / cm 2 of platinum arranged on one side. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of this (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly, no wrinkle was observed visually.

製造例5[高分子電解質膜の製造]
重合は、Dean−Stark管を取り付けた2mLセパラブルフラスコを用いて行った。フラスコにヒドロキノンスルホン酸カリウム 13.04g(56.95mmol)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル23.50g(125.39mmol)、炭酸カリウム27.27g(200.58mmol)、3,3’−スルホニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸カリウム)34.71 g(68.34mmol)、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン29.35g(114.00mmol)をとり、DMSO395mlおよびトルエン70mlを仕込んだ。その後、アルゴン雰囲気下、バス温170℃(内温140±5℃)で3時間共沸脱水を行った。3時間後、トルエンを系外に除去し、さらに内温150℃で3時間反応を行った。反応はGPC測定により追跡した。反応終了後、反応溶液を80℃まで放冷し、3Lの2N塩酸水溶液に滴下した。析出した白色のポリマーを濾過し、洗浄濾液のpHが約7になるまで水洗し、その後80℃の水で2時間処理する工程を二回行った。オーブン(80℃)で乾燥して白色透明のポリマーを81.60gを得た。続いて、製造例3と同様にして、高分子電解質膜を得た。
Production Example 5 [Production of polymer electrolyte membrane]
The polymerization was performed using a 2 mL separable flask fitted with a Dean-Stark tube. In a flask, 13.04 g (56.95 mmol) of potassium hydroquinonesulfonate, 23.50 g (125.39 mmol) of 4,4′-dihydroxybiphenyl, 27.27 g (200.58 mmol) of potassium carbonate, 3,3′-sulfonylbis ( (Potassium 6-fluorobenzenesulfonate) 34.71 g (68.34 mmol) and 4,4′-difluorodiphenylsulfone 29.35 g (114.00 mmol) were taken, and DMSO 395 ml and toluene 70 ml were charged. Thereafter, azeotropic dehydration was carried out in an argon atmosphere at a bath temperature of 170 ° C. (internal temperature 140 ± 5 ° C.) for 3 hours. After 3 hours, toluene was removed from the system, and the reaction was further performed at an internal temperature of 150 ° C. for 3 hours. The reaction was followed by GPC measurement. After completion of the reaction, the reaction solution was allowed to cool to 80 ° C. and added dropwise to 3 L of 2N aqueous hydrochloric acid. The precipitated white polymer was filtered, washed with water until the pH of the washing filtrate was about 7, and then treated with 80 ° C. water for 2 hours twice. It was dried in an oven (80 ° C.) to obtain 81.60 g of a white transparent polymer. Subsequently, a polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Production Example 3.

実施例7
製造例5で得られた高分子電解質膜のイオン交換容量を測定したところ、2.0meq/gであった。この高分子電解質膜を、実施例1と同様にして(低吸水)膜−触媒層接合体を得た。触媒インクを塗布する前の低吸水膜のイオン交換容量は0.0meq/g(塩置換率:約100%)、吸水率は45%であった。また、触媒インクを用いて得られた触媒層は、片面当り0.6mg/cm2の白金が配置されていた。この(低吸水)膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視で皺の発生は認められなかった。
Example 7
The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane obtained in Production Example 5 was measured and found to be 2.0 meq / g. A membrane-catalyst layer assembly of this polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 (low water absorption). The ion-exchange capacity of the low water absorption membrane before applying the catalyst ink was 0.0 meq / g (salt substitution rate: about 100%), and the water absorption rate was 45%. The catalyst layer obtained using the catalyst ink had 0.6 mg / cm 2 of platinum arranged on one side. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of this (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly, no wrinkle was observed visually.

比較例1
製造例3で得られた高分子電解質膜について、1.0mol/Lの塩化カルシウム水溶液への浸漬とそれに続く水洗処理をしない以外は、実施例1と同様にして膜−触媒層接合体を得た。触媒インクを塗布する前の高分子電解質膜のイオン交換容量は1.9meq/g(塩置換率:1%以下)、吸水率は124%であった。また、触媒インクを用いて得られた触媒層は、片面当り0.6mg/cm2の白金が配置されていた。この膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視でも皺の発生が明確に認められた。
Comparative Example 1
About the polymer electrolyte membrane obtained in Production Example 3, a membrane-catalyst layer assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane was not immersed in a 1.0 mol / L calcium chloride aqueous solution and then washed with water. It was. The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane before applying the catalyst ink was 1.9 meq / g (salt substitution rate: 1% or less), and the water absorption rate was 124%. The catalyst layer obtained using the catalyst ink had 0.6 mg / cm 2 of platinum arranged on one side. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly, wrinkles were clearly observed visually.

比較例2
製造例5で得られた高分子電解質膜について、1.0mol/Lの塩化カルシウム水溶液への浸漬とそれに続く水洗処理をしない以外は、実施例1と同様にして膜−触媒層接合体を得た。触媒インクを塗布する前の高分子電解質膜のイオン交換容量は2.0meq/g(塩置換率:1%以下)、吸水率は122%であった。また、触媒インクを用いて得られた触媒層は、片面当り0.6mg/cm2の白金が配置されていた。この膜−触媒層接合体の触媒層周辺部に近接する高分子電解質膜には、目視でも皺の発生が明確に認められた。
Comparative Example 2
About the polymer electrolyte membrane obtained in Production Example 5, a membrane-catalyst layer assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane was not immersed in a 1.0 mol / L calcium chloride aqueous solution and then washed with water. It was. The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane before applying the catalyst ink was 2.0 meq / g (salt substitution rate: 1% or less), and the water absorption rate was 122%. The catalyst layer obtained using the catalyst ink had 0.6 mg / cm 2 of platinum arranged on one side. In the polymer electrolyte membrane adjacent to the periphery of the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly, wrinkles were clearly observed visually.

Figure 2007305577
1) 比較例1(塩置換率1%以下)の吸水率を1としたとき、実施例1〜6の低吸水膜の吸水率を対比して表す。
2) 比較例2(塩置換率1%以下)の吸水率を1としたとき、実施例7の低吸水膜の吸水率を対比して表す。
Figure 2007305577
1) When the water absorption rate of Comparative Example 1 (salt substitution rate of 1% or less) is 1, the water absorption rates of the low water absorption membranes of Examples 1 to 6 are shown in comparison.
2) When the water absorption rate of Comparative Example 2 (salt substitution rate of 1% or less) is 1, the water absorption rate of the low water absorption film of Example 7 is shown in comparison.

実施例8
実施例1で得られた(低吸水)膜−触媒層接合体を500mLの1規定硫酸水溶液に6時間浸漬し、イオン交換水で洗浄し、常温で乾燥させることで、高分子電解質膜にあるほぼ全てのスルホン酸基を遊離のスルホン酸基に変換したところ、高分子電解質膜の触媒層周辺部に皺は発生しなかった。このようにして得た膜−触媒層接合体(MEA)から、市販のJARI標準セルを用いて燃料電池セルを製造した。すなわち、前記で得られた膜−電極接合体の両外側に、ガス拡散層としてカーボンクロスと、ガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレータを配し、さらにその外側に集電体およびエンドプレートを順に配置し、これらをボルトで締め付けることによって、有効膜面積25cm2の燃料電池セルを組み立てた。
Example 8
The (low water absorption) membrane-catalyst layer assembly obtained in Example 1 is immersed in 500 mL of 1N sulfuric acid aqueous solution for 6 hours, washed with ion-exchanged water, and dried at room temperature, thereby being in the polymer electrolyte membrane. When almost all of the sulfonic acid groups were converted to free sulfonic acid groups, no soot was generated around the catalyst layer of the polymer electrolyte membrane. From the membrane-catalyst layer assembly (MEA) thus obtained, a fuel cell was produced using a commercially available JARI standard cell. That is, on both outer sides of the membrane-electrode assembly obtained above, a carbon cloth as a gas diffusion layer and a carbon separator in which a groove for a gas passage is cut are disposed, and further, a current collector and an end are disposed on the outer side. plates were placed in this order, by tightening these with a bolt to assemble the effective membrane area of 25 cm 2 fuel cell.

得られた燃料電池セルを80℃に保ちながら、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気をそれぞれ供給した。その際、セルのガス出口における背圧が0.1MPaGとなるようにした。各原料ガスの加湿は、バブラーにガスを通すことで行い、水素用バブラーの水温は80℃、空気用バブラーの水温は80℃とした。ここで、水素のガス流量は529mL/min、空気のガス流量は1665mL/minとした。発電試験の結果、電流密度2.0A/cm2におけるセル電圧は0.37Vであり、この燃料電池セルは高い発電性能を示すことが判明した。 While maintaining the obtained fuel cell at 80 ° C., humidified hydrogen was supplied to the anode and humidified air was supplied to the cathode. At that time, the back pressure at the gas outlet of the cell was set to 0.1 MPaG. Each source gas was humidified by passing the gas through a bubbler. The water temperature of the hydrogen bubbler was 80 ° C., and the water temperature of the air bubbler was 80 ° C. Here, the hydrogen gas flow rate was 529 mL / min, and the air gas flow rate was 1665 mL / min. As a result of the power generation test, the cell voltage at a current density of 2.0 A / cm 2 was 0.37 V, and this fuel cell was found to exhibit high power generation performance.

実施例9〜14
実施例2〜7で得られた(低吸水)膜−触媒層接合体を、実施例8と同様に大過剰の1規定硫酸水溶液に浸漬すると、該低吸水膜中の、塩の形態の基はいずれも、遊離のスルホン酸基に戻すことができ、このようにして得られる膜−電極接合体(MEA)は高分子電解質膜の触媒層周辺部に皺の発生は認められないMEAとなる。なお、大過剰の硫酸水溶液を80℃程度に加温すると、より速く遊離のスルホン酸基に戻すことができる。
このようにして得られるMEAは、イオン(プロトン)伝導性に優れ、さらに皺発生による出力性能の低下もないため、燃料電池に好適に用いることができる。
Examples 9-14
When the membrane-catalyst layer assembly obtained in Examples 2 to 7 was immersed in a large excess of 1N sulfuric acid aqueous solution in the same manner as in Example 8, the salt-form group in the low water absorption membrane was obtained. Can be returned to free sulfonic acid groups, and the membrane-electrode assembly (MEA) thus obtained becomes MEA in which no generation of soot is observed in the periphery of the catalyst layer of the polymer electrolyte membrane. . In addition, when a large excess of sulfuric acid aqueous solution is heated to about 80 ° C., it can be returned to the free sulfonic acid group more quickly.
The MEA obtained in this way is excellent in ion (proton) conductivity, and further has no deterioration in output performance due to generation of soot, and therefore can be suitably used for a fuel cell.

本発明の製造方法にて得られたMEAを備える燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of a fuel cell provided with MEA obtained by the manufacturing method of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、12…高分子電解質膜、14a,14b…触媒層、16a,16b…
ガス拡散層、18a,18b…セパレータ、20…MEA。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 12 ... Polymer electrolyte membrane, 14a, 14b ... Catalyst layer, 16a, 16b ...
Gas diffusion layer, 18a, 18b ... separator, 20 ... MEA.

Claims (10)

高分子電解質膜製造用の炭化水素系高分子電解質に、下記に示す低吸水化処理を行った処理物を得た後、当該処理物を製膜して低吸水膜を製造し、次いで得られた低吸水膜の少なくとも片面に、触媒物質と溶媒とを含む触媒インクを直接塗布し、該溶媒を揮発させて触媒層を形成することを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
[低吸水化処理]
塩置換率が1%以下の高分子電解質膜としたとき下式で求められる吸水率を、10%以上減少させる処理。
吸水率(重量%)=100×(W1−W2)/W2 ・・・数式1
(上式中、W1は当該膜を飽和吸水させたときの重量(飽和吸水重量)を表し、W2は当該膜の乾燥重量を表す。)
A hydrocarbon polymer electrolyte for production of a polymer electrolyte membrane was obtained by performing the treatment for reducing water absorption shown below, and then producing the low water absorption membrane by forming the treatment product into a film. A method for producing a membrane-electrode assembly, wherein a catalyst ink containing a catalyst substance and a solvent is directly applied to at least one surface of the low water absorption membrane, and the solvent is volatilized to form a catalyst layer.
[Low water absorption treatment]
A treatment that reduces the water absorption obtained by the following formula by 10% or more when the polymer electrolyte membrane has a salt substitution rate of 1% or less.
Water absorption rate (% by weight) = 100 × (W1-W2) / W2 Formula 1
(W1 represents the weight (saturated water absorption weight) when the membrane is saturatedly absorbed, and W2 represents the dry weight of the membrane.)
高分子電解質膜製造用の炭化水素系高分子電解質を製膜して得られた高分子電解質膜に、下記に示す低吸水処理を行って低吸水膜を製造し、次いで得られた低吸水膜の少なくとも片面に、触媒物質と溶媒とを含む触媒インクを直接塗布し、該溶媒を揮発させて触媒層を形成することを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
[低吸水化処理]
塩置換率が1%以下の高分子電解質膜としたとき下式で求められる吸水率を、10%以上減少させる処理。
吸水率(重量%)=100×(W1−W2)/W2 ・・・数式1
(上式中、W1は当該膜を飽和吸水させたときの重量(飽和吸水重量)を表し、W2は当該膜の乾燥重量を表す。)
The polymer electrolyte membrane obtained by forming a hydrocarbon polymer electrolyte for producing a polymer electrolyte membrane is subjected to the following low water absorption treatment to produce a low water absorption membrane, and then the obtained low water absorption membrane A method for producing a membrane-electrode assembly, wherein a catalyst ink containing a catalyst substance and a solvent is directly applied to at least one side of the substrate, and the solvent is volatilized to form a catalyst layer.
[Low water absorption treatment]
A treatment that reduces the water absorption obtained by the following formula by 10% or more when the polymer electrolyte membrane has a salt substitution rate of 1% or less.
Water absorption rate (% by weight) = 100 × (W1-W2) / W2 Formula 1
(W1 represents the weight (saturated water absorption weight) when the membrane is saturatedly absorbed, and W2 represents the dry weight of the membrane.)
上記低吸水化処理が、塩置換率が1%以下の高分子電解質膜としたとき数式1で求められる吸水率を、30%以上減少させる処理であることを特徴とする、請求項1または2に記載の膜−電極接合体の製造方法。   The low water absorption treatment is a treatment for reducing the water absorption obtained by Formula 1 by 30% or more when a polymer electrolyte membrane having a salt substitution rate of 1% or less is used. The manufacturing method of the membrane-electrode assembly as described in 1 above. 上記炭化水素系高分子電解質が、塩置換率が1%以下の高分子電解質膜としたとき数式1で求められる吸水率が80重量%以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。   The water-absorbing rate calculated | required by Numerical formula 1 is 80 weight% or more when the said hydrocarbon polymer electrolyte is made into a polymer electrolyte membrane with a salt substitution rate of 1% or less, The claim 1 in any one of Claims 1-3. A method for producing a membrane-electrode assembly. さらに、触媒層形成後の低吸水膜の吸水率を向上させることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。   Furthermore, the water absorption rate of the low water absorption film | membrane after catalyst layer formation is improved, The manufacturing method of the membrane-electrode assembly in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 上記低吸水膜が、塩置換率が50%以上の高分子電解質からなる膜であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。   6. The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the low water absorption membrane is a membrane made of a polymer electrolyte having a salt substitution rate of 50% or more. 上記触媒インクを、スプレー法を用いて低吸水膜に直接塗布することを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the catalyst ink is directly applied to a low water absorption film using a spray method. 上記炭化水素系高分子電解質のイオン交換基が酸性基であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 7, wherein the ion exchange group of the hydrocarbon-based polymer electrolyte is an acidic group. 請求項1〜8のいずれかの製造方法により得られる、膜−電極接合体。   A membrane-electrode assembly obtained by the production method according to claim 1. 一対のセパレータと、該一対のセパレータ間に配置された膜−電極接合体とを備えた固体高分子形燃料電池であって、該膜−電極接合体が請求項9に記載の膜−電極接合体である、固体高分子型燃料電池。   10. A polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of separators and a membrane-electrode assembly disposed between the pair of separators, wherein the membrane-electrode assembly is the membrane-electrode assembly according to claim 9. A solid polymer fuel cell.
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