JP2008112598A - Membrane-electrode assembly for fuel cell - Google Patents

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Toshiaki Kusakari
俊明 草刈
Naoki Takehiro
直樹 竹広
Takumi Taniguchi
拓未 谷口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell excellent in adhesion between an electrolyte membrane and a catalyst layer and high in power generation performance. <P>SOLUTION: The membrane-electrode assembly includes a hydrocarbon polymer electrolyte membrane 1 and catalyst layers 4a, 4b arranged on both surfaces of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane and containing a catalyst and a first fluorinated polymer electrolyte, and an intermediate layer 9 interposing between the hydrocarbon polymer electrolyte membrane and at least one catalyst layer, and the intermediate layer contains a second fluorinated polymer electrolyte and a polymer A having a glass transition temperature of 100°C-150°C and containing no proton acid group. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用膜・電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane / electrode assembly for a fuel cell.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as being easy to downsize and operating at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.

固体高分子電解質型燃料電池において、アノード(燃料極)では(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e ・・・(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。
一方、カソードでは(2)式の反応が進行する。
4H + O + 4e → 2HO ・・・(2)
In the solid polymer electrolyte fuel cell, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode (fuel electrode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode (oxidant electrode) after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves in the solid polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side by electroosmosis while being hydrated with water.
On the other hand, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode.
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (2)

固体高分子電解質膜(以下、高分子電解質膜ということがある)としては、プロトン伝導性や化学的安定性など電解質膜に要求される特性に優れることから、従来、Nafion(商品名、デュポン製)やアシプレックス(商品名、旭化成製)、フレミオン(商品名、旭硝子製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系高分子電解質膜が賞用されてきた。   As solid polymer electrolyte membranes (hereinafter sometimes referred to as polymer electrolyte membranes), Nafion (trade name, manufactured by DuPont) has been used since it has excellent properties required for electrolyte membranes such as proton conductivity and chemical stability. ), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei) and Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), and other fluoropolymer electrolyte membranes such as perfluorocarbon sulfonic acid resin membranes have been used.

しかしながら、フッ素系高分子電解質膜は非常に高価であり、燃料電池のコスト削減を阻む要因の1つとなっている。また、フッ素系高分子電解質膜は、フッ素を含有していることから、環境負荷が大きいという問題もある。そこで、フッ素系高分子電解質膜よりも安価であり、フッ素含有量が少ない高分子電解質膜の研究開発が進められている。例えば、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)等の炭化水素系高分子にスルホン酸基やカルボキシル基、リン酸基等のプロトン伝導性基を導入した炭化水素系高分子電解質を用いたものが挙げられる。   However, the fluorine-based polymer electrolyte membrane is very expensive and is one of the factors hindering the cost reduction of the fuel cell. Further, since the fluorine-based polymer electrolyte membrane contains fluorine, there is also a problem that the environmental load is large. Therefore, research and development of polymer electrolyte membranes that are less expensive than fluorine-based polymer electrolyte membranes and have a low fluorine content are underway. For example, proton conducting groups such as sulfonic acid groups, carboxyl groups, and phosphoric acid groups on hydrocarbon polymers such as polyether ether ketone (PEEK), polyether ketone, polyether sulfone (PES), and polyphenylene sulfide (PPS). The thing using the hydrocarbon type polymer electrolyte which introduce | transduced is mentioned.

通常、高分子電解質膜の両面に設けられる電極(通常、触媒層)にも、電極内におけるプロトン伝導性の確保、高分子電解質膜と電極の接合性の確保、電極に含有される触媒粒子等の結着性の確保、等を目的として、高分子電解質が含有される。
一般的には、電極用高分子電解質として、高分子電解質膜と同一又は同質の高分子電解質を用いることによって、高分子電解質膜と触媒層(電極)間に充分な接合性が得られる。つまり、炭化水素系高分子電解質膜の場合は炭化水素系高分子電解質、フッ素系高分子電解質膜の場合はフッ素系高分子電解質を用いることで、高分子電解質膜と電極との接合性を確保することができる。
Usually, the electrodes (usually the catalyst layers) provided on both surfaces of the polymer electrolyte membrane also ensure proton conductivity in the electrode, ensure the bondability between the polymer electrolyte membrane and the electrode, catalyst particles contained in the electrode, etc. A polymer electrolyte is contained for the purpose of securing the binding property of the resin.
In general, by using a polymer electrolyte that is the same as or the same as the polymer electrolyte membrane as the polymer electrolyte for electrodes, sufficient bondability can be obtained between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer (electrode). In other words, the hydrocarbon polymer electrolyte membrane is used in the case of hydrocarbon polymer electrolyte membranes, and the fluorine polymer electrolyte is used in the case of fluorine polymer electrolyte membranes, thereby ensuring the bondability between the polymer electrolyte membrane and the electrode. can do.

特開2004−253399号公報JP 2004-253399 A 特開2004−335270号公報JP 2004-335270 A

電極用高分子電解質として、炭化水素系高分子電解質を用いる場合、一般的に炭化水素系高分子電解質は、フッ素系高分子電解質に比べて酸素透過性に劣るため、触媒層におけるガス拡散を阻害しやすい。また、炭化水素系高分子電解質の分子構造の一部や溶媒として用いる有機溶媒がPt等の触媒に強固に吸着し、触媒活性が低下してしまうおそれがある。この観点から、電極用高分子電解質としては、フッ素系高分子電解質が好適であると考えられる。
そこで、燃料電池のコスト削減と、触媒層のガス拡散性、さらに、触媒活性の観点から、炭化水素系高分子電解質膜とフッ素系高分子電解質(電極用高分子電解質)とを組み合わせて用いることが検討されている。
When using a hydrocarbon-based polymer electrolyte as the polymer electrolyte for electrodes, the hydrocarbon-based polymer electrolyte is generally inferior in oxygen permeability to the fluorine-based polymer electrolyte, thus inhibiting gas diffusion in the catalyst layer. It's easy to do. In addition, part of the molecular structure of the hydrocarbon-based polymer electrolyte and an organic solvent used as a solvent may be strongly adsorbed on a catalyst such as Pt, and the catalytic activity may be reduced. From this viewpoint, it is considered that a fluorine-based polymer electrolyte is suitable as the polymer electrolyte for electrodes.
Therefore, a combination of a hydrocarbon polymer electrolyte membrane and a fluorine polymer electrolyte (polymer electrolyte for electrodes) is used from the viewpoint of cost reduction of the fuel cell, gas diffusibility of the catalyst layer, and catalytic activity. Is being considered.

しかしながら、このように炭化水素系高分子電解質膜と、電極用高分子電解質としてフッ素系高分子電解質とを組み合わせる場合、電解質膜と触媒層の接合性が不十分になる傾向がある。   However, when the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is combined with the fluorine-based polymer electrolyte as the electrode polymer electrolyte in this way, the bondability between the electrolyte membrane and the catalyst layer tends to be insufficient.

炭化水素系高分子電解質膜とフッ素系高分子電解質を含有する触媒層との接合性を確保するためには、炭化水素系高分子電解質とフッ素系高分子電解質とを同時に軟化させる必要があるが、炭化水素系高分子電解質はガラス転移点が高く、加熱により軟化しにくいため、炭化水素系高分子電解質膜とフッ素系高分子電解質を含有する触媒層とを加熱によって融着することが困難である。炭化水素系高分子電解質膜を充分に軟化させる程に高温で加熱圧着すると、フッ素系高分子電解質が分解したり、或いは、フッ素系高分子電解質又は炭化水素系高分子電解質のプロトン伝導性基が脱離してしまう可能性が高い。また、触媒が共存する条件下では、炭化水素系高分子電解質のガラス転移温度ほどの高温に加熱しなくても、炭化水素系高分子電解質やフッ素系高分子電解質の分解が進行してしまう傾向がある。   In order to ensure the bonding between the hydrocarbon polymer electrolyte membrane and the catalyst layer containing the fluorine polymer electrolyte, it is necessary to simultaneously soften the hydrocarbon polymer electrolyte and the fluorine polymer electrolyte. Hydrocarbon polymer electrolytes have a high glass transition point and are not easily softened by heating. Therefore, it is difficult to fuse a hydrocarbon polymer electrolyte membrane and a catalyst layer containing a fluorine polymer electrolyte by heating. is there. When the thermocompression bonding of the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is carried out at a high temperature to sufficiently soften, the fluorine-based polymer electrolyte is decomposed or the proton-conducting group of the fluorine-based polymer electrolyte or the hydrocarbon-based polymer electrolyte is changed. There is a high possibility of detachment. Also, under the conditions where the catalyst coexists, the decomposition of the hydrocarbon polymer electrolyte and the fluorine polymer electrolyte tends to proceed without heating to a temperature as high as the glass transition temperature of the hydrocarbon polymer electrolyte. There is.

さらに、フッ素系高分子電解質を含有する触媒層は、膨潤時の寸法変化が等方的、すなわち、厚み方向と面方向において同等であるのに対して、炭化水素系高分子電解質膜は、膨潤時の寸法変化が厚み方向で大きく、面方向においてはほとんど寸法変化しないという傾向がある。従って、燃料電池の作動条件下のような高湿潤条件において、炭化水素系高分子電解質膜及びフッ素系高分子電解質を含有する触媒層が膨潤した際、フッ素系高分子電解質を含有する触媒層の面方向における寸法変化に炭化水素系高分子電解質膜が追従できず、電解質膜と触媒層の剥離が生じてしまう。   Furthermore, the catalyst layer containing the fluorine-based polymer electrolyte is isotropic in dimensional change at the time of swelling, that is, in the thickness direction and the surface direction, whereas the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is swollen. There is a tendency that the dimensional change at the time is large in the thickness direction and hardly changes in the surface direction. Therefore, when the catalyst layer containing the hydrocarbon polymer electrolyte membrane and the fluorine polymer electrolyte swells under high humidity conditions such as the operating condition of the fuel cell, the catalyst layer containing the fluorine polymer electrolyte The hydrocarbon polymer electrolyte membrane cannot follow the dimensional change in the surface direction, and the electrolyte membrane and the catalyst layer are peeled off.

電解質膜と触媒層との接合性は、電解質膜−触媒層間のプロトン伝導性及び水の移動性に大きく影響し、燃料電池の性能向上及び性能安定の観点から非常に重要であるため、炭化水素系電解質樹脂膜とフッ素系電解質樹脂を含む触媒層との接合性を向上させることが望まれる。   The bondability between the electrolyte membrane and the catalyst layer greatly affects the proton conductivity and water mobility between the electrolyte membrane and the catalyst layer, and is very important from the viewpoint of improving the performance and stabilizing the performance of the fuel cell. It is desired to improve the bondability between the electrolyte electrolyte resin membrane and the catalyst layer containing the fluorine electrolyte resin.

特許文献1では、電極表面と電解質膜との界面における密着性を高めることを目的として、第一の固体高分子電解質及び触媒物質を含む触媒電極と、固体高分子電解質膜と、前記触媒電極と前記固体高分子電解質膜との間に設けられ、第二の高分子電解質を含む接着層と、を有する燃料電池が提案されている。特許文献1には、接着層に第二の高分子電解質の他、第一の高分子電解質等の高分子電解質を含有させてもよいとの記載があるが、高分子電解質のみで形成した接着層は、燃料電池作動時等、水を吸収した際に大きく膨潤し、電解質膜と電極から剥離する可能性がある。   In Patent Document 1, for the purpose of enhancing the adhesion at the interface between the electrode surface and the electrolyte membrane, a catalyst electrode containing a first solid polymer electrolyte and a catalyst substance, a solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst electrode, A fuel cell having an adhesive layer including a second polymer electrolyte provided between the solid polymer electrolyte membrane has been proposed. In Patent Document 1, there is a description that the adhesive layer may contain a polymer electrolyte such as the first polymer electrolyte in addition to the second polymer electrolyte, but the adhesive formed only by the polymer electrolyte. The layer may swell greatly when water is absorbed, such as when the fuel cell is operated, and may peel off from the electrolyte membrane and the electrode.

また、特許文献2では、電解質膜と電極の接着性が強い膜・電極接合体を提供することを目的として、固体高分子電解質膜が少なくともガラス転移温度が140℃以上の高分子(A)及びガラス転移温度が140℃未満の高分子(B)の混合物からなり、前記高分子(A)が非フッ素系炭化水素系高分子である固体高分子型燃料電池が提案されている。しかしながら、特許文献2では、電解質膜内にプロトン伝導性を有していない高分子を含有させており、十分なプロトン伝導性が得られないおそれがある。また、高分子(A)と高分子(B)の分散性が悪いと、膜内で高分子(A)と高分子(B)が偏在するおそれがあり、電解質膜の面内若しくは厚み方向においてプロトン伝導性を示す部分と示さない部分とが分布する可能性もある。   Further, in Patent Document 2, for the purpose of providing a membrane / electrode assembly having strong adhesion between an electrolyte membrane and an electrode, the polymer electrolyte (A) having a solid polymer electrolyte membrane having at least a glass transition temperature of 140 ° C. or higher There has been proposed a solid polymer fuel cell comprising a mixture of polymers (B) having a glass transition temperature of less than 140 ° C., wherein the polymer (A) is a non-fluorinated hydrocarbon polymer. However, in Patent Document 2, a polymer that does not have proton conductivity is included in the electrolyte membrane, and there is a possibility that sufficient proton conductivity may not be obtained. Further, when the dispersibility of the polymer (A) and the polymer (B) is poor, the polymer (A) and the polymer (B) may be unevenly distributed in the film, and in the plane of the electrolyte film or in the thickness direction. There is also a possibility that a portion showing proton conductivity and a portion not showing are distributed.

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、電解質膜と触媒層間の接合性に優れ、高い発電性能を有する燃料電池用膜・電極接合体を提供することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly for a fuel cell that has excellent bondability between an electrolyte membrane and a catalyst layer and has high power generation performance.

本発明の燃料電池用膜・電極接合体は、炭化水素系高分子電解質膜と、該炭化水素系高分子電解質膜の両面に設けられ、且つ、触媒及び第一のフッ素系高分子電解質を含有する触媒層とを備える燃料電池用膜・電極接合体であって、前記炭化水素系高分子電解質膜と少なくとも一方の前記触媒層との間に介在する中間層を備え、該中間層が、第二のフッ素系高分子電解質と、ガラス転移温度が100℃〜150℃であり、且つ、プロトン酸基を有していない高分子Aと、を含有することを特徴とするものである。   The fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention is provided with a hydrocarbon polymer electrolyte membrane and both surfaces of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, and contains a catalyst and a first fluorine polymer electrolyte. A fuel cell membrane / electrode assembly comprising an intermediate layer interposed between the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane and at least one of the catalyst layers, the intermediate layer comprising: It contains a second fluorine-based polymer electrolyte and a polymer A having a glass transition temperature of 100 ° C. to 150 ° C. and having no proton acid group.

本発明の膜・電極接合体は、以上のような中間層を設けることによって、第二のフッ素系高分子電解質により中間層のプロトン伝導性を確保しつつ、前記高分子Aにより前記炭化水素系高分子電解質膜と前記触媒層間の接合性向上を実現するものである。さらに、前記高分子A及びフッ素系高分子電解質を含有する中間層を、前記炭化水素系高分子電解質膜とフッ素系高分子電解質を含有する前記触媒層との間に介在させることによって、該電解質膜と該触媒層が膨潤した際の接合面面方向における寸法変化の差を緩和し、電解質膜と触媒層間の剥離を防止することができる。
従って、本発明によれば、長期間にわたって電解質膜と触媒層間の接合性が確保され、優れたプロトン伝導性及び水移動性を示し、高い発電性能を発現する燃料電池用膜・電極接合体を得ることができる。
The membrane / electrode assembly of the present invention is provided with the above-described intermediate layer, thereby ensuring the proton conductivity of the intermediate layer with the second fluorine-based polymer electrolyte, and the hydrocarbon-based with the polymer A. This achieves improvement in the bondability between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. Further, an intermediate layer containing the polymer A and a fluorine-based polymer electrolyte is interposed between the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane and the catalyst layer containing a fluorine-based polymer electrolyte, whereby the electrolyte The difference in dimensional change in the bonding surface direction when the membrane and the catalyst layer swell can be alleviated, and separation between the electrolyte membrane and the catalyst layer can be prevented.
Therefore, according to the present invention, there is provided a membrane / electrode assembly for a fuel cell that ensures the bondability between the electrolyte membrane and the catalyst layer over a long period of time, exhibits excellent proton conductivity and water mobility, and exhibits high power generation performance. Obtainable.

中間層による触媒層と電解質膜の接合性の確保と共に、中間層におけるプロトン伝導性の確保という観点から、前記中間層における前記高分子Aの含有量は、該高分子Aと前記第二のフッ素系高分子電解質の合計重量に対して5wt%〜30wt%とすることが好ましい。   From the viewpoint of ensuring the bonding property between the catalyst layer and the electrolyte membrane by the intermediate layer and ensuring the proton conductivity in the intermediate layer, the content of the polymer A in the intermediate layer is such that the polymer A and the second fluorine are contained. The total weight of the polymer electrolyte is preferably 5 wt% to 30 wt%.

前記高分子Aとしては、第二のフッ素系高分子電解質との親和性、及び、フッ素系高分子電解質を含有する触媒層と中間層との接合性の観点から、部分フッ化炭化水素系高分子が好適である。また、ガラス転移温度や中間層の作製容易性の観点からは、高分子Aは、芳香環を含まないことが好ましい。   From the viewpoint of the affinity with the second fluorine-based polymer electrolyte and the bonding property between the catalyst layer containing the fluorine-based polymer electrolyte and the intermediate layer, the polymer A is a partially fluorinated hydrocarbon-based polymer. Molecules are preferred. From the viewpoint of glass transition temperature and ease of production of the intermediate layer, the polymer A preferably does not contain an aromatic ring.

本発明によれば、電解質膜と触媒層間の接合性に優れ、高い発電性能を発現する膜・電極接合体を提供することが可能である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the membrane electrode assembly which is excellent in the joining property between an electrolyte membrane and a catalyst layer, and expresses high power generation performance.

本発明の燃料電池用膜・電極接合体は、炭化水素系高分子電解質膜と、該炭化水素系高分子電解質膜の両面に設けられ、且つ、触媒及び第一のフッ素系高分子電解質を含有する触媒層とを備える燃料電池用膜・電極接合体であって、前記炭化水素系高分子電解質膜と少なくとも一方の前記触媒層との間に介在する中間層を備え、該中間層が、第二のフッ素系高分子電解質と、ガラス転移温度が100℃〜150℃であり、且つ、プロトン酸基を有していない高分子Aと、を含有することを特徴とするものである。   The fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention is provided with a hydrocarbon polymer electrolyte membrane and both surfaces of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, and contains a catalyst and a first fluorine polymer electrolyte. A fuel cell membrane / electrode assembly comprising an intermediate layer interposed between the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane and at least one of the catalyst layers, the intermediate layer comprising: It contains a second fluorine-based polymer electrolyte and a polymer A having a glass transition temperature of 100 ° C. to 150 ° C. and having no proton acid group.

以下、図1を参照しながら本発明により提供される燃料電池用膜・電極接合体(以下、単に膜・電極接合体ということがある)について説明する。図1は、本発明の膜・電極接合体を備える単セルの一実施形態(単セル100)を模式的に示す断面図である。
単セル100は、炭化水素系高分子電解質膜(以下、単にHC系電解質膜ということがある)1の一面側に燃料極(アノード)2、及び酸化剤極(カソード)3が設けられた膜・電極接合体6を有している。燃料極2はHC系電解質膜1と対面する側の面に燃料極側触媒層4aを有し、触媒層4aに隣接して燃料極側ガス拡散層5aが積層された構成となっている。酸化剤極3も同様にHC系電解質膜1と対面する側の面に酸化剤極側触媒層4bを有し、触媒層4bに隣接して酸化剤極側ガス拡散層5bが積層された構成となっている。
Hereinafter, a fuel cell membrane-electrode assembly (hereinafter, simply referred to as a membrane-electrode assembly) provided by the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment (unit cell 100) of a unit cell provided with the membrane-electrode assembly of the present invention.
The unit cell 100 is a membrane in which a fuel electrode (anode) 2 and an oxidant electrode (cathode) 3 are provided on one surface side of a hydrocarbon polymer electrolyte membrane (hereinafter sometimes referred to simply as an HC electrolyte membrane) 1. -It has the electrode assembly 6. The fuel electrode 2 has a fuel electrode side catalyst layer 4a on the surface facing the HC electrolyte membrane 1, and a fuel electrode side gas diffusion layer 5a is laminated adjacent to the catalyst layer 4a. Similarly, the oxidant electrode 3 has an oxidant electrode side catalyst layer 4b on the surface facing the HC electrolyte membrane 1, and an oxidant electrode side gas diffusion layer 5b is laminated adjacent to the catalyst layer 4b. It has become.

各触媒層4(4a、4b)には、各電極(2,3)における電極反応に対して触媒活性を有する触媒と、電極にプロトン伝導性を付与するフッ素系高分子電解質(第一のフッ素系高分子電解質。以下、第一のF系電解質ということがある)が含有される。触媒層中のフッ素系高分子電解質は、プロトン伝導性付与の他、電解質膜と電極の接合性の確保や、触媒の固定化等の機能も有している。
尚、本実施形態において、各電極(燃料極、酸化剤極)は、共に、触媒層とガス拡散層とが積層した構造を有しているが、触媒層のみからなる単層構造であってもよいし、触媒層とガス拡散層の他に機能層を設けた構造でもよい。
Each catalyst layer 4 (4a, 4b) includes a catalyst having catalytic activity for the electrode reaction in each electrode (2, 3), and a fluorine-based polymer electrolyte (first fluorine) that imparts proton conductivity to the electrode. -Based polymer electrolyte (hereinafter sometimes referred to as a first F-based electrolyte). In addition to imparting proton conductivity, the fluorine-based polymer electrolyte in the catalyst layer has functions such as securing the bondability between the electrolyte membrane and the electrode and immobilizing the catalyst.
In this embodiment, each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated, but has a single-layer structure composed of only the catalyst layer. Alternatively, a structure in which a functional layer is provided in addition to the catalyst layer and the gas diffusion layer may be used.

各電極2、3のHC系電解質膜と対面する面を形成し、且つ、第一のF系電解質を含有する燃料極側触媒層4a及び酸化剤極側触媒層4bと、HC系電解質膜1との間には、それぞれ、フッ素系高分子電解質(第二のフッ素系高分子電解質。以下、第二のF系電解質ということがある)と、100℃〜150℃のガラス転移温度を有し、プロトン酸基を有していない高分子A(以下、単に高分子Aということがある)とを含有する中間層9が設けられている。
尚、本実施形態においては、燃料極側触媒層4aとHC系電解質膜1の間(燃料極2とHC系電解質膜1との間)及び酸化剤極側触媒層4bとHC系電解質膜1の間(酸化剤極3とHC系電解質膜1との間)の両方に中間層9が設けられているが、中間層は、燃料極側触媒層4aとHC系電解質膜1との間又は酸化剤極側触媒層4bとHC系電解質膜1との間のどちらか一方のみに設けられていてもよい。
A surface facing each of the electrodes 2 and 3 that faces the HC electrolyte membrane and containing the first F electrolyte, the fuel electrode side catalyst layer 4a and the oxidant electrode side catalyst layer 4b, and the HC electrolyte membrane 1 And a glass transition temperature of 100 ° C. to 150 ° C., respectively, with a fluorine-based polymer electrolyte (second fluorine-based polymer electrolyte; hereinafter sometimes referred to as a second F-based electrolyte). An intermediate layer 9 containing a polymer A having no proton acid group (hereinafter sometimes simply referred to as polymer A) is provided.
In the present embodiment, the fuel electrode side catalyst layer 4a and the HC electrolyte membrane 1 (between the fuel electrode 2 and the HC electrolyte membrane 1) and the oxidant electrode side catalyst layer 4b and the HC electrolyte membrane 1 are used. The intermediate layer 9 is provided in both of the gaps (between the oxidant electrode 3 and the HC electrolyte membrane 1). The intermediate layer is provided between the fuel electrode side catalyst layer 4a and the HC electrolyte membrane 1 or It may be provided only in either one between the oxidant electrode side catalyst layer 4b and the HC electrolyte membrane 1.

この膜・電極接合体6は、二つのセパレータ7a、7bで狭持され、単セル100が構成される。各セパレータ7a、7bの片面には、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝と燃料極2、酸化剤極3の外面とで燃料ガス流路8a、酸化剤ガス流路8bが画成されている。燃料ガス流路8aは、燃料極2に燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させる気体)を供給するための流路であり、酸化剤ガス流路8bは、酸化剤極3に酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)を供給するための流路である。   The membrane / electrode assembly 6 is sandwiched between two separators 7 a and 7 b to form a single cell 100. On one side of each of the separators 7a and 7b, grooves for forming a flow path of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) are provided. The fuel is formed by these grooves and the outer surfaces of the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3. A gas flow path 8a and an oxidant gas flow path 8b are defined. The fuel gas channel 8 a is a channel for supplying a fuel gas (a gas containing hydrogen or generating hydrogen) to the fuel electrode 2, and the oxidant gas channel 8 b is an oxidant gas to the oxidant electrode 3. It is a flow path for supplying (a gas containing or generating oxygen).

本発明の膜・電極接合体のように、電解質膜を構成する高分子電解質がHC系電解質であり、該電解質膜に隣接して設けられる触媒層内に含有される高分子電解質がF系電解質である場合、既述したように、これらHC系電解質膜の軟化性の低さから、従来、電解質膜と触媒層(電極)間の接合性を確保することが困難であった。電解質膜と触媒層間の接合性が悪いと、電解質膜と触媒層との界面におけるプロトン伝導性が低下してセル抵抗が上昇する。さらには、電解質膜と触媒層との間の水移動性が低下し、触媒層内や触媒層と電解質膜との界面に水が滞留することによって、フラッディングやドライアップ等、膜・電極接合体内における水バランスが崩れたり、電解質膜と電極間の剥離が生じたりする。その結果、発電性能の低下だけでなく、耐久性の低下や安定した電力の供給が不可能になるといった問題が起こる。   Like the membrane / electrode assembly of the present invention, the polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane is an HC electrolyte, and the polymer electrolyte contained in the catalyst layer provided adjacent to the electrolyte membrane is an F electrolyte. In this case, as described above, it has been difficult to secure the bonding property between the electrolyte membrane and the catalyst layer (electrode) due to the low softness of these HC electrolyte membranes. If the bonding property between the electrolyte membrane and the catalyst layer is poor, the proton conductivity at the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer is lowered and the cell resistance is increased. Furthermore, water mobility between the electrolyte membrane and the catalyst layer is reduced, and water stays in the catalyst layer or at the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane, thereby causing flooding, dry-up, etc. In this case, the water balance is lost, or separation between the electrolyte membrane and the electrode occurs. As a result, there arises a problem that not only the power generation performance is lowered but also the durability is lowered and stable power supply is impossible.

さらに、F系電解質を含有する触媒層は、膨潤時に等方的に寸法変化を生じるのに対し、HC系電解質膜は、主に厚み方向に寸法変化を生じ、面方向における寸法変化が小さいという傾向がある。すなわち、燃料電池の作動条件のような高湿潤条件下において、HC系電解質膜及びF系電解質を含有する触媒層が膨潤した際、F系高分子電解質を含有する触媒層の面方向における寸法変化にHC系高分子電解質膜が追従できずに、電解質膜と触媒層の剥離が生じやすい。従って、燃料電池内のように高湿潤状態と乾燥状態を繰り返す環境下では、長期間安定した性能を発現することが困難であった。   Furthermore, while the catalyst layer containing the F-based electrolyte undergoes dimensional change isotropically when swollen, the HC-based electrolyte membrane produces a dimensional change mainly in the thickness direction and a small dimensional change in the plane direction. Tend. That is, when the catalyst layer containing the HC-based electrolyte membrane and the F-based electrolyte swells under highly humid conditions such as operating conditions of the fuel cell, the dimensional change in the surface direction of the catalyst layer containing the F-based polymer electrolyte In addition, the HC polymer electrolyte membrane cannot follow, and the electrolyte membrane and the catalyst layer are easily separated. Therefore, in an environment where a highly wet state and a dry state are repeated as in a fuel cell, it has been difficult to exhibit stable performance for a long period of time.

これに対して、本発明の膜・電極接合体は、HC系電解質膜とF系電解質(第一のF系電解質)を含有する触媒層との間に、F系電解質(第二のF系電解質)と特定の高分子Aを含有する中間層を介在させることによって、該HC系電解質膜とF系電解質を含有する触媒層(以下、F系電解質含有触媒層ということがある)との間の接合性向上を実現させた。   In contrast, the membrane / electrode assembly of the present invention has an F-based electrolyte (second F-based electrolyte) between an HC electrolyte membrane and a catalyst layer containing an F-based electrolyte (first F-based electrolyte). Electrolyte) and an intermediate layer containing a specific polymer A are interposed between the HC electrolyte membrane and a catalyst layer containing an F electrolyte (hereinafter sometimes referred to as an F electrolyte containing catalyst layer). Improved bondability.

中間層は、第二のF系電解質によってプロトン伝導性が付与される。また、第二のF系電解質は、第一のF系電解質との親和性が高いことから、高分子Aと共に、第一のF系電解質を含有する触媒層と中間層との接合性向上に貢献する。   The intermediate layer is given proton conductivity by the second F-based electrolyte. In addition, since the second F-based electrolyte has a high affinity with the first F-based electrolyte, it improves the bondability between the catalyst layer containing the first F-based electrolyte and the intermediate layer together with the polymer A. To contribute.

一方、ガラス転移温度が100℃〜150℃である高分子Aは、中間層とHC系電解質膜間及び中間層と触媒層間の接合性を確保するために機能し、その結果、HC系電解質膜とF系電解質を含有する触媒層との接合性が高められる。ガラス転移温度が100〜150℃の高分子を含有する中間層を、HC系電解質膜とF系電解質を含有する触媒層との間に介在させ、加圧と同時に該高分子Aのガラス転移温度以上の温度に加熱することで、該高分子Aが軟化し、中間層と接触するHC系電解質膜及び触媒層と、該中間層とが接着される。このとき、HC系電解質膜が軟化するような高温に加熱しなくても、上記範囲のガラス転移温度を有する高分子Aのガラス転移温度以上に加熱すれば、HC系電解質膜−中間層−触媒層間を接合することができる。   On the other hand, the polymer A having a glass transition temperature of 100 ° C. to 150 ° C. functions to ensure the bondability between the intermediate layer and the HC-based electrolyte membrane and between the intermediate layer and the catalyst layer, and as a result, the HC-based electrolyte membrane. And the catalyst layer containing the F-based electrolyte are enhanced. An intermediate layer containing a polymer having a glass transition temperature of 100 to 150 ° C. is interposed between the HC electrolyte membrane and the catalyst layer containing an F electrolyte, and simultaneously with pressurization, the glass transition temperature of the polymer A By heating to the above temperature, the polymer A is softened, and the HC electrolyte membrane and catalyst layer that are in contact with the intermediate layer are bonded to the intermediate layer. At this time, even if it is not heated to a high temperature at which the HC electrolyte membrane is softened, if it is heated above the glass transition temperature of the polymer A having a glass transition temperature in the above range, the HC electrolyte membrane-intermediate layer-catalyst Interlayers can be joined.

さらに、本発明の膜・電極接合体は、HC系電解質膜とF系電解質を含有する触媒層との間に上記中間層を介在させることで、該電解質膜と該触媒層の膨潤時における剥離防止を実現させた。   Furthermore, the membrane / electrode assembly of the present invention has the intermediate layer interposed between the HC-based electrolyte membrane and the catalyst layer containing the F-based electrolyte, so that the electrolyte membrane and the catalyst layer are peeled at the time of swelling. Prevention was realized.

中間層には、プロトン酸基を有しておらず、HC系電解質やF系電解質と比較して、膨潤性が小さい高分子Aと、膨潤時に等方的な寸法変化を生じさせる第二のフッ素系電解質とが含有されている。従って、膨潤時の面方向における寸法変化の大きさは、HC系電解質膜<中間層<F系電解質含有触媒層となる。このように、面方向における寸法変化の度合いが大きく異なるHC系電解質膜とF系電解質含有触媒層との間に、寸法変化の度合いが中間の層を介在させることで、膨潤時にHC系電解質膜とF系電解質含有触媒層の接合面に生じる応力を緩和し、これら層間の剥離を防止することができる。
このとき、HC系電解質膜とF系電解質含有触媒層とが直接接合された従来の膜・電極接合体では、これら電解質膜と触媒層との接合が確保されていなかったのに対して、本発明では、中間層により接合性が確保されているため、上記のような応力の緩和効果が充分に発揮され、電解質膜と触媒層との間の剥離を防止することができる。
The intermediate layer does not have a proton acid group, and has a low swelling property as compared with the HC electrolyte or F electrolyte, and a second that causes an isotropic dimensional change upon swelling. Fluorine-based electrolyte is contained. Therefore, the magnitude of the dimensional change in the surface direction during swelling is HC-based electrolyte membrane <intermediate layer <F-based electrolyte-containing catalyst layer. In this way, by interposing a layer having an intermediate degree of dimensional change between the HC electrolyte membrane and the F-type electrolyte-containing catalyst layer having greatly different dimensional changes in the plane direction, the HC electrolyte membrane during swelling And the stress generated on the joint surface of the F-based electrolyte-containing catalyst layer can be relaxed, and peeling between these layers can be prevented.
At this time, in the conventional membrane / electrode assembly in which the HC electrolyte membrane and the F-based electrolyte-containing catalyst layer are directly bonded, the bonding between the electrolyte membrane and the catalyst layer is not secured. In the invention, since the bondability is ensured by the intermediate layer, the stress relaxation effect as described above is sufficiently exerted, and peeling between the electrolyte membrane and the catalyst layer can be prevented.

以上のように、本発明の膜・電極接合体は、HC系電解質膜とF系電解質含有触媒層との接合性が確保されており、高い発電性能を発現し、且つ、耐久性に優れ、長期間にわたって安定した電力供給が可能である。   As described above, the membrane / electrode assembly of the present invention has ensured bondability between the HC electrolyte membrane and the F electrolyte containing catalyst layer, expresses high power generation performance, and has excellent durability. Stable power supply over a long period of time is possible.

ここで、フッ素系高分子電解質(F系電解質)とは、ナフィオン(商品名、デュポン製)やアシプレックス(商品名、旭化成製)、フレミオン(商品名、旭硝子製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂等の含フッ素高分子電解質を指す。尚、第一のF系電解質と第二のF系電解質は、異なっていてもよいし、同じであってもよい。   Here, the fluorine-based polymer electrolyte (F-based electrolyte) is a perfluorocarbon sulfone represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei), and Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass). Fluorine-containing polymer electrolyte such as acid resin. The first F-based electrolyte and the second F-based electrolyte may be different or the same.

また、炭化水素系高分子電解質(HC系電解質)とは、典型的にはフッ素を全く含まないが、本発明による効果が充分に得られることから、上記F系電解質として用いられる電解質樹脂よりも少ないフッ素含有量の範囲内で部分的にフッ素置換されていてもよい。炭化水素系高分子電解質として、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチックにスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基(プロトン伝導性基)を導入したもの又はこれらの共重合体等が挙げられる。   Further, the hydrocarbon polymer electrolyte (HC electrolyte) typically does not contain fluorine at all, but since the effects of the present invention can be sufficiently obtained, it is more than the electrolyte resin used as the F electrolyte. It may be partially fluorine-substituted within the range of a small fluorine content. Specific examples of hydrocarbon polymer electrolytes include polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyparaphenylene, and other engineering plastics, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, polystyrene, etc. Examples thereof include those obtained by introducing proton acid groups (proton conductive groups) such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, and boronic acid groups into these general-purpose plastics, and copolymers thereof.

HC系電解質膜は、上記のようなHC系電解質を主成分として構成されるものであり、HC系電解質のみからなるものであってもよいし、その他の成分を含有するものであってもよい。また、複数種のHC系電解質を含有していてもよい。HC系電解質膜の膜厚は特に限定されず、通常、10〜100μm程度である。   The HC electrolyte membrane is composed mainly of the HC electrolyte as described above, and may be composed of only the HC electrolyte, or may contain other components. . Moreover, you may contain multiple types of HC type electrolyte. The film thickness of the HC electrolyte membrane is not particularly limited, and is usually about 10 to 100 μm.

また、ガラス転移温度が100℃〜150℃の範囲であり、プロトン酸基を有さない高分子Aとしては、上記範囲のガラス転移温度を有し、プロトン酸基を有してない高分子材料であれば特に限定されない。ここで、プロトン酸基とは、プロトンを解離しうる基であり、プロトン伝導性を示すものである。具体的には、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等が挙げられる。   The polymer A having a glass transition temperature in the range of 100 ° C. to 150 ° C. and having no proton acid group has a glass transition temperature in the above range and does not have a proton acid group. If it is, it will not specifically limit. Here, the proton acid group is a group capable of dissociating protons and exhibits proton conductivity. Specific examples include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, and a boronic acid group.

高分子Aのガラス転移温度が100℃未満であると、燃料電池の発電時の条件で該高分子Aが軟化し、膜・電極接合体の構成を維持できない可能性がある。一方、高分子Aのガラス転移温度が150℃より高いと、電解質膜−触媒層間の接合性を確保するために、高温で加熱圧着する必要があるため、電解質膜や触媒層中の電解質の劣化が生じるおそれがある。
高分子Aのガラス転移温度は、100℃〜150℃の範囲内であればよいが、該高分子Aや触媒層及び電解質膜を構成する電解質樹脂の熱による変性、分解等の観点から、特に、100℃〜140℃の範囲内であることが好ましい。
If the glass transition temperature of the polymer A is less than 100 ° C., the polymer A softens under the conditions during power generation of the fuel cell, and the configuration of the membrane / electrode assembly may not be maintained. On the other hand, if the glass transition temperature of the polymer A is higher than 150 ° C., it is necessary to heat and pressure bond at a high temperature in order to ensure the bonding property between the electrolyte membrane and the catalyst layer, so that the electrolyte in the electrolyte membrane and the catalyst layer deteriorates. May occur.
The glass transition temperature of the polymer A may be in the range of 100 ° C. to 150 ° C., but particularly from the viewpoints of modification, decomposition, etc. due to heat of the electrolyte resin constituting the polymer A, the catalyst layer, and the electrolyte membrane. It is preferable that it exists in the range of 100 to 140 degreeC.

上記のようなガラス転移温度を有する高分子Aとしては、主鎖及び/又は側鎖に芳香環を有さないものが挙げられる。芳香環を有する高分子の典型例であるエンジニアリングプラスチックは、一般的に200℃を超えるような高いガラス転移温度を有する。また、芳香環を有する高分子は、溶媒溶解性に乏しいものが多い。中間層は、後述するように、溶媒中に第二のF系電解質と高分子Aとを溶解させた溶液を用いて形成するため、溶媒溶解性が低いと、充分な性能を発揮する中間層を形成することが難しい。   Examples of the polymer A having the glass transition temperature as described above include those having no aromatic ring in the main chain and / or side chain. Engineering plastics, which are typical examples of polymers having aromatic rings, generally have a high glass transition temperature exceeding 200 ° C. Further, many polymers having an aromatic ring have poor solvent solubility. As will be described later, the intermediate layer is formed by using a solution in which the second F-based electrolyte and the polymer A are dissolved in a solvent. Therefore, when the solvent solubility is low, the intermediate layer exhibits sufficient performance. Difficult to form.

中間層に隣接する触媒層に含有される第一のF系電解質及び中間層に含有される第二のF系電解質との親和性が高いことから、高分子Aとしては、含フッ素高分子が好ましく、特に部分フッ化炭化水素系高分子が好ましい。第一の及び第二のF系電解質との親和性が高い高分子Aを用いることで、中間層及び触媒層の接合性向上効果が高く、また、中間層の成膜性も向上することが期待できるからである。中でも、部分的にフッ素置換された炭化水素系高分子は、第一及び第二のF系電解質との親和性に優れると共に、HC系電解質膜との親和性にも優れることから、HC系電解質膜−F系電解質含有触媒層間の接合性がさらに高まると期待できる。   Since the affinity with the first F-based electrolyte contained in the catalyst layer adjacent to the intermediate layer and the second F-based electrolyte contained in the intermediate layer is high, the polymer A includes a fluorine-containing polymer. Particularly preferred are partially fluorinated hydrocarbon polymers. By using the polymer A having high affinity with the first and second F-based electrolytes, the effect of improving the bondability between the intermediate layer and the catalyst layer is high, and the film formability of the intermediate layer is also improved. Because it can be expected. Among them, the hydrocarbon polymer partially substituted with fluorine is excellent in affinity with the first and second F electrolytes and also in affinity with the HC electrolyte membrane. It can be expected that the bondability between the membrane-F-based electrolyte-containing catalyst layer is further enhanced.

尚、部分フッ化炭化水素系高分子は、フッ素以外にも、炭素及び水素以外の異種原子を含んでいてよい。
具体的な高分子Aとしては、例えば、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等が挙げられ、特に、PVdFが好適である。
The partially fluorinated hydrocarbon polymer may contain hetero atoms other than carbon and hydrogen in addition to fluorine.
Specific examples of the polymer A include polystyrene, polycarbonate, and polyvinylidene fluoride (PVdF), and PVdF is particularly preferable.

中間層に含有される第二のF系電解質及び高分子Aの量は特に限定されるものではないが、第二のF系電解質及び高分子Aの合計重量に対する高分子Aの量[高分子A/(高分子A+第二のF系電解質)×100]が、5〜30wt%、特に5〜20wt%であることが好ましい。
高分子Aの量を30wt%以下とすることで、中間層におけるプロトン伝導性を充分に確保することができ、膜・電極接合体の発電性能を保持することができる。一方、高分子Aの量を5wt%以上とすることで、高分子AによるHC系電解質膜−中間層−触媒層間の充分な接合性向上効果を得ることができる。
The amount of the second F-based electrolyte and polymer A contained in the intermediate layer is not particularly limited, but the amount of polymer A relative to the total weight of the second F-based electrolyte and polymer A [polymer A / (Polymer A + second F-based electrolyte) × 100] is preferably 5 to 30 wt%, particularly preferably 5 to 20 wt%.
When the amount of the polymer A is 30 wt% or less, the proton conductivity in the intermediate layer can be sufficiently secured, and the power generation performance of the membrane / electrode assembly can be maintained. On the other hand, when the amount of the polymer A is 5 wt% or more, a sufficient effect of improving the bonding property between the HC-based electrolyte membrane, the intermediate layer, and the catalyst layer by the polymer A can be obtained.

中間層の厚さは、プロトン伝導性、水移動性の観点から、HC系電解質膜と触媒層間の接合性を確保できる範囲内で薄い方がよく、具体的には、5μm以下、特に2μm以下であることが好ましく、通常は0.5〜2μm程度とすればよい。   From the viewpoint of proton conductivity and water mobility, the thickness of the intermediate layer should be as thin as possible within the range that can secure the bonding property between the HC-based electrolyte membrane and the catalyst layer. Specifically, it is 5 μm or less, particularly 2 μm or less. It is preferable that it is usually about 0.5 to 2 μm.

本発明の膜・電極接合体における中間層の製造方法は特に限定されないが、通常は、まず、中間層を構成する高分子Aと第二のF系電解質とを含有する中間層用溶液を調製する。   The method for producing the intermediate layer in the membrane / electrode assembly of the present invention is not particularly limited. Usually, first, an intermediate layer solution containing the polymer A constituting the intermediate layer and the second F-based electrolyte is prepared. To do.

既述したような中間層を構成する高分子Aと第二のF系電解質を溶解させる溶媒としては、特に限定されず、使用するフッ素系電解質及び高分子Aの溶解性等を考慮して適宜選択すればよい。具体的には、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール、ブタノール等のアルコール類や、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、テトラヒドロフラン(THF)等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等が挙げられる。   The solvent for dissolving the polymer A and the second F-based electrolyte constituting the intermediate layer as described above is not particularly limited, and is appropriately determined in consideration of the solubility of the fluorine-based electrolyte to be used and the polymer A, and the like. Just choose. Specifically, alcohols such as ethanol, propanol, propylene glycol, butanol, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), tetrahydrofuran (THF), water, or a mixture thereof Etc.

高分子AとF系電解質と溶媒は、同時に添加して混合してもよいが、高分子AとF系電解質の溶媒への溶解性の観点から、予め高分子Aを溶解させた高分子A溶液と、F系電解質を溶解させたF系電解質溶液とを調製し、高分子A溶液とF系電解質溶液とを混合して中間層用溶液を調製することが好ましい。
このとき、高分子A溶液とF系電解質溶液の溶媒は異なっていてもよいし、同じであってもよい。ただし、高分子Aと第二のF系電解質それぞれの溶解性を考慮して、各溶媒の量や種類を選択することが好ましい。
The polymer A, the F-based electrolyte, and the solvent may be added and mixed at the same time, but from the viewpoint of the solubility of the polymer A and the F-based electrolyte in the solvent, the polymer A in which the polymer A is dissolved in advance. It is preferable to prepare an intermediate layer solution by preparing a solution and an F-based electrolyte solution in which the F-based electrolyte is dissolved, and mixing the polymer A solution and the F-based electrolyte solution.
At this time, the solvent of the polymer A solution and the F-based electrolyte solution may be different or the same. However, it is preferable to select the amount and type of each solvent in consideration of the solubility of each of the polymer A and the second F-based electrolyte.

高分子AとF系電解質と溶媒を含有する中間層用溶液を調製する方法としては、一般的な方法を採用することができ、例えば、ロールミルやボールミル、超音波ホモジナイザー、ジェットミル等の攪拌手段を用いることができる。
中間層用溶液には、高分子A、F系電解質及び溶媒以外にも、本発明の効果を損なわない範囲内において、必要に応じてその他の成分が含有されていてよい。
As a method for preparing the intermediate layer solution containing the polymer A, the F-based electrolyte, and the solvent, a general method can be adopted, for example, a stirring means such as a roll mill, a ball mill, an ultrasonic homogenizer, and a jet mill. Can be used.
In addition to the polymer A, the F-based electrolyte and the solvent, the intermediate layer solution may contain other components as necessary within the range not impairing the effects of the present invention.

中間層用溶液は、適当な基材表面(例えば、HC系電解質膜表面、F系電解質含有触媒層表面、転写用基材表面等)に塗布し、乾燥することで中間層を形成することができる。例えば、(1)HC系電解質膜表面に中間層溶液を塗布、乾燥させて中間層を形成し、続いて、該中間層表面に触媒インクを塗布、乾燥して触媒層形成し、得られた電解質膜−中間層−触媒層積層体を熱圧着する方法、(2)HC系電解質膜表面に中間層溶液を塗布、乾燥させて中間層を形成し、別途、転写用基材表面に触媒インクを塗布して形成した触媒層転写シートを用いて、該中間層表面に触媒層を熱転写する方法、(3)まず、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥して触媒層を形成し、続いて、該触媒層表面に中間層用溶液を塗布、乾燥して中間層を形成した触媒層・中間層転写シートを準備し、HC系電解質膜と該触媒層・中間層転写シートとを熱圧着して、HC系電解質膜表面に中間層−触媒層積層体を熱転写する方法など、が挙げられる。ここで(2)及び(3)の方法では、転写シートを熱転写する際の加熱圧着により、中間層と触媒層及び電解質膜間の接合が行われる。   The intermediate layer solution may be applied to a suitable substrate surface (for example, HC electrolyte membrane surface, F electrolyte containing catalyst layer surface, transfer substrate surface, etc.) and dried to form the intermediate layer. it can. For example, (1) an intermediate layer solution was applied to the surface of the HC electrolyte membrane and dried to form an intermediate layer, and then a catalyst ink was applied to the surface of the intermediate layer and dried to form a catalyst layer. Method of thermocompression bonding electrolyte membrane-intermediate layer-catalyst layer laminate, (2) Apply intermediate layer solution on HC electrolyte membrane surface, dry to form intermediate layer, and separately apply catalyst ink on transfer substrate surface (3) First, a catalyst ink is applied to the surface of a transfer substrate and dried to form a catalyst layer using a catalyst layer transfer sheet formed by coating Subsequently, a catalyst layer / intermediate layer transfer sheet is prepared by applying an intermediate layer solution on the surface of the catalyst layer and drying to form an intermediate layer. The HC electrolyte membrane and the catalyst layer / intermediate layer transfer sheet are It is a method to thermally transfer the intermediate layer-catalyst layer laminate to the surface of the HC electrolyte membrane by thermocompression bonding. , And the like. Here, in the methods (2) and (3), the intermediate layer, the catalyst layer, and the electrolyte membrane are joined by thermocompression bonding when the transfer sheet is thermally transferred.

その他にも、F系電解質含有触媒層表面に中間層用溶液を塗布、乾燥し中間層を形成した後、得られた触媒層−中間層積層体とHC系電解質膜とを熱圧着する方法や、転写用基材表面に中間層用溶液を塗布、乾燥して、中間層転写シートを形成し、該転写シートをF系電解質含有触媒層又はHC系電解質膜と重ね合わせて熱圧着することにより、まず、F系電解質含有触媒層又はHC系電解質膜の表面に中間層を形成し、その後、該中間層を形成したF系電解質含有触媒層上にHC系電解質膜又は該中間層を形成したHC系電解質膜上にF系電解質含有触媒層を設けることで、電解質膜と電極(触媒層)との間に中間層を備えた膜・電極接合体を得ることができる。   In addition, after applying the intermediate layer solution on the surface of the F-based electrolyte-containing catalyst layer and drying to form an intermediate layer, the obtained catalyst layer-intermediate layer laminate and the HC-based electrolyte membrane are thermocompression-bonded, The intermediate layer solution is applied to the surface of the transfer substrate and dried to form an intermediate layer transfer sheet. The transfer sheet is superposed on the F-based electrolyte-containing catalyst layer or the HC-based electrolyte membrane and thermocompression bonded. First, an intermediate layer was formed on the surface of the F-based electrolyte-containing catalyst layer or HC-based electrolyte membrane, and then the HC-based electrolyte membrane or the intermediate layer was formed on the F-based electrolyte-containing catalyst layer on which the intermediate layer was formed. By providing the F-based electrolyte-containing catalyst layer on the HC-based electrolyte membrane, a membrane / electrode assembly including an intermediate layer between the electrolyte membrane and the electrode (catalyst layer) can be obtained.

中間層用溶液の塗布方法としては特に限定されず、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法、スピンコート法、ディップコート法などが挙げられる。また、中間層用溶液の乾燥条件も限定されず、加熱乾燥、真空乾燥、加熱真空乾燥等一般的な方法を採用することができる。   The method for applying the intermediate layer solution is not particularly limited, and examples thereof include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, a die coating method, a spin coating method, and a dip coating method. The drying conditions for the intermediate layer solution are not limited, and general methods such as heat drying, vacuum drying, and heat vacuum drying can be employed.

ガス拡散層を形成するガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、50〜500μm程度であることが好ましい。   As the gas diffusion layer sheet for forming the gas diffusion layer, a gas diffusion property that can efficiently supply gas to the catalyst layer, conductivity, and strength required as a material constituting the gas diffusion layer, for example, Carbonaceous porous bodies such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt, titanium, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and its alloys, silver, aluminum alloy, zinc alloy, lead alloy, titanium, niobium , Tantalum, iron, stainless steel, gold, platinum, and the like, and those made of a conductive porous material such as a metal mesh or a metal porous material. The thickness of the conductive porous body is preferably about 50 to 500 μm.

ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。   The gas diffusion layer sheet may be composed of a single layer of the conductive porous body as described above, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The water-repellent layer is not necessarily required, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of water in the catalyst layer and the electrolyte membrane. There is an advantage that electrical contact can be improved.

撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び/又は焼成すればよい。撥水層の厚さは、通常、1〜50μm程度でよい。撥水層インクを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。   The method for forming the water repellent layer on the conductive porous body is not particularly limited. For example, water repellent obtained by mixing conductive particles such as carbon particles, water repellent resin, and other components as necessary with an organic solvent such as ethanol, propanol, propylene glycol, water or a mixture thereof. The layer ink may be applied to at least the side of the conductive porous body facing the catalyst layer, and then dried and / or fired. The thickness of the water repellent layer may usually be about 1 to 50 μm. Examples of the method for applying the water repellent layer ink to the conductive porous body include a screen printing method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method.

また、導電性多孔質体は、触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工されていてもよい。   In addition, the conductive porous body is formed by impregnating and applying a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene to the side facing the catalyst layer with a bar coater, etc. It may be processed so as to be discharged well.

触媒層は、少なくとも第一のF系電解質及び触媒を含有する触媒インクを用いて形成することができる。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン等の金属と白金との合金等を用いることができる。
触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。
The catalyst layer can be formed using a catalyst ink containing at least a first F-based electrolyte and a catalyst.
As the catalyst, usually, a catalyst component supported on conductive particles is used. The catalyst component is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel at the fuel electrode or the reduction reaction of the oxidant at the oxidant electrode, and is generally used for solid polymer fuel cells. Can be used. For example, platinum or an alloy of platinum and a metal such as ruthenium, iron, nickel, and manganese can be used.
As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black, conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers can also be used.

触媒インクは上記のような触媒と第一のF系電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、又はこれらの混合物やこれらと水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び第一のF系電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。   The catalyst ink is obtained by dissolving or dispersing the above catalyst and the first F-based electrolyte in a solvent. The solvent for the catalyst ink may be appropriately selected. For example, alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, a mixture thereof, and a mixture of these with water can be used. In addition to the catalyst and the first F-based electrolyte, the catalyst ink may contain other components such as a binder and a water-repellent resin as necessary.

触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散層シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、中間層が形成されたHC系電解質膜の中間層上に触媒インクを塗布、乾燥することによって、HC系電解質膜表面の中間層上に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、中間層が形成されたHC系電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合し、HC系電解質膜表面の中間層上に触媒層を形成するか、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成したF系触媒層を作製してもよい。   The method for forming the catalyst layer is not particularly limited. For example, the catalyst layer may be formed on the surface of the gas diffusion layer sheet by applying and drying the catalyst ink on the surface of the gas diffusion layer sheet, or the intermediate layer. The catalyst layer may be formed on the intermediate layer on the surface of the HC-based electrolyte membrane by applying and drying the catalyst ink on the intermediate layer of the HC-based electrolyte membrane on which is formed. Alternatively, a transfer sheet is prepared by applying and drying catalyst ink on the surface of the transfer substrate, and the transfer sheet is bonded to the HC electrolyte membrane or gas diffusion sheet on which the intermediate layer is formed by thermocompression bonding or the like. Alternatively, a catalyst layer may be formed on the intermediate layer on the surface of the HC-based electrolyte membrane, or an F-based catalyst layer having a catalyst layer formed on the surface of the gas diffusion layer sheet may be produced.

触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥等が挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、0.1〜1.0mg/cm程度となるようにすればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、1〜30μm程度とすればよい。
A method for applying the catalyst ink, a drying method, and the like can be appropriately selected. For example, examples of the coating method include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, a die coating method, and the like. Examples of the drying method include reduced pressure drying, heat drying, and reduced pressure heat drying. There is no restriction | limiting in the specific conditions in reduced pressure drying and heat drying, What is necessary is just to set suitably.
The amount of catalyst ink applied varies depending on the composition of the catalyst ink and the catalyst performance of the catalyst metal used for the electrode catalyst, but the amount of catalyst component per unit area is about 0.1 to 1.0 mg / cm 2. What should I do? The film thickness of the catalyst layer is not particularly limited, but may be about 1 to 30 μm.

中間層を形成するための高分子電解質混合溶液又は触媒層を形成するための触媒インクを塗布する転写用基材としては、一般的なものを用いることができ、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリプロピレン、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(ETFE)等からなるものを用いることができる。
上記したような方法によって中間層や触媒層を形成した電解質膜及びガス拡散層シートは、適宜、重ね併せて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。
As a transfer substrate on which a polymer electrolyte mixed solution for forming an intermediate layer or a catalyst ink for forming a catalyst layer is applied, a general substrate can be used, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE). ), Polypropylene, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), or the like can be used.
The electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet on which the intermediate layer and the catalyst layer are formed by the above-described method are appropriately overlapped and thermocompression-bonded, and bonded to each other to obtain a membrane / electrode assembly.

本発明の膜・電極接合体においては、HC系電解質膜の表面に設けられる酸化剤極側触媒層及び燃料極側触媒層のうち、少なくとも一方が該HC系電解質膜との間に中間層を備えていればよいが、両触媒層とHC系電解質膜との接合性を高めることによって、さらに発電性能を向上させることができることから、酸化剤極側触媒層とHC系電解質膜の間及び燃料極側触媒層とHC系電解質膜の間の両方に中間層を設けることが好ましい。一方の電極(触媒層)とHC系電解質膜との間のみに中間層を備える場合には、上記中間層の形成工程を省いた工程で電極(触媒層)とHC系電解質膜とを接合すればよい。   In the membrane-electrode assembly of the present invention, at least one of the oxidant electrode side catalyst layer and the fuel electrode side catalyst layer provided on the surface of the HC electrolyte membrane has an intermediate layer between the HC electrolyte membrane. However, it is sufficient to improve the power generation performance by improving the bonding properties between the two catalyst layers and the HC electrolyte membrane. It is preferable to provide an intermediate layer between both the electrode catalyst layer and the HC electrolyte membrane. When an intermediate layer is provided only between one electrode (catalyst layer) and the HC electrolyte membrane, the electrode (catalyst layer) and the HC electrolyte membrane are joined in a process that omits the intermediate layer formation step. That's fine.

作製された膜・電極接合体は、さらに、セパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。   The produced membrane / electrode assembly is further sandwiched between separators to form a single cell. As the separator, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with a resin, a metal separator using a metal material, or the like can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. .

(実施例1)
<中間層用溶液の調製>
PVdF(高分子A)をNMPに溶解させた溶液と、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(第二のフッ素系電解質)を水とアルコールの混合液に溶解させた溶液とを、PVdF:パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(重量比)=25:75[PVdF/(PVdF+パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂)×100=25%]となるように混合し、中間層溶液Aを調製した。
(Example 1)
<Preparation of intermediate layer solution>
A solution in which PVdF (polymer A) is dissolved in NMP and a solution in which perfluorocarbon sulfonic acid resin (second fluorine-based electrolyte) is dissolved in a mixed solution of water and alcohol are combined with PVdF: perfluorocarbon sulfonic acid resin. (Weight ratio) = 25: 75 [PVdF / (PVdF + perfluorocarbon sulfonic acid resin) × 100 = 25%] was mixed to prepare an intermediate layer solution A.

<膜・電極接合体の作製>
炭化水素系高分子電解質膜(7cm×7cm、膜厚30μm)の一方の表面に、中間層溶液Aをスプレー塗布し、70℃で乾燥させ、厚さ0.5μmの中間層(13cm2、PVdFとパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の合計量:0.25mg/cm)を形成した。
<Production of membrane / electrode assembly>
An intermediate layer solution A is spray-coated on one surface of a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane (7 cm × 7 cm, film thickness 30 μm), dried at 70 ° C., and a 0.5 μm thick intermediate layer (13 cm 2 , PVdF And the total amount of perfluorocarbon sulfonic acid resin: 0.25 mg / cm 2 ).

一方、市販のPt/C触媒(Pt担持率:50wt%)と、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(第一のフッ素系電解質、商品名:Nafion)と、溶媒(水、エタノール及びプロパノールの混合液)とを、Pt:パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂:カーボン(重量比)=1:1:1となるように攪拌混合し、触媒インクを調製した。   On the other hand, a commercially available Pt / C catalyst (Pt supporting rate: 50 wt%), a perfluorocarbon sulfonic acid resin (first fluorine-based electrolyte, trade name: Nafion), and a solvent (mixture of water, ethanol and propanol) Was mixed with stirring so that Pt: perfluorocarbon sulfonic acid resin: carbon (weight ratio) = 1: 1: 1 to prepare a catalyst ink.

炭化水素系高分子電解質膜の一方の表面に設けられた中間層の表面と、中間層のないもう一方の表面に触媒インクをスプレー塗布した。このとき、触媒層の単位面積当たりのPt量が0.5mg/cmとなるように触媒インクを塗布した。該インクを70℃で乾燥させ、触媒層(13cm2)を形成した。 The catalyst ink was spray-coated on the surface of the intermediate layer provided on one surface of the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane and on the other surface without the intermediate layer. At this time, the catalyst ink was applied so that the amount of Pt per unit area of the catalyst layer was 0.5 mg / cm 2 . The ink was dried at 70 ° C. to form a catalyst layer (13 cm 2 ).

得られた触媒層/中間層/電解質膜/触媒層接合体を、2枚のガス拡散層用カーボンクロスで挟持し、熱圧着(プレス圧:3MPa、プレス温度:140℃)して、膜・電極接合体を得た。
得られた膜電極接合体を、2枚のセパレータ(カーボン製)で挟持し、単セルを作製した。
The obtained catalyst layer / intermediate layer / electrolyte membrane / catalyst layer assembly was sandwiched by two carbon cloths for gas diffusion layer, and thermocompression-bonded (pressing pressure: 3 MPa, pressing temperature: 140 ° C.) An electrode assembly was obtained.
The obtained membrane electrode assembly was sandwiched between two separators (made of carbon) to produce a single cell.

(実施例2)
実施例1において、PVdFをNMPに溶解させた溶液と、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を水とアルコールの混合液に溶解させた溶液とを、PVdF:パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(重量比)=50:50[PVdF/(PVdF+パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂)×100=50%]となるように混合した中間層溶液Bを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、単セルを作製した。
(Example 2)
In Example 1, a solution in which PVdF is dissolved in NMP and a solution in which perfluorocarbon sulfonic acid resin is dissolved in a mixture of water and alcohol are PVdF: perfluorocarbon sulfonic acid resin (weight ratio) = 50: 50. A single cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the intermediate layer solution B mixed so that [PVdF / (PVdF + perfluorocarbon sulfonic acid resin) × 100 = 50%] was used.

(比較例1)
実施例1において、中間層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして、単セルを作製した。
(Comparative Example 1)
A single cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the intermediate layer was not formed in Example 1.

(比較例2)
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を水とアルコールの混合液に溶解させた溶液を用いて中間層(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の合計量:0.25mg/cm)を形成したこと以外は、実施例1と同様にして、単セルを作製した。
(Comparative Example 2)
Example 1 except that an intermediate layer (total amount of perfluorocarbon sulfonic acid resin: 0.25 mg / cm 2 ) was formed using a solution obtained by dissolving perfluorocarbon sulfonic acid resin in a mixed solution of water and alcohol. Similarly, a single cell was produced.

[発電評価]
上記にて作製した実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の単セルについて、以下の条件下、発電評価を行った。結果を図2に示す。尚、実施例1、実施例2及び比較例2の単セルは、中間層を形成した側を空気極とした。
<発電評価条件>
・燃料(水素ガス):500ml/min(60RH%)
・酸化剤(空気):900ml/min(60RH%)
・セル温度:80℃
[Power generation evaluation]
About the single cell of Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 produced above, power generation evaluation was performed under the following conditions. The results are shown in FIG. In the single cells of Example 1, Example 2, and Comparative Example 2, the side on which the intermediate layer was formed was an air electrode.
<Power generation evaluation conditions>
・ Fuel (hydrogen gas): 500ml / min (60RH%)
・ Oxidizing agent (air): 900ml / min (60RH%)
-Cell temperature: 80 ° C

図2に示すように、炭化水素系高分子電解質膜とフッ素系電解質を含有する触媒層との間に、PVdFとパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を含有する中間層を設けた実施例1は、中間層を設けていない比較例1と比較して、低電流密度域から高電流密度域にわたって高い電圧を示し、セル抵抗も減少した。また、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のみからなる中間層を設けた比較例2は、実施例1と比較してセル抵抗が減少したが、セル電圧は実施例1と同等であった。これは、実施例1の単セルにおいて、中間層に含有されたPVdFにより電解質膜−触媒層間の密着性が向上したためと考えられる。
PVdFの含有量が、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂とPVdFの合計量に対して30wt%を超える実施例2は、PVdFの含有量が30wt%以下の実施例1と比較して、電圧が低下し、セル抵抗も上昇した。これは、PVdFの含有量の増加に伴い、中間層のプロトン伝導性が低下したためと考えられる。
As shown in FIG. 2, Example 1 in which an intermediate layer containing PVdF and perfluorocarbon sulfonic acid resin is provided between a hydrocarbon polymer electrolyte membrane and a catalyst layer containing a fluorine-based electrolyte includes the intermediate layer Compared with the comparative example 1 which does not provide, a high voltage was exhibited from the low current density region to the high current density region, and the cell resistance was also reduced. Further, in Comparative Example 2 in which the intermediate layer made of only the perfluorocarbon sulfonic acid resin was provided, the cell resistance was reduced as compared with Example 1, but the cell voltage was the same as that of Example 1. This is presumably because in the single cell of Example 1, the adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer was improved by PVdF contained in the intermediate layer.
Example 2 in which the content of PVdF exceeds 30 wt% with respect to the total amount of the perfluorocarbonsulfonic acid resin and PVdF is lower in voltage than Example 1 in which the content of PVdF is 30 wt% or less, Cell resistance also increased. This is presumably because the proton conductivity of the intermediate layer decreased with an increase in the content of PVdF.

(参考実験)
下記式で表されるスルホン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)[以下、S−PPBPという]膜とパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜(Nafion:商品名)の乾燥時(60℃で10分間真空乾燥させた状態)と25℃水中で辺の長さ(面内方向及び厚み方向)を測定し、乾燥時を基準として、25℃水中における膨張率を求めた。結果を表1に示す。
(Reference experiment)
When drying a sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) [hereinafter referred to as S-PPBP] film represented by the following formula and a perfluorocarbon sulfonic acid resin film (Nafion: trade name) (at 60 ° C. The state of vacuum drying for 10 minutes) and the length of the side (in-plane direction and thickness direction) in 25 ° C. water were measured, and the expansion coefficient in 25 ° C. water was determined based on the time of drying. The results are shown in Table 1.

Figure 2008112598
Figure 2008112598

Figure 2008112598
Figure 2008112598

表1により、フッ素系高分子電解質であるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂よりなる膜は、乾燥時−湿潤時における面内方向と厚み方向での膨張率が同等であるのに対して、炭化水素系高分子電解質であるS−PPBPよりなる膜は、厚み方向での膨張率が面内方向での膨張率を大幅に超えた。そして、S−PPBPの面内方向における膨張率に対してパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の面内方向における膨張率は約2倍に達していることがわかる。この結果、S−PPBP膜(炭化水素系高分子電解質膜)とパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(フッ素系高分子電解質)を含有する触媒層とを接合した場合、湿潤状態の変動により、これらの接合界面には大きな応力が生じることが推測できる。   According to Table 1, the membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid resin, which is a fluorine-based polymer electrolyte, has the same coefficient of expansion in the in-plane direction and in the thickness direction when dry-wet, In the film made of S-PPBP, which is a molecular electrolyte, the expansion coefficient in the thickness direction greatly exceeded the expansion coefficient in the in-plane direction. And it turns out that the expansion coefficient in the in-plane direction of perfluorocarbon sulfonic acid resin has reached about twice with respect to the expansion coefficient in the in-plane direction of S-PPBP. As a result, when the S-PPBP membrane (hydrocarbon polymer electrolyte membrane) and the catalyst layer containing the perfluorocarbon sulfonic acid resin (fluorine polymer electrolyte) are joined, these joint interfaces are caused by the fluctuation of the wet state. It can be inferred that a large stress is generated in.

本発明の燃料電池用膜・電極接合体を含む単セルの一形態例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows one example of a single cell containing the membrane-electrode assembly for fuel cells of this invention. 実施例及び比較例の発電評価試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the electric power generation evaluation test of an Example and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…燃料極(アノード)
3…酸化剤極(カソード)
4a…アノード側触媒層
4b…カソード側触媒層
5a…アノード側ガス拡散層
5b…カソード側ガス拡散層
6…膜・電極接合体
7a…アノード側セパレータ
7b…カソード側セパレータ
8a…アノード側ガス流路
8b…カソード側ガス流路
9…中間層
100…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Fuel electrode (anode)
3 ... Oxidant electrode (cathode)
4a ... Anode side catalyst layer 4b ... Cathode side catalyst layer 5a ... Anode side gas diffusion layer 5b ... Cathode side gas diffusion layer 6 ... Membrane / electrode assembly 7a ... Anode side separator 7b ... Cathode side separator 8a ... Anode side gas flow path 8b ... Cathode side gas flow path 9 ... Intermediate layer 100 ... Single cell

Claims (4)

炭化水素系高分子電解質膜と、該炭化水素系高分子電解質膜の両面に設けられ、且つ、触媒及び第一のフッ素系高分子電解質を含有する触媒層とを備える燃料電池用膜・電極接合体であって、
前記炭化水素系高分子電解質膜と少なくとも一方の前記触媒層との間に介在する中間層を備え、
該中間層は、第二のフッ素系高分子電解質と、ガラス転移温度が100℃〜150℃であり、且つ、プロトン酸基を有していない高分子Aとを含有することを特徴とする、燃料電池用膜・電極接合体。
Membrane / electrode joint for a fuel cell comprising a hydrocarbon polymer electrolyte membrane and a catalyst layer provided on both sides of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane and containing a catalyst and a first fluorine polymer electrolyte Body,
An intermediate layer interposed between the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane and at least one of the catalyst layers,
The intermediate layer contains a second fluorine-based polymer electrolyte and a polymer A having a glass transition temperature of 100 ° C. to 150 ° C. and having no proton acid group, Membrane / electrode assembly for fuel cells.
前記中間層における前記高分子Aの含有量が、該高分子Aと前記第二のフッ素系高分子電解質の合計重量に対して5wt%〜30wt%である、請求項1に記載の燃料電池用膜・電極接合体。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a content of the polymer A in the intermediate layer is 5 wt% to 30 wt% with respect to a total weight of the polymer A and the second fluorinated polymer electrolyte. Membrane / electrode assembly. 前記高分子Aが、部分フッ化炭化水素系高分子である、請求項1又は2に記載の燃料電池用膜・電極接合体。   The membrane / electrode assembly for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the polymer A is a partially fluorinated hydrocarbon polymer. 前記高分子Aが、芳香環を含まない、請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池用膜・電極接合体。   The membrane / electrode assembly for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer A does not contain an aromatic ring.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023018725A1 (en) * 2021-08-10 2023-02-16 1S1 Energy, Inc. Modification of perfluorinated polymers, ionomers, and membranes using perfluorinated linkers

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