JP2008166037A - Polymer electrolyte film/catalyst bonding material for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cells - Google Patents

Polymer electrolyte film/catalyst bonding material for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cells Download PDF

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佳充 坂口
Kota Kitamura
幸太 北村
Hiroki Yamaguchi
裕樹 山口
Masahiro Yamashita
全広 山下
Takatoshi Yamada
孝敏 山田
Satoshi Takase
敏 高瀬
Shinji Miyagawa
慎二 宮川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte film/catalyst bonding material for fuel cell improved in durability and its manufacturing method, and a fuel cell using the same. <P>SOLUTION: The polymer electrode film/catalyst bonding material mainly composed of hydrogen with a surface roughness ≤1 μm in its interface contains a polymer electrode film 2 mixed with 85 to 95 wt.% polymer (A) and 5 to 15 wt.% polymer (B), and an electrode catalyst layer 1 directly bonded at least to one side of the polymer electrode film. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規な燃料電池用の高分子電解質膜/触媒接合体(以下、単に「膜/触媒接合体」という場合もある)及びその製造方法、並びに該膜/触媒接合体を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a novel polymer electrolyte membrane / catalyst assembly for a fuel cell (hereinafter sometimes simply referred to as “membrane / catalyst assembly”), a production method thereof, and a fuel using the membrane / catalyst assembly. It relates to batteries.

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有し、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。   In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Among them, the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane has a high energy density, and has features such as being easy to start and stop because the operating temperature is lower than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing.

高分子電解質膜には通常高いプロトン伝導特性が求められる。高分子電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素、酸素などの透過を防ぐガス透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子電解質膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜が知られている。   Polymer electrolyte membranes are usually required to have high proton conductivity. In addition to proton conductivity, the polymer electrolyte membrane must have characteristics such as gas permeation deterrence and mechanical strength to prevent permeation of hydrogen, oxygen, etc. of the fuel. As such a polymer electrolyte membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group is introduced, represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA, is known.

パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜は、燃料電池の電解質膜としてバランスのよい特性を示すものの、運転条件によっては、排気ガス中に有害なフッ酸が発生することや、廃棄時に環境への負荷が大きいことなどの問題が指摘されている。   Perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes have well-balanced characteristics as fuel cell electrolyte membranes, but depending on the operating conditions, harmful hydrofluoric acid may be generated in the exhaust gas, and the environmental load during disposal Have been pointed out.

一方、フッ素などのハロゲンを含まない、炭化水素系ポリマーからなる高分子電解質膜の検討も盛んに行われている(例えば特許文献1)。炭化水素系高分子電解質膜の中でも芳香族ポリマーからなるものは、耐熱性、高温での寸法安定性とともにプロトン伝導性に優れたものとして、燃料電池への適用が期待されているが、プロトン伝導性と耐久性能は一般にトレードオフの関係にあり、プロトン伝導性を高くしたものは、耐久性が低くなる傾向にあった。   On the other hand, a polymer electrolyte membrane made of a hydrocarbon polymer that does not contain halogen such as fluorine has been actively studied (for example, Patent Document 1). Among the hydrocarbon polymer electrolyte membranes, those made of aromatic polymers are expected to be applied to fuel cells as having excellent proton conductivity as well as heat resistance and dimensional stability at high temperatures. Generally, there is a trade-off relationship between the durability and the durability performance, and those having higher proton conductivity tended to have lower durability.

プロトン伝導性に優れた芳香族炭化水素系高分子電解質膜の耐久性を上げる方策として、化学的、物理的に安定な芳香族ポリマーをブレンドすることが提案されている。しかし、高分子電解質ポリマーにプロトン伝導性のないポリマーを混合するとプロトン伝導性の低下が起こるので、安定性の高い芳香族ポリマー自体もプロトン伝導性を有しているものが好ましい組み合わせと言える。このようなものとしてスルホン酸基やホスホン酸基を持つポリベンズイミダゾールが有用であり、特許文献2や特許文献3が報告されている。その中では、燃料電池としての性能も優れていることが述べられているが、特性値として充分なものではなかった。   As a measure for increasing the durability of an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity, blending chemically and physically stable aromatic polymers has been proposed. However, when a polymer having no proton conductivity is mixed with the polymer electrolyte polymer, a decrease in proton conductivity occurs. Therefore, it can be said that a highly stable aromatic polymer itself also has a proton conductivity is a preferable combination. As such, polybenzimidazole having a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is useful, and Patent Documents 2 and 3 have been reported. Among them, it is stated that the performance as a fuel cell is excellent, but the characteristic value is not sufficient.

国際公開第2004/033534号International Publication No. 2004/033534 特開2005−139318号公報JP 2005-139318 A 特開2005−213276号公報JP-A-2005-213276

本発明はプロトン伝導性と耐久性を向上させたブレンド系高分子電解質膜において、燃料電池に使用した際の性能をより優れたものとするための高分子電解質膜/触媒接合体及びその製造方法、並びに該膜/触媒接合体を用いた燃料電池の提供を課題とするものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane / catalyst assembly and a method for producing the same for use in a fuel cell in a blended polymer electrolyte membrane with improved proton conductivity and durability. In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell using the membrane / catalyst assembly.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、下記に示す膜/触媒接合体により上記目的が達成されることを見い出すに至った。すなわち、本発明は下記(1)〜(3)により達成される。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above object can be achieved by the membrane / catalyst assembly shown below. That is, the present invention is achieved by the following (1) to (3).

(1)下記化学式(1)で表される構造のポリマー(A)85〜95重量%および下記化学式(2)で表される構造のポリマー(B)5〜15重量%が混合されてなる高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の少なくとも片面に直接接合された電極触媒層とを含み、膜/触媒界面の表面粗度が1μm以下であることを特徴とする、水素を燃料とする燃料電池用の高分子電解質膜/触媒接合体。 (1) A polymer obtained by mixing 85 to 95% by weight of a polymer (A) having a structure represented by the following chemical formula (1) and 5 to 15% by weight of a polymer (B) having a structure represented by the following chemical formula (2). A fuel using hydrogen as a fuel, comprising a molecular electrolyte membrane and an electrode catalyst layer directly bonded to at least one surface of the polymer electrolyte membrane, and having a membrane / catalyst interface surface roughness of 1 μm or less A polymer electrolyte membrane / catalyst assembly for a battery.

Figure 2008166037
(上記式中、n1、n2は0.40≦n1/(n1+n2)≦0.70の関係を満たす1以上の整数を、m1は1以上の整数を、それぞれ示す)
Figure 2008166037
(In the above formula, n1 and n2 each represent an integer of 1 or more satisfying the relationship of 0.40 ≦ n1 / (n1 + n2) ≦ 0.70, and m1 represents an integer of 1 or more)

Figure 2008166037
(上記式中、n3は1以上の整数を、m2,m3は0.60≦m3/(m2+m3)≦0.80の関係を満たす1以上の整数を、それぞれ示す)
Figure 2008166037
(In the above formula, n3 represents an integer of 1 or more, and m2 and m3 represent an integer of 1 or more satisfying the relationship of 0.60 ≦ m3 / (m2 + m3) ≦ 0.80)

(2)第1の発明に記載の 高分子電解質膜の少なくとも片面に対して、電極触媒、高分子電解質、および溶媒を含有する触媒スラリーを、膜/触媒界面の表面粗度が1μm以下になるように直接塗布して電極触媒層を形成することを特徴とする燃料電池用の高分子電解質膜/触媒接合体の製造方法。 (2) The surface roughness of the membrane / catalyst interface is 1 μm or less when the catalyst slurry containing the electrode catalyst, the polymer electrolyte, and the solvent is applied to at least one surface of the polymer electrolyte membrane according to the first invention. A method for producing a polymer electrolyte membrane / catalyst assembly for a fuel cell, wherein the electrode catalyst layer is formed by direct coating as described above.

(3)第1の発明に記載の燃料電池用の高分子電解質膜/触媒接合体を用いたことを特徴とする、水素を燃料とする燃料電池。 (3) A fuel cell using hydrogen as a fuel, wherein the polymer electrolyte membrane / catalyst assembly for a fuel cell according to the first invention is used.

本発明による膜/触媒接合体は、従来のものに比べて、プロトン伝導性を低下させることなく耐久性が向上しており、燃料電池に用いた場合に、出力特性と長期運転性に優れるといった効果を有している。   The membrane / catalyst assembly according to the present invention has improved durability without lowering proton conductivity as compared with the conventional one, and has excellent output characteristics and long-term drivability when used in a fuel cell. Has an effect.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明における高分子電解質膜は、下記化学式(1)で表される構造のポリマー(A)と、および下記化学式(2)で表される構造のポリマー(B)とが、ポリマー(B)の重量分率が5〜15重量%になるように混合された混合物からなる燃料電池用の高分子電解質膜である。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the polymer (A) having the structure represented by the following chemical formula (1) and the polymer (B) having the structure represented by the following chemical formula (2) are composed of the polymer (B). It is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a mixture mixed so that the weight fraction is 5 to 15% by weight.

Figure 2008166037

(上記式中、n1、n2は0.40≦n1/(n1+n2)≦0.70の関係を満たす1以上の整数を、m1は1以上の整数を、それぞれ示す)
Figure 2008166037

(In the above formula, n1 and n2 each represent an integer of 1 or more satisfying the relationship of 0.40 ≦ n1 / (n1 + n2) ≦ 0.70, and m1 represents an integer of 1 or more)

Figure 2008166037
(上記式中、n3は1以上の整数を、m2,m3は0.60≦m3/(m2+m3)≦0.80の関係を満たす1以上の整数を、それぞれ示す)
Figure 2008166037
(In the above formula, n3 represents an integer of 1 or more, and m2 and m3 represent an integer of 1 or more satisfying the relationship of 0.60 ≦ m3 / (m2 + m3) ≦ 0.80)

化学式(1)で表されるポリマーAにおいて、n1/(n1+n2)は0.40〜0.70の範囲にある。n1/(n1+n2)が0.45〜0.60の間であると好ましい。n1/(n1+n2)が0.40よりも小さいと、水素を燃料とする燃料電池に用いた場合に、出力が十分に出ない傾向となる。n1/(n1+n2)が0.70よりも大きいと、膜の形態保持性が低下する傾向となり、耐久性が低下するなどの問題が生じやすくなる。n1+n2+m1は、3以上の整数であればよいが、10〜10000の間にあることが好ましい。10よりも少ないと膜を得ることが困難になることがあり好ましくない。10000よりも大きいと、溶液の粘度が大きくなりすぎるなどの問題が起こりやすくなり好ましくない。また、(n1+n2)/(m1)は0.9〜1.1の範囲にあることが好ましく、0.95〜1.05の範囲にあることがより好ましく、0.99〜1.01の範囲にあるとさらに好ましい。   In the polymer A represented by the chemical formula (1), n1 / (n1 + n2) is in the range of 0.40 to 0.70. It is preferable that n1 / (n1 + n2) is between 0.45 and 0.60. When n1 / (n1 + n2) is smaller than 0.40, the output tends to be insufficient when used in a fuel cell using hydrogen as fuel. If n1 / (n1 + n2) is greater than 0.70, the film form retainability tends to be reduced, and problems such as reduced durability tend to occur. n1 + n2 + m1 may be an integer of 3 or more, but is preferably between 10 and 10,000. If it is less than 10, it may be difficult to obtain a film, which is not preferable. If it is greater than 10,000, problems such as excessive increase in the viscosity of the solution tend to occur, which is not preferable. Further, (n1 + n2) / (m1) is preferably in the range of 0.9 to 1.1, more preferably in the range of 0.95 to 1.05, and in the range of 0.99 to 1.01. More preferably.

ポリマー(A)の重合度は、例えばゲルパーミエーションクロマトグラフィー、光散乱法、浸透圧法、末端基量測定法などによって求めることができるが、簡便に重合度の大小を評価する方法として、希薄溶液の対数粘度を用いることもできる。例えば、ポリマー粉末を0.5g/dLの濃度でN−2−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、ln[ta/tb]/cで求められる対数粘度(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)では、0.1〜3.0dL/gの間にあることが好ましく、0.8〜2.0dL/gの間にあるとより好ましい。   The degree of polymerization of the polymer (A) can be determined by, for example, gel permeation chromatography, light scattering method, osmotic pressure method, terminal group amount measurement method, etc. As a method for simply evaluating the degree of polymerization, dilute solution Logarithmic viscosities can also be used. For example, the polymer powder is dissolved in N-2-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, and the viscosity is measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and ln [ta / tb] / c The logarithmic viscosity (ta is the number of seconds that the sample solution falls, tb is the number of seconds that the solvent is dropped, and c is the polymer concentration) is preferably between 0.1 and 3.0 dL / g. More preferably, it is between 8 and 2.0 dL / g.

化学式(2)で表されるポリマー(B)のm3/(m2+m3)は0.60〜0.80の間である。m3/(m2+m3)が0.60よりも小さいと本発明のブレンド膜の耐久性が低下する傾向となり好ましくない。0.80よりも大きいと溶解性が低下する傾向となり、良好なブレンド膜を形成することが困難となるため好ましくない。n3+m2+m3は、3以上の整数であればよいが、10〜10000の間にあることが好ましい。10よりも少ないと膜を得ることが困難になることがあり好ましくない。10000よりも大きいと、溶液の粘度が大きくなりすぎるなどの問題が起こりやすくなり好ましくない。また、(n3)/(m2+m3)は0.9〜1.1の範囲にあることが好ましく、0.95〜1.05の範囲にあることがより好ましく、0.99〜1.01の範囲にあるとさらに好ましい。   M3 / (m2 + m3) of the polymer (B) represented by the chemical formula (2) is between 0.60 and 0.80. If m3 / (m2 + m3) is smaller than 0.60, the durability of the blend film of the present invention tends to decrease, such being undesirable. If it is larger than 0.80, the solubility tends to decrease, and it becomes difficult to form a good blend film, which is not preferable. n3 + m2 + m3 may be an integer of 3 or more, but is preferably between 10 and 10,000. If it is less than 10, it may be difficult to obtain a film, which is not preferable. If it is greater than 10,000, problems such as excessive increase in the viscosity of the solution tend to occur, which is not preferable. Further, (n3) / (m2 + m3) is preferably in the range of 0.9 to 1.1, more preferably in the range of 0.95 to 1.05, and in the range of 0.99 to 1.01. More preferably.

ポリマー(B)の重合度は、例えばゲルパーミエーションクロマトグラフィー、光散乱法、浸透圧法、末端基量測定法などによって求めることができるが、簡便に重合度の大小を評価する方法として、希薄溶液の対数粘度を用いることもできる。例えば、ポリマー粉末を0.5g/dLの濃度でメタンスルホン酸または濃硫酸に溶解し、30℃の恒温槽中でオストワルド型粘度計を用いて粘度測定を行い、ln[ta/tb]/cで求められる対数粘度(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)では、0.25〜10dL/gの範囲であることが好ましく、0.40〜8dL/gの範囲にあることがより好ましい。対数粘度が0.25dL/g未満の場合には、粘度の低下により成形物を得ることが困難となる傾向となる。また、対数粘度が10dL/gを超えると粘度の上昇に成形することが困難になる。   The degree of polymerization of the polymer (B) can be determined by, for example, gel permeation chromatography, light scattering method, osmotic pressure method, terminal group amount measurement method, etc. As a method for simply evaluating the degree of polymerization, dilute solution Logarithmic viscosities can also be used. For example, the polymer powder is dissolved in methanesulfonic acid or concentrated sulfuric acid at a concentration of 0.5 g / dL, and the viscosity is measured using an Ostwald viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and ln [ta / tb] / c Is preferably in the range of 0.25 to 10 dL / g, with the logarithmic viscosity (ta being the number of seconds dropping of the sample solution, tb being the number of seconds dropping only the solvent, and c being the polymer concentration). More preferably, it is in the range of 8 dL / g. When the logarithmic viscosity is less than 0.25 dL / g, it tends to be difficult to obtain a molded product due to a decrease in viscosity. Moreover, when logarithmic viscosity exceeds 10 dL / g, it will become difficult to shape | mold to the raise of a viscosity.

ポリマー(A)とポリマー(B)の混合比は、ポリマー(B)の含有率が5〜15重量%である。ポリマー(B)の含有率が5重量%よりも少ないと、ポリマー(B)による耐久性向上効果が出なくなる傾向となる。15重量%よりも多いとブレンド膜のプロトン伝導性が低下する傾向が大きくなる。   The mixing ratio of the polymer (A) and the polymer (B) is such that the content of the polymer (B) is 5 to 15% by weight. When the content of the polymer (B) is less than 5% by weight, the durability improving effect by the polymer (B) tends to be lost. If it exceeds 15% by weight, the tendency of the proton conductivity of the blend membrane to decrease increases.

ポリマー(A)は公知の任意の方法で合成できるが、例えば、芳香族求核置換反応を用いて重合することができる。モノマーとして、例えば、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ナトリウム、2,6−ジクロロベンゾニトリル、4,4’−ビフェノールを用いることができるが、上記化学式(1)の構造を与え得る構造のモノマーであれば、これらに限らず使用することができる。上述のモノマーを、塩基性物質の存在下で加熱することによって、ポリマー(A)を得ることができる。   The polymer (A) can be synthesized by any known method, and can be polymerized using, for example, an aromatic nucleophilic substitution reaction. As the monomer, for example, sodium 4,4′-dichlorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate, 2,6-dichlorobenzonitrile, and 4,4′-biphenol can be used. Any monomer having a structure capable of giving a structure can be used without limitation. The polymer (A) can be obtained by heating the above-mentioned monomer in the presence of a basic substance.

重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

また、上記重合反応において、塩基性化合物を用いずに、4,4’−ビフェノールを、フェニルイソシアネートなどのイソシアネート化合物と反応させてカルバモイル化したものと、2,6−ジクロロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ナトリウムとを直接反応させることもできる。   In the above polymerization reaction, 4,4′-biphenol was reacted with an isocyanate compound such as phenyl isocyanate to carbamoylate without using a basic compound, 2,6-dichlorobenzonitrile, 4,4 It is also possible to react directly with sodium '-dichlorodiphenylsulfone-3,3'-disulfonate.

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、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられるが、4,4’−ビフェノールを活性なフェノキシド構造にし得るものであれば、これらに限定されず使用することができる。塩基性化合物は、4,4’−ビフェノールに対して100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくは4,4’−ビフェノールに対して105〜125モル%の範囲である。塩基性化合物の量が多くなりすぎると、分解などの副反応の原因となるので好ましくない。   Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate and the like, as long as they can make 4,4′-biphenol into an active phenoxide structure. However, it can be used without being limited to these. The basic compound can be polymerized satisfactorily when used in an amount of 100 mol% or more with respect to 4,4′-biphenol, preferably in the range of 105 to 125 mol% with respect to 4,4′-biphenol. is there. An excessive amount of the basic compound is not preferable because it causes side reactions such as decomposition.

芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてポリマー溶液を得ることもできる。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. In addition, a polymer solution can be obtained by removing by-product salts by filtration.

反応温度は任意の温度にすることができるが、150〜250℃の範囲にあることが好ましい。反応時間は任意の時間にすることができるが、3〜60時間の範囲であることが好ましい。反応は、攪拌しながら行うことが好ましい。また、窒素などの不活性ガス雰囲気又は気流下で行うことが好ましい。   The reaction temperature can be any temperature, but it is preferably in the range of 150 to 250 ° C. Although reaction time can be made into arbitrary time, it is preferable that it is the range of 3 to 60 hours. The reaction is preferably carried out with stirring. Moreover, it is preferable to carry out in inert gas atmosphere, such as nitrogen, or airflow.

ポリマー(A)において、上記化学式(1)で表される構造の個々の繰り返し単位の配列の順序は、交互、ブロック、ランダムのいずれであってもよい。ブロック共重合体であれば、プロトン伝導性や吸水性が高くなる傾向を示す。   In the polymer (A), the order of the arrangement of the individual repeating units of the structure represented by the chemical formula (1) may be alternating, block, or random. If it is a block copolymer, it will show the tendency for proton conductivity and water absorption to become high.

ポリマー(B)は公知の任意の方法で重合することができる。モノマーとしては、例えば、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、2−スルホテレフタル酸モノナトリウム塩、3,5−ジカルボキシベンゼンホスホン酸を用いることができるが、上記化学式(2)の構造を与え得る構造のモノマーであれば、これらに限らず使用することができる。   The polymer (B) can be polymerized by any known method. As the monomer, for example, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone, 2-sulfoterephthalic acid monosodium salt, and 3,5-dicarboxybenzenephosphonic acid can be used. As long as it is a monomer having a structure capable of giving the structure of ()), it is not limited to these and can be used.

これらのモノマーを、例えば、J.F.Wolfe,Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,2nd Ed.,Vol.11,P.601(1988)に記載されるようなポリリン酸を溶媒とする脱水、環化重合により合成することができる。また、ポリリン酸の代わりにメタンスルホン酸/五酸化リン混合溶媒系を用いた同様の機構による重合を適用することもできる。なお、熱安定性の高いポリベンズイミダゾール系化合物を合成するには、一般によく使用されるポリリン酸を用いた重合が好ましい。   These monomers are described, for example, in J. Org. F. Wolfe, Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Ed. , Vol. 11, p. 601 (1988), and can be synthesized by dehydration and cyclopolymerization using polyphosphoric acid as a solvent. In addition, polymerization by a similar mechanism using a mixed solvent system of methanesulfonic acid / phosphorus pentoxide instead of polyphosphoric acid can be applied. In order to synthesize a polybenzimidazole compound having high thermal stability, polymerization using polyphosphoric acid that is commonly used is preferred.

また、適当な有機溶媒中や混合原料モノマー融体の形での反応でポリアミド構造などを有する前駆体ポリマーを合成しておき、その後の適当な熱処理などによる環化反応で目的のポリベンズイミダゾール構造に変換する方法なども使用することができる。   In addition, a precursor polymer having a polyamide structure or the like is synthesized by reaction in a suitable organic solvent or in the form of a mixed raw material monomer melt, and then the desired polybenzimidazole structure is obtained by a cyclization reaction by appropriate heat treatment or the like. The method of converting to can also be used.

反応温度は任意の温度にすることができるが、150〜250℃の範囲にあることが好ましい。反応時間は任意の時間にすることができるが、2〜30時間の範囲であることが好ましい。反応は、攪拌しながら行うことが好ましい。また、窒素などの不活性ガス雰囲気又は気流下で行うことが好ましい。   The reaction temperature can be any temperature, but it is preferably in the range of 150 to 250 ° C. The reaction time can be any time, but is preferably in the range of 2 to 30 hours. The reaction is preferably carried out with stirring. Moreover, it is preferable to carry out in inert gas atmosphere, such as nitrogen, or airflow.

ポリマー(B)において、上記化学式(2)で表される構造の個々の繰り返し単位の配列の順序は、交互、ブロック、ランダムのいずれであってもよい。   In the polymer (B), the order of the arrangement of the individual repeating units of the structure represented by the chemical formula (2) may be alternating, block, or random.

ポリマー(A)とポリマー(B)とからなる高分子電解質膜は公知の任意の方法で得ることができるが、ポリマー(A)及びポリマー(B)を含む溶液を作製し、その溶液をキャスト、乾燥して膜を得ることが好ましい。一般にイオン性基(特に多価アニオン性基)を含有するポリベンズイミダゾールは有機溶媒への溶解性が悪い傾向にあるが、本発明のポリマー(B)はホスホン酸基を有しているのも拘わらず有機溶媒への溶解性が高いのが特徴であり、ポリマー(A)と同一溶媒系での混合溶液とすることができ、良好な製膜が行えるためである。   The polymer electrolyte membrane composed of the polymer (A) and the polymer (B) can be obtained by any known method, but a solution containing the polymer (A) and the polymer (B) is prepared, and the solution is cast. It is preferable to obtain a film by drying. In general, polybenzimidazoles containing ionic groups (particularly polyvalent anionic groups) tend to have poor solubility in organic solvents, but the polymer (B) of the present invention has phosphonic acid groups. Regardless, it is characterized by high solubility in an organic solvent, and can be made into a mixed solution in the same solvent system as the polymer (A), so that a good film can be formed.

ポリマー(A)及びポリマー(B)を含む溶液を作製するには、それぞれのポリマーを別々に溶媒に溶解してから混合してもよいし、それぞれのポリマーを同じ溶媒に溶解してもよい。溶解は任意の温度で行うことができるが、30〜150℃の範囲で行うことが好ましい。溶媒には、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミド、N−モルフォリンオキサイドなどの非プロトン性有機極性溶媒や、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒、アセトンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒などの極性溶媒、及びこれらの有機溶媒の混合物、並びに水との混合物を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   In order to prepare a solution containing the polymer (A) and the polymer (B), the respective polymers may be separately dissolved in a solvent and then mixed, or the respective polymers may be dissolved in the same solvent. Although dissolution can be performed at any temperature, it is preferably performed in the range of 30 to 150 ° C. Solvents include aprotic such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphonamide, N-morpholine oxide, etc. Examples include organic polar solvents, polar solvents such as alcohol solvents such as methanol and ethanol, ketone solvents such as acetone, ether solvents such as diethyl ether, mixtures of these organic solvents, and mixtures with water. However, it is not limited to these.

また、ポリマーのスルホン酸基を塩にしたものを用いて混合物を作製し、その後、酸処理によってスルホン酸基を酸型に戻す処理を行って高分子電解質膜を得ることもできる。   Alternatively, a polymer electrolyte membrane can be obtained by preparing a mixture using a salt of a sulfonic acid group of a polymer and then performing a treatment for returning the sulfonic acid group to an acid type by acid treatment.

ポリマー溶液の濃度は0.1〜50重量%の範囲が好ましい。成形性の観点からは、5〜40重量%の範囲にあることがより好ましく、10〜30重量%の範囲がさらに好ましい。ポリマー濃度が0.1重量%より低いと、安定した膜厚の高分子電解質膜を得ることが困難となる。ポリマー濃度が50重量%より高くなると、溶液の取扱が困難となる。   The concentration of the polymer solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. From the viewpoint of moldability, it is more preferably in the range of 5 to 40% by weight, and still more preferably in the range of 10 to 30% by weight. When the polymer concentration is lower than 0.1% by weight, it is difficult to obtain a polymer electrolyte membrane having a stable film thickness. If the polymer concentration is higher than 50% by weight, handling of the solution becomes difficult.

ポリマー(A)とポリマー(B)の混合物からなる電解質膜は任意の厚みにすることができるが、10μm以下の場合、膜の取扱が困難となるとともに力学強度が不十分となるため、10μmを超える膜厚を有していることが好ましい。20μm以上であることがより好ましい。また、膜厚が300μmを超えると均質な膜の製造が困難になるため、300μmを超えない膜厚であることが好ましい。   The electrolyte membrane made of the mixture of the polymer (A) and the polymer (B) can have any thickness. However, when the thickness is 10 μm or less, the handling of the membrane becomes difficult and the mechanical strength becomes insufficient. It is preferable to have a film thickness exceeding. More preferably, it is 20 μm or more. Moreover, since it will become difficult to manufacture a homogeneous film when the film thickness exceeds 300 μm, it is preferable that the film thickness does not exceed 300 μm.

本発明の膜/触媒接合体は、本発明における高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の少なくとも片面に、直接接合された電極触媒層とを含み、膜/触媒界面の表面粗度が1μm以下である膜/触媒接合体である。前記膜/触媒接合体を作製するには、特に制限されないが、電極触媒、高分子電解質、および溶媒を含有する触媒スラリーを高分子電解質膜の片面または両面に塗布する方法が用いられる。これにより、高分子電解質膜の片面または両面に電極触媒および高分子電解質を含む電極触媒層を配置することができる。
前記電極触媒は、電極反応を促進させるものであれば特に制限なく用いられるが、導電性担体に触媒成分が担持されたものが好ましく用いられる。
The membrane / catalyst assembly of the present invention includes the polymer electrolyte membrane according to the present invention and an electrode catalyst layer directly bonded to at least one surface of the polymer electrolyte membrane, and the surface roughness of the membrane / catalyst interface is 1 μm. A membrane / catalyst assembly which is: The membrane / catalyst assembly is not particularly limited, but a method of applying a catalyst slurry containing an electrode catalyst, a polymer electrolyte, and a solvent to one side or both sides of the polymer electrolyte membrane is used. Thereby, the electrode catalyst layer containing an electrode catalyst and a polymer electrolyte can be disposed on one side or both sides of the polymer electrolyte membrane.
The electrode catalyst is not particularly limited as long as it promotes the electrode reaction, but one in which a catalyst component is supported on a conductive carrier is preferably used.

前記触媒成分は、カソード触媒層においては酸素の還元反応に触媒作用を有するものであればよく、アノード触媒層においては水素の酸化反応に触媒作用を有するものであればよい。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。   The catalyst component only needs to have a catalytic action in the oxygen reduction reaction in the cathode catalyst layer, and may have any catalytic action in the hydrogen oxidation reaction in the anode catalyst layer. Specifically, selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof, and the like Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%.

前記触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒層に用いられる触媒成分の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため触媒活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って触媒活性が低下する現象が見られる。従って、触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1.5〜15nm、より好ましくは2〜10nm、さらにより好ましくは2〜5nmであることが好ましい。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle size of the catalyst component used in the catalyst layer, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the catalytic activity is higher, but actually the average particle size is too small. A phenomenon in which the catalytic activity decreases is observed. Therefore, the average particle size of the catalyst particles contained in the catalyst layer is preferably 1.5 to 15 nm, more preferably 2 to 10 nm, and even more preferably 2 to 5 nm.

前記電極触媒における導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよい。前記導電性担体の比表面積は、好ましくは20〜1000m/g、より好ましくは80〜800m/gとするのがよい。前記比表面積が、20m/g以上の方が前記導電性担体における触媒成分および後述する高分子電解質の分散性が低下せず充分な発電性能が得られ、1000m/g以下であると触媒成分および高分子電解質の有効利用率が却って低下することが避けられる。 The conductive carrier in the electrode catalyst may be any material as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The specific surface area of the conductive carrier is preferably 20 to 1000 m 2 / g, more preferably 80 to 800 m 2 / g. When the specific surface area is 20 m 2 / g or more, sufficient power generation performance can be obtained without lowering the dispersibility of the catalyst component in the conductive support and the polymer electrolyte described later, and the catalyst is 1000 m 2 / g or less. It is avoided that the effective utilization rate of a component and a polymer electrolyte falls on the contrary.

前記導電性担体は、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、メソフェーズピッチ系黒鉛、および燐片状人造黒鉛などが挙げられる。なかでも、導電性担体としては、メソフェーズピッチ系黒鉛、および/または、燐片状人造黒鉛が好ましく用いられる。メソフェーズピッチ系黒鉛および燐片状人造黒鉛は、燐片状の結晶が外向きに配向した構造を有することから吸水性に優れ、触媒の保水の効果が得られる。   The conductive carrier is preferably composed mainly of carbon. Specific examples include carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, mesophase pitch graphite, and flake shaped artificial graphite. Of these, mesophase pitch graphite and / or flake shaped artificial graphite is preferably used as the conductive carrier. Mesophase pitch-based graphite and flake-shaped artificial graphite have a structure in which flake-shaped crystals are oriented outward, so that they have excellent water absorption, and the water retention effect of the catalyst can be obtained.

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

触媒スラリーにおける電極触媒の含有量は、特に制限されないが、触媒スラリーに対して、好ましくは45〜65質量%、より好ましくは50〜60質量%とするのがよい。これにより、高い発電性能を有する電極触媒層を作製することができる。   The content of the electrode catalyst in the catalyst slurry is not particularly limited, but is preferably 45 to 65% by mass, more preferably 50 to 60% by mass with respect to the catalyst slurry. Thereby, an electrode catalyst layer having high power generation performance can be produced.

次に、前記触媒スラリーに用いられる高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくともプロトン伝導性を有するのが好ましい。これにより高い発電性能を有する電極触媒層が得られる。   Next, the polymer electrolyte used in the catalyst slurry is not particularly limited and a known one can be used, but at least proton conductivity is preferable. Thereby, an electrode catalyst layer having high power generation performance is obtained.

前記触媒スラリーにおける高分子電解質の含有量は、特に制限されないが、触媒スラリーに対して、通常20〜75質量%であり、好ましくは30〜60質量%、より好ましくは35〜45質量%とするのがよい。前記高分子電解質の含有量が、20質量%未満であると電極触媒層に含まれる高分子電解質の含有量が十分でなく電解質膜と電極触媒層との十分な接合性が得られない恐れがあり、75質量%を超えると得られる電極触媒層における電極触媒の含有量が低下して電極触媒層の発電性能を低下させる恐れがある。   The content of the polymer electrolyte in the catalyst slurry is not particularly limited, but is usually 20 to 75% by mass, preferably 30 to 60% by mass, more preferably 35 to 45% by mass with respect to the catalyst slurry. It is good. If the content of the polymer electrolyte is less than 20% by mass, the content of the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer may not be sufficient, and sufficient bondability between the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer may not be obtained. If the amount exceeds 75% by mass, the content of the electrode catalyst in the obtained electrode catalyst layer may be reduced, and the power generation performance of the electrode catalyst layer may be reduced.

前記触媒スラリーに用いられる溶媒としては、特に制限されないが、水、および/または、メタノール、エタノール、1−プロパノール(NPA)、2−プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコール系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)など有機溶媒が挙げられる。   The solvent used in the catalyst slurry is not particularly limited, but water and / or alcohol solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol (NPA), 2-propanol, ethylene glycol, propylene glycol, N-methyl Organic solvents such as -2-pyrrolidone (NMP) can be mentioned.

前記触媒スラリーを電解質膜に塗布する方法は、公知の方法でよく、例えばカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を用いることができる。   The catalyst slurry may be applied to the electrolyte membrane by a known method, for example, curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method. A printing coating method or the like can be used.

本発明に用いられるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなどの炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状の導電性多孔質基材を少なくとも含むのが好ましい。これにより、高いガス拡散性が得られる。   The gas diffusion layer used in the present invention is not particularly limited, and known materials can be used in the same manner. For example, conductive materials such as carbon fabrics such as carbon paper and carbon cloth, paper-like paper bodies, felts, and nonwoven fabrics. And at least a sheet-like conductive porous substrate having porosity. Thereby, high gas diffusibility is obtained.

前記導電性多孔質基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくなく、電解質膜/触媒接合体の両側にガス拡散層が配置される。
本発明の方法では、上述の通りにして得られた膜/触媒接合体をガス拡散層基材と接合させることで膜/電極接合体が得られる。
The thickness of the conductive porous substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the gas diffusion layer to be obtained, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained. If the thickness exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates becomes undesirably long, and is not desirable on both sides of the electrolyte membrane / catalyst assembly. A gas diffusion layer is disposed.
In the method of the present invention, the membrane / electrode assembly is obtained by bonding the membrane / catalyst assembly obtained as described above to the gas diffusion layer substrate.

本発明の燃料電池は、本発明の膜/触媒接合体を用いて作製することができる。すなわち、膜/触媒接合体を一対のガス拡散層により挟持し、さらにセパレータで両側を挟持する。これを集電板と絶縁板を介してさらに両側を端板で締結することにより燃料電池を得ることができる。かかる本発明の燃料電池は、水素を燃料とした固体高分子形燃料電池に使用することができ、中でも自動車用燃料電池に特に適している。   The fuel cell of the present invention can be produced using the membrane / catalyst assembly of the present invention. That is, the membrane / catalyst assembly is sandwiched between a pair of gas diffusion layers, and both sides are sandwiched between separators. A fuel cell can be obtained by fastening this further with an end plate through a current collector plate and an insulating plate. Such a fuel cell of the present invention can be used for a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel, and is particularly suitable for an automobile fuel cell.

以下、本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

対数粘度(ポリマーA):ポリマー粉末を0.5g/dLの濃度でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln(ta/tb)/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。   Logarithmic viscosity (Polymer A): Polymer powder was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, and the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a thermostatic bath at 30 ° C. Evaluation was performed by ln (ta / tb) / c (ta is the number of seconds for dropping the sample solution, tb is the number of seconds for dropping only the solvent, and c is the polymer concentration).

対数粘度(ポリマーB):ポリマー粉末を0.5g/dLの濃度でメタンスルホン酸に溶解し、30℃の恒温槽中でオストワルド型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln(ta/tb)/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。   Logarithmic viscosity (Polymer B): Polymer powder was dissolved in methanesulfonic acid at a concentration of 0.5 g / dL, and the viscosity was measured using an Ostwald viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and logarithmic viscosity ln (ta / Evaluation was made by tb) / c (ta is the sample solution dropping time, tb is the solvent dropping time, and c is the polymer concentration).

耐久性評価:
燃料電池のアノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として酸素を供給し、連続開回路保持試験での耐久試験を行い、開回路電圧の変化を評価した。
結果を表1に示す。
Durability evaluation:
Hydrogen was supplied as fuel to the anode side of the fuel cell, oxygen was supplied as the oxidant to the cathode side, and an endurance test in a continuous open circuit holding test was performed to evaluate changes in the open circuit voltage.
The results are shown in Table 1.

<合成例1>ポリマー(A)の合成
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)71.02g(0.1446mole)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)24.87g(0.1446mole)、4,4’−ビフェノール53.84g(0.2891mole)、炭酸カリウム45.96g(0.3325mole)、モレキュラーシーブ2.61gを1l四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。430mlのNMPを入れて、150℃で一時間撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約8時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は1.19を示した。ポリマー(A)は、化学式(1)で表される化学構造を有し、n1、n2、及びm1が、n1/(n1+n2)=0.50、及び(n1+n2)/(m1)=1.0の関係を満たす1以上の整数であるものである。
<Synthesis Example 1> Synthesis of Polymer (A) 3,3'-Disulfo-4,4'-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) 71.02 g (0.1446 mole), 2,6-dichloro 24.87 g (0.1446 mole) of benzonitrile (abbreviation: DCBN), 53.84 g (0.2891 mole) of 4,4′-biphenol, 45.96 g (0.3325 mole) of potassium carbonate, and 2.61 g of molecular sieves in 4 liters. Weighed into a necked flask and flushed with nitrogen. After adding 430 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 195-200 ° C. and increasing the viscosity of the system sufficiently (about 8 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.19. The polymer (A) has a chemical structure represented by the chemical formula (1), and n1, n2, and m1 are n1 / (n1 + n2) = 0.50 and (n1 + n2) / (m1) = 1.0. It is an integer of 1 or more that satisfies the relationship.

<合成例2>ポリマー(B)の合成
3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン(略号:TAS)7.500g(0.02695mol)、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸モノナトリウム(略号:STA、純度99%)2.168g(0.00808mol)、5−ジカルボキシフェニルホスホン酸(略号:DCP、純度98%)4.6423g(0.01886mol)、ポリリン酸(五酸化リン含量75%)52.3g、五酸化リン42.9gを重合容器に量り取る。窒素を流し、オイルバス上ゆっくり撹拌しながら100℃まで昇温する。100℃で1時間保持した後、150℃に昇温して1時間、200℃に昇温して5時間重合した。重合終了後放冷し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いてpH試験紙中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。得られたポリマー(B)の対数粘度は、1.69dL/gであった。ポリマー(B)は、化学式(2)で表される化学構造を有し、n3、m2、及びm3が、m3/(m2+m3)=0.70、及び、n3/(m2+m3)=1.0の関係を満たす1以上の整数であるものである。
<Synthesis Example 2> Synthesis of Polymer (B) 7.500 g (0.02695 mol) of 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone (abbreviation: TAS), monosodium 2,5-dicarboxybenzenesulfonate (Abbreviation: STA, purity 99%) 2.168 g (0.00808 mol), 5-dicarboxyphenylphosphonic acid (abbreviation: DCP, purity 98%) 4.6423 g (0.0886 mol), polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content 75%) 52.3 g and phosphorus pentoxide 42.9 g are weighed into a polymerization vessel. The temperature is raised to 100 ° C. while slowly stirring on an oil bath while flowing nitrogen. After maintaining at 100 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 150 ° C. for 1 hour, and the temperature was raised to 200 ° C. and polymerized for 5 hours. After completion of the polymerization, the mixture was allowed to cool, water was added, the polymer was taken out, and washing with water was repeated until the pH test paper was neutral using a household mixer. The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The logarithmic viscosity of the obtained polymer (B) was 1.69 dL / g. The polymer (B) has a chemical structure represented by the chemical formula (2), and n3, m2, and m3 are m3 / (m2 + m3) = 0.70 and n3 / (m2 + m3) = 1.0. It is an integer of 1 or more that satisfies the relationship.

<実施例1>電解質膜の製造
ポリマー(A)115.30gと240gのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を500mlの枝付きフラスコにとり、窒素雰囲気下100℃で5時間撹拌して溶解した。ポリマー(B)11.40gと103gのNMPを500mlの枝付きフラスコにとり、窒素雰囲気下120℃で5時間撹拌して溶解した。ポリマー(B)の溶液の全量を、ポリマー(A)の溶液に加え、窒素雰囲気下100℃でさらに5時間撹拌して混合し、褐色の透明な均一溶液を得た。得られた溶液は、ガラス板上に400μmの厚みでキャストし、100℃、135℃、150℃で各5分加熱した後、150℃の窒素雰囲気下オーブンで1時間処理した。室温まで冷却した後、ガラス板を純水に浸けて膜を剥離し、そのまま膜を12時間純水に浸漬した後、2M希硫酸浸漬処理した後、洗液が中性になるまで純水で洗浄した。得られた膜は、表面に付着した水分を取り除き、ろ紙に挟んで加重をかけて24時間放置し、乾燥し、厚み約30μmの高分子電解質膜を得た。
Example 1 Production of Electrolyte Membrane 115.30 g of polymer (A) and 240 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) were placed in a 500 ml branch flask and dissolved by stirring at 100 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. . 11.40 g of polymer (B) and 103 g of NMP were placed in a 500 ml branch flask and dissolved by stirring at 120 ° C. for 5 hours under a nitrogen atmosphere. The total amount of the polymer (B) solution was added to the polymer (A) solution, and the mixture was further stirred and mixed at 100 ° C. for 5 hours under a nitrogen atmosphere to obtain a brown transparent uniform solution. The obtained solution was cast on a glass plate with a thickness of 400 μm, heated at 100 ° C., 135 ° C., and 150 ° C. for 5 minutes each, and then treated in an oven at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere for 1 hour. After cooling to room temperature, the glass plate is immersed in pure water to peel off the film, and the film is immersed in pure water for 12 hours, and then immersed in 2M dilute sulfuric acid, and then with pure water until the washing solution becomes neutral. Washed. The obtained membrane was freed from moisture adhering to the surface, sandwiched between filter papers, left under load for 24 hours, and dried to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of about 30 μm.

ガス拡散層の作製
カーボンペーパ(東レ株式会社製 カーボンペーパTGP-H-060、厚さ190μm)を50mm角に打抜いた基材を準備した。この基材を、PTFEのフッ素系水性ディスパージョン溶液(ダイキン工業社製 ポリフロンD-1E、PTFE60wt%含有)を純水で所定の濃度に調整した溶液中に5分浸漬させた後、オーブン内にて60℃、30分乾燥させることにより、前記基材中にPTFEを分散させた。このとき、PTFE含有量は25wt%であった。これにより、撥水処理された基材を得た。
続いて、カーボンブラック(CABOT社製 VULCAN(登録商標))XC-72R)5.4gと、上記で用いたのと同じPTFEのフッ素系水性ディスパージョン溶液1.0gと、水29.6gとをホモジナイザーにて3時間混合分散しスラリーを調整した。このスラリーを、先に作製した撥水処理基材の一方の面にバーコーターにより均一に塗布し、オーブン内にて60℃、1時間熱処理を行い、ガス拡散層を得た。
Preparation of Gas Diffusion Layer A base material was prepared by punching carbon paper (carbon paper TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 190 μm) into 50 mm square. After immersing this base material in a PTFE fluorine-based aqueous dispersion solution (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, Ltd., containing PTFE 60 wt%) to a predetermined concentration with pure water for 5 minutes, PTFE was dispersed in the substrate by drying at 60 ° C. for 30 minutes. At this time, the PTFE content was 25 wt%. As a result, a water repellent treated substrate was obtained.
Subsequently, 5.4 g of carbon black (VULCAN (registered trademark) XC-72R manufactured by CABOT), 1.0 g of the same PTFE fluorine-based aqueous dispersion solution used above, and 29.6 g of water were used in a homogenizer. The slurry was prepared by mixing and dispersing for 3 hours. This slurry was uniformly applied to one surface of the water-repellent treated substrate prepared previously by a bar coater and heat-treated in an oven at 60 ° C. for 1 hour to obtain a gas diffusion layer.

膜/触媒接合体の製造
1.膜/触媒接合体の作製
触媒担体であるカーボン上に触媒成分として平均粒子径3nmの白金を50質量%担持した電極触媒1質量部、水4質量部、5質量%ナフィオン溶液8質量部、イソプロパノール1.5質量部を混合することにより、触媒スラリーを調製した。前記触媒スラリーを、25℃の環境において、電解質膜(上述のポリマー(A)およびポリマー(B)よりなる高分子電解質膜、厚さ30μm、面積7cm×7cm)の両面にノードソン社製パルススプレーを用いて触媒スラリーを直接塗布し、前記電解質膜の両面に電極触媒層(厚さ25μm、面積5cm×5cm)が配置された膜/触媒接合体を作製した。作製した膜/触媒接合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察し、膜/触媒接合体の表面粗度が1μm以下であることを確認した。
Production of membrane / catalyst assemblies Production of membrane / catalyst assembly 1 part by weight of an electrode catalyst comprising 50% by weight of platinum having an average particle diameter of 3 nm as a catalyst component on carbon as a catalyst carrier, 4 parts by weight of water, 8 parts by weight of a 5% by weight Nafion solution, isopropanol A catalyst slurry was prepared by mixing 1.5 parts by mass. In the environment of 25 ° C., the catalyst slurry was subjected to a Nordson pulse spray on both surfaces of an electrolyte membrane (polymer electrolyte membrane made of the above-mentioned polymer (A) and polymer (B), thickness 30 μm, area 7 cm × 7 cm). The catalyst slurry was directly applied to prepare a membrane / catalyst assembly in which electrode catalyst layers (thickness 25 μm, area 5 cm × 5 cm) were arranged on both surfaces of the electrolyte membrane. The cross section of the produced membrane / catalyst assembly was observed with a scanning electron microscope, and it was confirmed that the surface roughness of the membrane / catalyst assembly was 1 μm or less.

2.燃料電池の作製
室温(25℃)、相対湿度80%の環境において、前記膜電極接合体を前記作製のガス拡散層によりカーボン粒子層が電極触媒層と接するようにして挟持し、電極触媒層が配置されずに露出している電解質膜の外周部に、シリコーンゴム製のシール材を配置し、セパレータで両側を挟持した。これを、さらに集電板と絶縁板を介して2枚のステンレス鋼製の端板で挟み、端板同士を締結ロッドで、1MPaの圧力で締結することにより燃料電池を得た。
2. Production of Fuel Cell In an environment of room temperature (25 ° C.) and relative humidity of 80%, the membrane electrode assembly is sandwiched by the produced gas diffusion layer so that the carbon particle layer is in contact with the electrode catalyst layer. A sealant made of silicone rubber was placed on the outer periphery of the exposed electrolyte membrane without being placed, and both sides were sandwiched between separators. This was further sandwiched between two stainless steel end plates via a current collector plate and an insulating plate, and the end plates were fastened with a fastening rod at a pressure of 1 MPa to obtain a fuel cell.

なお、前記セパレータはカーボン製のものを用い、外形寸法は、厚さ2mm、高さ130mm、幅260mmであり、カソードまたはアノードと対向する面には、セパレータ板の中央部20cm×9cmの領域に、2.9mmピッチ、幅約2mmの酸化剤ガス流路または燃料流路を形成した。また、冷却水用流路は、ピッチ2.9mm、幅約2mmとした。また、前記セパレータには、酸化剤ガス、燃料ガス、および冷却水のマニホルド穴を設けた。   The separator is made of carbon, and the outer dimensions are 2 mm in thickness, 130 mm in height, and 260 mm in width. On the surface facing the cathode or anode, the separator plate has a central portion of 20 cm × 9 cm. An oxidant gas channel or a fuel channel having a pitch of 2.9 mm and a width of about 2 mm was formed. Further, the cooling water channel has a pitch of 2.9 mm and a width of about 2 mm. The separator was provided with manifold holes for oxidant gas, fuel gas, and cooling water.

3.評価
上記で作製した燃料電池の発電性能を下記手順に従って評価した。
燃料電池のアノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として酸素を供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素は44.6℃、R.H.30%および0.261L/min、空気は44.6℃、R.H.30%、および1.041L/min、セル温度は90℃に設定し、水素利用率は30%、酸素利用率は30%とした。この条件下で、連続開回路保持試験を行い、保持時間と開回路電圧の変化を評価した。
3. Evaluation The power generation performance of the fuel cell produced above was evaluated according to the following procedure.
Hydrogen was supplied as a fuel to the anode side of the fuel cell, and oxygen was supplied as an oxidant to the cathode side. For both gases, the cell outlet pressure is atmospheric pressure, hydrogen is 44.6 ° C., R.V. H. 30% and 0.261 L / min, air is 44.6 ° C., R.V. H. 30% and 1.041 L / min, the cell temperature was set to 90 ° C., the hydrogen utilization rate was 30%, and the oxygen utilization rate was 30%. Under these conditions, a continuous open circuit holding test was performed to evaluate changes in holding time and open circuit voltage.

<比較例1>
下記化学式(3)のスルホン酸基含有ポリマー(ポリマー(A)と同じ方法で測定した対数粘度が1.31dL/g)をポリマー(A)の代わりに用いた以外は実施例1と同様にして膜/触媒接合体を作製し評価した。
<Comparative Example 1>
A sulfonic acid group-containing polymer represented by the following chemical formula (3) (with a logarithmic viscosity of 1.31 dL / g measured by the same method as the polymer (A)) was used in the same manner as in Example 1 except that the polymer (A) was used. Membrane / catalyst assemblies were prepared and evaluated.

Figure 2008166037
(化学式(3)において、n4、n5、m4は、n4=n5、及びm4=n4+n5を満たす、正の整数を表す。)
Figure 2008166037
(In the chemical formula (3), n4, n5, and m4 represent positive integers that satisfy n4 = n5 and m4 = n4 + n5.)

<比較例2>
実施例1と同様の電解質膜に、触媒-ガス拡散層積層体をカーボン粒子層が電極触媒層と接するようにして挟持した後、130℃、6.5Mpaで10分間ホットプレスすることで膜/触媒接合体を作製し、評価した。
<Comparative example 2>
After sandwiching the catalyst-gas diffusion layer laminate in the same electrolyte membrane as in Example 1 so that the carbon particle layer was in contact with the electrode catalyst layer, the membrane / hot-press was performed by hot pressing at 130 ° C. and 6.5 Mpa for 10 minutes. A catalyst assembly was prepared and evaluated.

実施例及び比較例の、高分子電解質膜及び膜/触媒接合体を用いた燃料電池の評価結果を表1に示す。なお、開回路電圧が0Vとなり、試験継続が不可能であるものは×と標記し、試験継続可能であるものについては○と標記した。   Table 1 shows the evaluation results of the fuel cells using the polymer electrolyte membranes and the membrane / catalyst assemblies in Examples and Comparative Examples. In addition, the open circuit voltage was 0 V, and those that could not continue the test were marked with ×, and those that could continue the test were marked with ○.

Figure 2008166037
Figure 2008166037

本発明の高分子電解質膜は優れた特性を示すと共に、膜/触媒接合体として燃料電池に用いることによって、耐久性を大きく改善できることから、産業界に寄与すること大である。   The polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits excellent characteristics, and can greatly improve the durability when used in a fuel cell as a membrane / catalyst assembly, and therefore greatly contributes to the industry.

実施例1および比較例1で作製した膜/触媒接合体界面の断面を示す拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view showing a cross section of a membrane / catalyst assembly interface produced in Example 1 and Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 触媒層
2 電解質層
1 Catalyst layer 2 Electrolyte layer

Claims (3)

下記化学式(1)で表される構造のポリマー(A)85〜95重量%および下記化学式(2)で表される構造のポリマー(B)5〜15重量%が混合されてなる高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の少なくとも片面に直接接合された電極触媒層とを含み、(C)膜/触媒界面の表面粗度が1μm以下であることを特徴とする、(D)水素を燃料とする燃料電池用の高分子電解質膜/触媒接合体。
Figure 2008166037

(上記式中、n1、n2は0.40≦n1/(n1+n2)≦0.70の関係を満たす1以上の整数を、m1は1以上の整数を、それぞれ示す)
Figure 2008166037
(上記式中、n3は1以上の整数を、m2,m3は0.60≦m3/(m2+m3)≦0.80の関係を満たす1以上の整数を、それぞれ示す)
Polymer electrolyte membrane formed by mixing 85 to 95% by weight of polymer (A) having a structure represented by the following chemical formula (1) and 5 to 15% by weight of polymer (B) having a structure represented by the following chemical formula (2) And (C) a surface roughness of the membrane / catalyst interface is 1 μm or less, (D) hydrogen as a fuel, and an electrode catalyst layer directly bonded to at least one surface of the polymer electrolyte membrane A polymer electrolyte membrane / catalyst assembly for a fuel cell.
Figure 2008166037

(In the above formula, n1 and n2 each represent an integer of 1 or more satisfying the relationship of 0.40 ≦ n1 / (n1 + n2) ≦ 0.70, and m1 represents an integer of 1 or more)
Figure 2008166037
(In the above formula, n3 represents an integer of 1 or more, and m2 and m3 represent an integer of 1 or more satisfying the relationship of 0.60 ≦ m3 / (m2 + m3) ≦ 0.80)
請求項1に記載の高分子電解質膜の少なくとも片面に対して、電極触媒、高分子電解質、および溶媒を含有する触媒スラリーを、膜/触媒界面の表面粗度が1μm以下になるように直接塗布して電極触媒層を形成することを特徴とする、水素を燃料とする燃料電池用の高分子電解質膜/触媒接合体の製造方法。   A catalyst slurry containing an electrode catalyst, a polymer electrolyte, and a solvent is directly applied to at least one surface of the polymer electrolyte membrane according to claim 1 so that the surface roughness of the membrane / catalyst interface is 1 μm or less. A method for producing a polymer electrolyte membrane / catalyst assembly for a fuel cell using hydrogen as a fuel, characterized in that an electrode catalyst layer is formed. 請求項1に記載の燃料電池用の高分子電解質膜/触媒接合体を用いたことを特徴とする、水素を燃料とする燃料電池。   A fuel cell using hydrogen as a fuel, wherein the polymer electrolyte membrane / catalyst assembly for a fuel cell according to claim 1 is used.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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