JP2008166050A - Polymer electrolyte membrane/catalyst assembly and its manufacturing method, as well as fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte membrane/catalyst assembly and its manufacturing method, as well as fuel cell Download PDF

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JP2008166050A JP2006352397A JP2006352397A JP2008166050A JP 2008166050 A JP2008166050 A JP 2008166050A JP 2006352397 A JP2006352397 A JP 2006352397A JP 2006352397 A JP2006352397 A JP 2006352397A JP 2008166050 A JP2008166050 A JP 2008166050A
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幸太 北村
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
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 membrane/catalyst assembly with durability improved without giving rise to deterioration of protonic conductivity. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte membrane/catalyst assembly comprises a polymer electrolyte membrane containing polymers expressed in formula (1) and formula (2), and an electrode catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規な高分子電解質膜、高分子電解質膜/触媒接合体(以下、単に「膜/触媒接合体」という場合がある)及びその製造方法、並びに該高分子電解質膜/電極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, a polymer electrolyte membrane / catalyst assembly (hereinafter sometimes simply referred to as “membrane / catalyst assembly”), a method for producing the same, and the polymer electrolyte membrane / electrode assembly. The present invention relates to a fuel cell using

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。中でも高分子固体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するため、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. Above all, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and because they have features such as being easy to start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing.

高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性のイオン交換膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオン(商品名)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。   As the polymer solid electrolyte membrane, a proton conductive ion exchange membrane is usually used. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane must have characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength that prevent permeation of hydrogen and the like of the fuel. As such a polymer solid electrolyte membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group is introduced as represented by Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA is known.

パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜は、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、コストや性能などで、より優れた膜を得るために、炭化水素系イオン交換膜の開発が盛んに行われている。また、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜などのフッ素系イオン交換膜は、燃料電池に使用した場合、運転条件によっては、排気ガス中に有害なフッ酸が発生したり、廃棄時に環境への負荷が大きいなどといった問題もある。   Perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membranes have well-balanced characteristics as electrolyte membranes for fuel cells, but hydrocarbon ion exchange membranes are actively developed to obtain better membranes in terms of cost and performance. Has been done. Fluorine ion exchange membranes such as perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membranes, when used in fuel cells, may generate harmful hydrofluoric acid in the exhaust gas depending on the operating conditions, or may cause environmental impact during disposal. There is also a problem such as large.

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。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、プロトン伝導性などの特性に優れているので、燃料電池への適用が検討されているが、乾燥時の脆性によって耐久性が問題となる場合があった。そこで、乾燥時の脆性を改良するために、スルホン化芳香族ポリマーと塩基性ポリマーとをブレンドすることが提案されている(例えば特許文献1及び2を参照)。   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. Among hydrocarbon polymer electrolyte membranes, those made of aromatic polymers have excellent proton conductivity and other properties, so their application to fuel cells is being studied. However, durability is a problem due to brittleness during drying. There was a case. Therefore, in order to improve brittleness at the time of drying, it has been proposed to blend a sulfonated aromatic polymer and a basic polymer (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

しかしながら、スルホン化芳香族ポリマーに対して塩基性ポリマーをブレンドすることによって、プロトン伝導性が低下する傾向があり、特に低湿度下でその傾向が著しいという問題点があった。   However, by blending a basic polymer with a sulfonated aromatic polymer, there is a tendency that proton conductivity tends to be lowered, and the tendency is particularly remarkable under low humidity.

特許第3688201号公報Japanese Patent No. 3688201 特許第3729735号公報Japanese Patent No. 3729735

本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、プロトン伝導性の低下を起こすことなく、耐久性が向上した高分子電解質膜、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 has been made against the background of the problems of the prior art. The polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane / catalyst assembly improved in durability without causing a decrease in proton conductivity, the production method thereof, and the An object of the present invention is to provide a fuel cell using a membrane / catalyst assembly.

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、以下を提供する。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have finally completed the present invention. That is, the present invention provides the following.

(1) 下記化学式(1)で表される構造からなるポリマー(A)と、下記化学式(2)で表される構造からなるポリマー(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を含む燃料電池用高分子の電解質膜。 (1) The polymer (A) having a structure represented by the following chemical formula (1) and the polymer (B) having a structure represented by the following chemical formula (2) have a weight fraction of the polymer (B) of 5 A polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a mixture mixed so as to be ˜15% by weight.

Figure 2008166050
(上記式中、n1、n2、m1、m2、m3は下記数式(1)〜(3)を満たす1以上の整数を表す。)
Figure 2008166050
(In the above formula, n1, n2, m1, m2, and m3 represent an integer of 1 or more that satisfies the following mathematical formulas (1) to (3).)

Figure 2008166050
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Figure 2008166050
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Figure 2008166050
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(上記式中、n3は1以上の整数を、m4、m5は下記数式(4)を満たす1以上の整数を、それぞれ表す。)
Figure 2008166050
(In the above formula, n3 represents an integer of 1 or more, and m4 and m5 each represents an integer of 1 or more that satisfies the following formula (4).)

Figure 2008166050
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(2) (1)に記載の燃料電池用高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の少なくとも片面と直接に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高分子電解質膜/触媒接合体。 (2) The polymer electrolyte membrane for fuel cells according to (1) 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 or less A polymer electrolyte membrane / catalyst assembly characterized in that:

(3) (1)に記載の燃料電池用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以下と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。 (3) A catalyst slurry containing an electrode catalyst, a polymer electrolyte, and a solvent is applied to at least one surface of the polymer electrolyte membrane for fuel cells according to (1), and 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, wherein the electrode catalyst layer is formed by direct coating so that

(4) (2)に記載の高分子電解質膜/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。 (4) A fuel cell using hydrogen as a fuel, wherein the polymer electrolyte membrane / catalyst assembly according to (2) is used.

本発明による高分子電解質膜/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、耐久性と低加湿下での出力特性に優れるといった効果を有している。   The polymer electrolyte membrane / catalyst assembly according to the present invention has improved durability without lowering proton conductivity as compared with the conventional one, and when used in a fuel cell, it has durability and low humidity. It has the effect of being excellent in output characteristics.

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

本発明の高分子電解質膜は、下記化学式(1)で表される構造からなるポリマー(A)と、下記化学式(2)で表される構造からなるポリマー(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。   The polymer electrolyte membrane of the present invention comprises a polymer (A) having a structure represented by the following chemical formula (1) and a polymer (B) having a structure represented by the following chemical formula (2). It is a polymer electrolyte membrane for fuel cells which consists of a mixture mixed so that the weight fraction may become 5 to 15 weight%.

Figure 2008166050
(上記式中、n1、n2、m1、m2、m3は下記数式(1)〜(4)を満たす1以上の整数を表す。)
Figure 2008166050
(In the above formula, n1, n2, m1, m2, and m3 represent an integer of 1 or more that satisfies the following mathematical formulas (1) to (4).)

Figure 2008166050
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(上記式中、n3は1以上の整数を、m4、m5は下記数式(4)を満たす1以上の整数を、それぞれ表す。)
Figure 2008166050
(In the above formula, n3 represents an integer of 1 or more, and m4 and m5 each represents an integer of 1 or more that satisfies the following formula (4).)

Figure 2008166050
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化学式(1)で表されるポリマーAにおいて、n1/(n1+n2)は0.45〜0.60の範囲にあることが好ましく、0.45〜0.50の間であるとより好ましい。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、十分な出力を得ることができない。n1/(n1+n2)が0.70よりも大きいと、膜の膨潤性が大きくなりすぎて耐久性が低下するなどの問題の原因となる。   In the polymer A represented by the chemical formula (1), n1 / (n1 + n2) is preferably in the range of 0.45 to 0.60, and more preferably between 0.45 and 0.50. When n1 / (n1 + n2) is smaller than 0.40, sufficient output cannot be obtained when used in a fuel cell using hydrogen as fuel. When n1 / (n1 + n2) is larger than 0.70, the swelling property of the film becomes too large, which causes problems such as a decrease in durability.

また、m3/(m1+m2+m3)は、0.01〜0.03の間であると好ましい。m3/(m1+m2+m3)が0.005よりも少なくなると、膜/電極接合性の耐久性が低下することがある。m3/(m1+m2+m3)が0.05よりも大きくなると、高重合度のポリマーを得ることが困難になる場合がある。   Further, m3 / (m1 + m2 + m3) is preferably between 0.01 and 0.03. When m3 / (m1 + m2 + m3) is less than 0.005, the durability of the membrane / electrode bondability may be lowered. When m3 / (m1 + m2 + m3) is larger than 0.05, it may be difficult to obtain a polymer having a high degree of polymerization.

さらに、m2/(m1+m2)は、0.05〜0.15の範囲であると好ましい。m2/(m1+m2)が0.01よりも小さくなると、低加湿下でのプロトン伝導性が低下する場合がある。m2/(m1+m2)が0.20よりも大きいと、膜の膨潤性が大きくなり耐久性が低下する場合がある。   Furthermore, m2 / (m1 + m2) is preferably in the range of 0.05 to 0.15. When m2 / (m1 + m2) is smaller than 0.01, proton conductivity may be lowered under low humidification. When m2 / (m1 + m2) is larger than 0.20, the swellability of the film increases and the durability may decrease.

ポリマー(A)における、n1+n2+m1+m2+m3は、5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+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。   N1 + n2 + m1 + m2 + m3 in the polymer (A) may be an integer of 5 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 + 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(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、0.1〜3.0の間にあることが好ましく、0.8〜2.0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 an Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and ln [ta / tb] / c The logarithmic viscosity (ta is the sample solution dropping time, tb is the solvent dropping time, and c is the polymer concentration) is preferably between 0.1 and 3.0, More preferably, it is between 2.0.

化学式(2)で表されるポリマー(B)について、m5/(m4+m5)は0.65〜0.75の間であると好ましい。m5/(m4+m5)が0.60よりも小さいと耐久性が低下する場合があり、0.80よりも大きいと溶解性が低下する場合がある。   For the polymer (B) represented by the chemical formula (2), m5 / (m4 + m5) is preferably between 0.65 and 0.75. If m5 / (m4 + m5) is smaller than 0.60, the durability may be lowered, and if it is larger than 0.80, the solubility may be lowered.

ポリマー(B)における、n3+m4+m5は、2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)/(m4+m5)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。   N3 + m4 + m5 in the polymer (B) may be an integer of 2 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) / (m4 + m5) 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、0.25〜10の範囲であること好ましく、0.40〜8の範囲にあることがより好ましい。対数粘度が0.25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ことがあり好ましくない。また、対数粘度が10を超えると粘度の上昇に成形することが困難になることがあり好ましくない。   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 at a concentration of 0.5 g / dL, the viscosity is measured using an Ostwald viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and it is obtained by 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 in the range of 0.25 to 10, preferably in the range of 0.40 to 8. Is more preferable. When the logarithmic viscosity is less than 0.25, it may be difficult to obtain a molded product due to a decrease in viscosity, which is not preferable. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 10, it may be difficult to form a viscosity increase, which is not preferable.

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、耐久性が低下する恐れがあり、15重量%よりも多いとプロトン伝導性が低下する場合がある。ポリマー(A)とポリマー(B)の混合比は、NMR法、IR法、GPC法、元素分析法など公知の任意の方法によって測定することができる。   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 may be lowered, and when it is more than 15% by weight, the proton conductivity may be lowered. The mixing ratio of the polymer (A) and the polymer (B) can be measured by any known method such as NMR method, IR method, GPC method, and elemental analysis method.

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ると簡便に重合することができる。モノマーとしては、例えば、4,4’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシド、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を用いることができる。これらのモノマーを、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)を用いることができる。   The polymer (A) can be synthesized by any known method. For example, the polymer (A) can be easily polymerized by using an aromatic nucleophilic substitution reaction. Examples of the monomer include 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10. -Oxides, 2,6-dichlorobenzonitrile, sodium 4,4'-dichlorodiphenylsulfone-3,3'-disulfonate can be used. The polymer (A) can be used by heating these monomers 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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシドを、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, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9- is used without using a basic compound. Oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide reacted with an isocyanate compound such as phenyl isocyanate to carbamoylate, 2,6-dichlorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone-3,3 ′ It is also possible to react directly with sodium 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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシド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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシドの合計に対して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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシドの合計に対して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, but 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 10 As long as it can convert-(2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide into an active phenoxide structure, it is not limited to these. it can. Basic compounds are 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-. Polymerization can be satisfactorily performed when an amount of 100 mol% or more based on the total amount of oxides is used, and preferably 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 10- (2,5-dihydroxyphenyl). ) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide in a range of 105 to 125 mol%. 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)で表される構造における構成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く、特に限定されるものではない。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 arrangement order of the structural units in the structure represented by the chemical formula (1) may be any of alternating, block, and random, and is not particularly limited. 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が、例えば、重縮合反応で重合すると簡便に得ることができる。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。   The polymer (B) can be polymerized by any known method. For example, the polymer (B) can be easily obtained by polymerizing by a polycondensation reaction. As the monomer, for example, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl sulfone, 2-sulfoterephthalic acid monosodium salt, and 3,5-dicarboxybenzenephosphonic acid 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)で表される構造における構成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く、特に限定されるものではない。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 (B), the arrangement order of the structural units in the structure represented by the chemical formula (2) may be any of alternating, block, and random, and is not particularly limited. If it is a block copolymer, it will show the tendency for proton conductivity and water absorption to become high.

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。一例として、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できる。   The polymer electrolyte membrane comprising the polymer (A) and the polymer (B) can be obtained by any known method. As an example, a solution containing polymer (A) and polymer (B) can be prepared, and the solution can be cast and dried to obtain a film.

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、特許文献1又は2にあるように、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電解質膜を得ることもできる。   In addition, as described in Patent Document 1 or 2, a mixture is prepared using a salt of a sulfonic acid group of a polymer, and then an electrolyte membrane is formed by performing a treatment for returning the sulfonic acid group to an acid type by acid treatment. It can also be obtained.

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。   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.

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未満だと所定の特性を満たすことが困難になるので10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、300μmを超えると製造が困難になるため、300μm以下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, but if it is less than 10 μm, it becomes difficult to satisfy the predetermined characteristics, so that it is preferably 10 μm or more, and 20 μm More preferably. Moreover, since manufacture will become difficult when it exceeds 300 micrometers, it is preferable that it is 300 micrometers or less.

本発明の高分子電解質膜/電極接合体は、本発明の高分子電解質膜の少なくとも片面に、電極触媒層(好ましくは、白金担持炭素粉とアイオノマーと溶剤からなる触媒層)を有する膜/触媒接合体である。本発明の膜/触媒接合体は、本発明のイオン交換膜に膜/触媒界面の表面粗度が1μm以下の触媒層を直接接合することによって製造することができる。   The polymer electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention is a membrane / catalyst having an electrode catalyst layer (preferably a catalyst layer comprising a platinum-supported carbon powder, an ionomer and a solvent) on at least one side of the polymer electrolyte membrane of the present invention. It is a joined body. The membrane / catalyst assembly of the present invention can be produced by directly joining a catalyst layer having a membrane / catalyst interface surface roughness of 1 μm or less to the ion exchange membrane of the present invention.

より詳しくは、前記膜/触媒接合体は任意の方法によって作製することができ、特定の方法に制限されるものではないが、一例として、電極触媒、高分子電解質、及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によって作製することができる。この方法を用いることにより、高分子電解質膜の片面または両面に電極触媒及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。   More specifically, the membrane / catalyst assembly can be prepared by any method, and is not limited to a specific method, but as an example, a catalyst slurry containing an electrode catalyst, a polymer electrolyte, and a solvent. Can be produced by a method of applying to one or both sides of the polymer electrolyte membrane. By using this method, an 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.

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ることができるが、好ましくは触媒成分を担持した導電性担体を用いることができる。   The electrode catalyst can be used without particular limitation as long as it promotes the electrode reaction, but preferably a conductive carrier carrying a catalyst component can be 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することができる。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い。前記合金の組成は、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%、合金化するその他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。カソード触媒と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%、合金化するその他の金属が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 can do. Among these, those containing at least platinum are preferable in order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, and the like. The composition of the alloy varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art. However, platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are preferably 10 to 70 atomic%. The composition of the alloy when the alloy is used as the 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 to 70. It is preferable to use atomic%.

前記触媒成分の形状や大きさは、公知の触媒成分と同様の形状や大きさであってよく、特に限定されるものではない。触媒成分は、粒状であることが好ましい。電極触媒層に用いる触媒成分の平均粒子径は、小さくなる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、小さすぎると触媒活性が却って低下する場合がある。電極触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1.5〜15nmの範囲にあることが好ましく、2〜10nmの範囲にあることがより好ましく、2〜5nmであることがさらに好ましい。   The shape and size of the catalyst component may be the same shape and size as known catalyst components, and is not particularly limited. The catalyst component is preferably granular. The smaller the average particle size of the catalyst component used in the electrode catalyst layer, the higher the catalytic activity because the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds increases, which is preferable. However, if it is too small, the catalytic activity may decrease instead. The average particle diameter of the catalyst particles contained in the electrode catalyst layer is preferably in the range of 1.5 to 15 nm, more preferably in the range of 2 to 10 nm, and further preferably in the range of 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伝導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未満であると、前記導電性担体における触媒成分及び後述する高分子電解質の分散性が低下して充分な発電性能が得られず好ましくなく、1000m/gを超えると触媒成分及び高分子電解質の有効利用率が低下する場合があり好ましくない。 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 electron 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. The specific surface area is less than 20 m 2 / g, the dispersibility of the catalyst component and later to polymer electrolyte in the conductive carrier is not preferred not sufficient power generation performance can be obtained by reduction, the 1000 m 2 / g If it exceeds, the effective utilization rate of the catalyst component and the polymer electrolyte may decrease, which is not preferable.

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、及び燐片状人造黒鉛などが挙げられる。中でも、導電性担体としては、メソフェーズピッチ系黒鉛、及び/又は、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及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、触媒の保水性を向上させる効果を有している。   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. Among these, mesophase pitch graphite and / or flake artificial graphite is preferably used as the conductive carrier. Mesophase pitch-based graphite and flake-shaped artificial graphite have a structure in which flake-like crystals are oriented outward, and thus have excellent water absorption and have the effect of improving the water retention of the catalyst.

また、前記導電性担体の大きさは特に限定されるものではないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層を適切な厚みに制御すること、といった観点からは、平均粒子径が5〜200nmであることが好ましく、10〜100nm程度とするのがより好ましい。   Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but the average particle size is 5 from the viewpoint of easy loading, catalyst utilization, and control of the electrode catalyst layer to an appropriate thickness. It is preferably ˜200 nm, more preferably about 10 to 100 nm.

前記触媒スラリーにおける電極触媒の含有量は特に限定されるものではないが、触媒スラリーに対して、45〜65質量%とすることが好ましく、50〜60質量%とすることがより好ましい。含有量を前記の範囲にすることにより、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。   Although content of the electrode catalyst in the said catalyst slurry is not specifically limited, It is preferable to set it as 45-65 mass% with respect to a catalyst slurry, and it is more preferable to set it as 50-60 mass%. By setting the content within the above range, an electrode catalyst layer having high power generation performance can be produced.

前記触媒スラリーに用いる高分子電解質としては、特に限定されるものではなく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。   The polymer electrolyte used for the catalyst slurry is not particularly limited and may be a known one, but preferably has at least proton conductivity. Thereby, an electrode catalyst layer having high power generation performance is obtained.

ある具体例においては、高分子電解質としてはアイオノマーが好ましい。アイオノマーとしては特に限定されないが、ナフィオンに代表されるパーフルオロスルホン酸ポリマーや、非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入した、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)などの、プロトン伝導性を有するポリマーが挙げられる。   In certain embodiments, ionomers are preferred as the polymer electrolyte. Although it does not specifically limit as an ionomer, The polyether sulfone (PES) which introduce | transduced the sulfonic acid group into the perfluorosulfonic acid polymer represented by Nafion, and the non-fluorine-type aromatic ring containing polymer, polyether ketone (PEK), Examples thereof include polymers having proton conductivity such as polyether ether ketone (PEEK) and polyether ketone ketone (PEKK).

前記触媒スラリーにおける高分子電解質の含有量は、特に限定されるものではないが、触媒スラリーに対して、通常20〜75質量%であり、30〜60質量%とすることが好ましく、35〜45質量%とすることがより好ましい。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場合があり、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場合がある。   The content of the polymer electrolyte in the catalyst slurry is not particularly limited, but is usually 20 to 75% by mass and preferably 30 to 60% by mass with respect to the catalyst slurry. It is more preferable to set it as the mass%. When the content of the polymer electrolyte is less than 20% by mass, the content of the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer is not 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る溶媒としては、特に限定されるものではないが、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)などの有機溶媒、前記有機溶媒と水との混合物、水などを挙げることができる。   Although it does not specifically limit as a solvent used for the said catalyst slurry, Alcohol solvents, such as methanol, ethanol, 1-propanol (NPA), 2-propanol, ethylene glycol, propylene glycol, N-methyl-2- An organic solvent such as pyrrolidone (NMP), a mixture of the organic solvent and water, water and the like 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。
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。
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.
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.

本発明の燃料電池は、本発明の高分子電解質膜/触媒接合体と一対のガス拡散層を用いて作製することができる。(膜上に触媒層とガス拡散層を層状に接合することにより得ることができる)。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適しており、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 polymer electrolyte membrane / catalyst assembly of the present invention and a pair of gas diffusion layers. (It can be obtained by joining the catalyst layer and the gas diffusion layer in layers on the membrane). The fuel cell of the present invention is suitable for a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel, and 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 using ln [ta / tb] / c (ta is the falling seconds of the sample solution, tb is the falling seconds of the solvent alone, 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 the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / c (ta is the drop time of the sample solution, tb is the drop time of the solvent only, and c is the polymer concentration).

プロトン伝導性:自作測定用プローブ(テトラフルオロエチレン樹脂製)上で電解質膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押し当て、80℃、相対湿度95%の恒温恒湿機内に保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
Proton conductivity: A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of the electrolyte membrane sample on a probe for self-made measurement (made of tetrafluoroethylene resin) and held in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C. and 95% relative humidity. The impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

イオン交換容量:100℃で1時間乾燥し、窒素雰囲気下室温で一晩放置した電解質膜の重量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量を求めた。 Ion exchange capacity: Weighed the electrolyte membrane which was dried at 100 ° C. for 1 hour and allowed to stand overnight at room temperature in a nitrogen atmosphere, stirred with an aqueous sodium hydroxide solution, and then obtained an ion exchange capacity by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution. .

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。
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.

<合成例1>ポリマー(A)の合成
3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS)54.492g(110.93mmol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)20.670g(120.17mol)、4,4’−ビフェノール(略号:BP)37.868g(203.36mmol)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド(略号:BPS)5.044g(23.11mmol)、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシド(略号:DHPPP)1.499g(4.62mol)、炭酸カリウム35.134g(254.20mmol)、乾燥したモレキュラーシーブ3−A 50gを100ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。300mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、150℃で30分撹拌した後、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13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。その後、ポリマーを、1Mの硫酸1Lに1時間ずつ2回浸漬したあと、純水で洗浄水が中性になるまで洗浄し、乾燥した。ポリマーAは、前記化学式(1)の構造であり、n1:n2=44:56、m1:m2:m3=88:10:2、n1+n2=m1+m2+m3であり、n1/(n1+n2)=0.44、m3/(m1+m2+m3)=0.02、m2/(m1+m2)=0.10となるものである。得られたポリマー(A)の対数粘度は1.65dL/gだった。
Synthesis Example 1 Synthesis of Polymer (A) 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 54.492 g (110.93 mmol), 2,6-dichlorobenzo Nitrile (abbreviation: DCBN) 20.670 g (120.17 mol), 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 37.868 g (203.36 mmol), bis (4-hydroxyphenyl) sulfide (abbreviation: BPS) 044 g (23.11 mmol), 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (abbreviation: DHPPP) 1.499 g (4.62 mol) , 35.134 g (254.20 mmol) of potassium carbonate, dried molecular sieve 3 -A 50 g was weighed into a 100 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. Add 300 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) and stir at 150 ° C. for 30 minutes, then raise the reaction temperature to 195-200 ° C. Continued (about 13 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The resulting polymer was washed in boiling water for 1 hour. Thereafter, the polymer was immersed in 1 L of 1 M sulfuric acid twice for 1 hour, washed with pure water until the washing water became neutral, and dried. Polymer A has the structure of the chemical formula (1), n1: n2 = 44: 56, m1: m2: m3 = 88: 10: 2, n1 + n2 = m1 + m2 + m3, and n1 / (n1 + n2) = 0.44. m3 / (m1 + m2 + m3) = 0.02 and m2 / (m1 + m2) = 0.10. The logarithmic viscosity of the obtained polymer (A) was 1.65 dL / g.

<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)3.660g(13.15mmol)、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%)1.058g(3.946mmol)、5−ジカルボキシフェニルホスホン酸(略号:DCP、純度98%)2.266g(9.20mmol)、ポリリン酸(五酸化リン含量75%)50.00g、五酸化リン40.00g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6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。ポリマーBは、前記化学式(2)の構造であり、m4:m5=30:70、n3=m4+m5であり、m5/(m4+m5)=0.70となるものである。得られたポリマー(B)の対数粘度は、1.20dL/gであった。
Synthesis Example 2 Synthesis of Polymer (B) 3.660 g (13.15 mmol) of 3,3 ′, 4,4-tetraaminodiphenylsulfone (abbreviation: TAS), monosodium 2,5-dicarboxybenzenesulfonate ( Abbreviation: STA, purity 99%) 1.058 g (3.946 mmol), 5-dicarboxyphenylphosphonic acid (abbreviation: DCP, purity 98%) 2.266 g (9.20 mmol), polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content 75) %) 50.00 g and phosphorus pentoxide 40.00 g are weighed in a polymerization vessel. Flow nitrogen and raise the temperature to 100 ° C while stirring gently on an oil bath. 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 6 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 polymer B has the structure of the chemical formula (2), m4: m5 = 30: 70, n3 = m4 + m5, and m5 / (m4 + m5) = 0.70. The logarithmic viscosity of the obtained polymer (B) was 1.20 dL / g.

<実施例1>電解質膜の製造
ポリマー(A)27.0gと63.0gのNMPを200mL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)3.0gと27.0gのNMPを50mL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300μmの厚みでキャストし、80℃で1時間、120℃で1時間、150℃で1時間、それぞれ加熱した。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。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。得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性は0.17S/cm、イオン交換容量は2.27meq/gであった。
Example 1 Production of Electrolyte Membrane 27.0 g of polymer (A) and 63.0 g of NMP were placed in a 200 mL branch flask and dissolved by stirring at 100 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. 3.0 g of polymer (B) and 27.0 g of NMP were placed in a 50 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 resulting solution was cast on a glass plate with a thickness of 300 μm and heated at 80 ° C. for 1 hour, 120 ° C. for 1 hour, and 150 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, the glass plate was immersed in pure water to peel off the film, and the film was immersed in pure water for 12 hours. 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. The obtained polymer electrolyte membrane had a proton conductivity of 0.17 S / cm and an ion exchange capacity of 2.27 meq / g.

<実施例2>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。
<Example 2> Production of membrane / catalyst assembly 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. Using the pulse slurry made by Nordson on both sides of the electrolyte slurry (polymer electrolyte membrane comprising the above-mentioned polymer (A) and polymer (B), thickness 30 μm, area 7 cm × 7 cm) in an environment of 25 ° C. 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.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。
2. 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.

3.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。
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。
3. Fabrication of Fuel Cell In an environment of room temperature (25 ° C.) and relative humidity of 80%, the membrane electrode assembly is sandwiched by the gas diffusion layer so that the carbon particle layer is in contact with the electrode catalyst layer, and the electrode catalyst layer is disposed. A sealing material made of silicone rubber was placed on the outer periphery of the exposed electrolyte membrane, and both sides were sandwiched by a separator. 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.
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.

4.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。
4). 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と同様にして高分子電解質膜を作製した。得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性は0.16S/cm、イオン交換容量は2.06meq/gであった。得られた高分子電解質膜から実施例2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. A polymer electrolyte membrane was prepared. The obtained polymer electrolyte membrane had a proton conductivity of 0.16 S / cm and an ion exchange capacity of 2.06 meq / g. From the obtained polymer electrolyte membrane, a membrane / catalyst assembly was produced and evaluated in the same manner as in Example 2.

Figure 2008166050
(化学式(3)において、n4、n5、m6は、n4=n5、及びm6=n4+n5を満たす、正の整数を表す。)
Figure 2008166050
(In chemical formula (3), n4, n5, and m6 represent positive integers that satisfy n4 = n5 and m6 = n4 + n5.)

<比較例2>
構造が公知である比較例1のポリマー30gと90gのNMPを200mL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。得られた溶液は、ガラス板上に300μmの厚みでキャストし、80℃で1時間、120℃で1時間、150℃で1時間、それぞれ加熱した。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。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。得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性は0.27S/cm、イオン交換容量は1.97meq/gであった。膜/触媒接合体については実施例2と同様にして作製した。
<Comparative example 2>
30 g of the polymer of Comparative Example 1 having a known structure and 90 g of NMP were placed in a 200 mL branch flask and dissolved by stirring at 100 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. The resulting solution was cast on a glass plate with a thickness of 300 μm and heated at 80 ° C. for 1 hour, 120 ° C. for 1 hour, and 150 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, the glass plate was immersed in pure water to peel off the film, and the film was immersed in pure water for 12 hours. 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. The obtained polymer electrolyte membrane had a proton conductivity of 0.27 S / cm and an ion exchange capacity of 1.97 meq / g. The membrane / catalyst assembly was produced in the same manner as in Example 2.

Figure 2008166050
(化学式(3)において、n4、n5、m6は、n4=n5、及びm6=n4+n5を満たす、正の整数を表す。)
Figure 2008166050
(In chemical formula (3), n4, n5, and m6 represent positive integers that satisfy n4 = n5 and m6 = n4 + n5.)

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, when the open circuit voltage was 0 V and the test could not be continued, “X” was marked, and when the test could be continued, “◯” was marked.

Figure 2008166050
Figure 2008166050

本発明の高分子電解質膜は優れた特性を示すと共に、膜/電極接合体として燃料電池に用いることによって、低加湿下での出力と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 output and durability under low humidification by being used in a fuel cell as a membrane / electrode assembly. It is.

実施例および比較例で作製した膜/触媒接合体界面の断面を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the cross section of the membrane / catalyst assembly interface produced by the Example and the comparative example.

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)で表される構造からなるポリマー(A)と、下記化学式(2)で表される構造からなるポリマー(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を含む燃料電池の用高分子電解質膜と前記高分子電解質膜の少なくとも片面と直接に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燃料電池用の高分子電解質膜/触媒接合体。
Figure 2008166050
(上記式中、n1、n2、m1、m2、m3は下記数式(1)〜(3)を満たす1以上の整数を表す。)
Figure 2008166050
Figure 2008166050
Figure 2008166050
Figure 2008166050
(上記式中、n3は1以上の整数を、m4、m5は下記数式(4)を満たす1以上の整数を、それぞれ表す。)
Figure 2008166050
The polymer (A) having a structure represented by the following chemical formula (1) and the polymer (B) having a structure represented by the following chemical formula (2) have a weight fraction of the polymer (B) of 5 to 15 weights. % Of a polymer electrolyte membrane for a fuel cell containing a mixture mixed so as to be an electrode 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 A polymer electrolyte membrane / catalyst assembly for a fuel cell, characterized by being 1 μm or less.
Figure 2008166050
(In the above formula, n1, n2, m1, m2, and m3 represent an integer of 1 or more that satisfies the following mathematical formulas (1) to (3).)
Figure 2008166050
Figure 2008166050
Figure 2008166050
Figure 2008166050
(In the above formula, n3 represents an integer of 1 or more, and m4 and m5 each represents an integer of 1 or more that satisfies the following formula (4).)
Figure 2008166050
前記化学式(1)で表される構造からなるポリマー(A)と、前記化学式(2)で表されるポリマー(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を含む燃料電池用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以下と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。   The polymer (A) having the structure represented by the chemical formula (1) and the polymer (B) represented by the chemical formula (2) have a weight fraction of the polymer (B) of 5 to 15% by weight. A catalyst slurry containing an electrode catalyst, a polymer electrolyte, and a solvent with respect to at least one surface of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell containing the mixture thus mixed has a surface roughness of the membrane / catalyst interface of 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 the electrode catalyst layer is formed by direct coating. 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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JP2012528425A (en) * 2009-05-29 2012-11-12 ソルビコア ゲーエムベーハー ウント コンパニー カーゲー Method for producing a catalyst layer for a fuel cell

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