JP2008186784A - Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell which has a high output voltage and an excellent load response. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly 10 for the polymer electrolyte fuel cell is provided with an anode 13 and a cathode 14 which have a catalyst layer 11 containing a proton conductive fluorine-contained polymer and a carbon material and a solid polymer electrolyte membrane 15 arranged between the anode 13 and the cathode 14. An ion exchange capacity of the proton conductive fluorine-contained polymer is 1.4-1.8 milli-equivalent/g dry resin, and a moisture content of the proton conductive fluorine-contained polymer is 150 mass% or less, and a mass ratio of the proton conductive fluorine-contained polymer and the carbon material (the proton conductive fluorine-contained polymer/the carbon material) is 0.7-0.8. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、電気自動車用、家庭用の電源として注目されている。該固体高分子形燃料電池は、2つのセパレータの間に膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルを、セパレータと膜電極接合体とが交互に重なるように、スタックしたものである。膜電極接合体は、触媒およびプロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するアノードおよびカソードと、アノードとカソードとの間に配置される固体高分子電解質膜とを備えたものである。   Solid polymer fuel cells are attracting attention as power sources for electric vehicles and households. The polymer electrolyte fuel cell is a cell in which a membrane electrode assembly is sandwiched between two separators, and a plurality of cells are stacked such that separators and membrane electrode assemblies are alternately stacked. is there. The membrane / electrode assembly includes an anode and a cathode having a catalyst layer containing a catalyst and a proton conducting polymer, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode.

触媒としては、カーボンブラック等のカーボン材料からなる担体に白金または白金合金を担持した担持触媒が知られている。
プロトン伝導性ポリマーとしては、下記ポリマーが知られている。
テトラフルオロエチレンとCF=CF−(OCFCFX−O−(CF−A(ただし、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0または1であり、Aはスルホン酸型官能基ある。)の共重合体(特許文献1)。
As the catalyst, a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a support made of a carbon material such as carbon black is known.
The following polymers are known as proton conductive polymers.
Tetrafluoroethylene and CF 2 = CF- (OCF 2 CFX 1) m -O p - (CF 2) n -A ( provided that, X 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3 N is an integer of 1 to 12, p is 0 or 1, and A is a sulfonic acid type functional group) (Patent Document 1).

該プロトン伝導性ポリマーを触媒層に用いた場合、高い出力電圧の膜電極接合体を得るためには、プロトン伝導性ポリマーと、担持触媒の担体であるカーボン材料との質量比(プロトン伝導性ポリマー/カーボン材料)を通常0.9以上とする必要がある。しかし、該膜電極接合体には、下記問題がある。
たとえば、電気自動車のアクセルを急に踏む等により、急激な電流変化が起こった場合、出力電圧が急激に低下し、しかも低下した出力電圧が元の出力電圧に戻るまでに時間がかかる。
When the proton conductive polymer is used in the catalyst layer, in order to obtain a membrane electrode assembly having a high output voltage, the mass ratio between the proton conductive polymer and the carbon material that is the carrier of the supported catalyst (proton conductive polymer). / Carbon material) usually needs to be 0.9 or more. However, the membrane electrode assembly has the following problems.
For example, when an abrupt current change occurs due to sudden depression of an accelerator of an electric vehicle, the output voltage rapidly decreases, and it takes time for the decreased output voltage to return to the original output voltage.

よって、膜電極接合体には、急激な電流変化によって出力電圧が急激に低下したとしても、低下した出力電圧が元の出力電圧に素早く戻る性能(以下、負荷応答性と記す。)が要求される。
通常、固体分子形燃料電池においては、アノードに供給する燃料ガスおよびカソードに供給する酸化ガスの圧力および流量が大きいほど出力電流を多く取り出すことができる。そのため、通常の固体分子形燃料電池においては、燃料ガスおよび酸化ガスの圧力または流量を大きくすることによって、負荷応答性を確保している。
しかし、必要以上の圧力または流量で燃料ガスおよび酸化ガスを供給することは、燃料ガスおよび酸化ガスのロスが増えることに加え、コンプレッサを駆動する電力も無駄になり、燃料電池システムの効率低下を避けられない。
特開2004−96835号公報(段落0002〜0006)
Therefore, the membrane electrode assembly is required to have a performance (hereinafter referred to as load responsiveness) in which the reduced output voltage quickly returns to the original output voltage even if the output voltage rapidly decreases due to a rapid current change. The
Usually, in the solid molecular fuel cell, the larger the pressure and flow rate of the fuel gas supplied to the anode and the oxidizing gas supplied to the cathode, the larger the output current can be taken out. Therefore, in a normal solid molecular fuel cell, load responsiveness is ensured by increasing the pressure or flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas.
However, supplying fuel gas and oxidizing gas at a pressure or flow rate higher than necessary increases the loss of fuel gas and oxidizing gas, and also wastes power to drive the compressor, reducing the efficiency of the fuel cell system. Inevitable.
JP 2004-96835 A (paragraphs 0002 to 0006)

本発明は、出力電圧が高く、かつ負荷応答性のよい固体分子形燃料電池用膜電極接合体を提供する。   The present invention provides a membrane electrode assembly for a solid molecular fuel cell having a high output voltage and good load response.

本発明の固体分子形燃料電池用膜電極接合体は、プロトン伝導性含フッ素ポリマーおよびカーボン材料を含む触媒層を有するアノードおよびカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体高分子電解質膜とを備え、前記プロトン伝導性含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、1.4〜1.8ミリ当量/g乾燥樹脂であり、前記プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率が、150質量%以下であり、前記プロトン伝導性含フッ素ポリマーと前記カーボン材料との質量比(プロトン伝導性含フッ素ポリマー/カーボン材料)が、0.7〜0.8であることを特徴とする。
前記プロトン伝導性含フッ素ポリマーは、イオン性基を有するパーフルオロカーボンポリマーであることが好ましい。
A membrane electrode assembly for a solid molecular fuel cell according to the present invention includes an anode and a cathode each having a catalyst layer containing a proton conductive fluoropolymer and a carbon material, and a solid polymer disposed between the anode and the cathode. An ion exchange capacity of the proton conductive fluorine-containing polymer is 1.4 to 1.8 meq / g dry resin, and a water content of the proton conductive fluorine-containing polymer is 150% by mass. The mass ratio of the proton conductive fluorine-containing polymer to the carbon material (proton conductive fluorine-containing polymer / carbon material) is 0.7 to 0.8.
The proton conductive fluorine-containing polymer is preferably a perfluorocarbon polymer having an ionic group.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、出力電圧が高く、かつ負荷応答性がよい。   The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a high output voltage and good load responsiveness.

本明細書においては、式(α)で表される基を基(α)と記す。他の式で表される基も同様に記す。また、式(1)で表される化合物を化合物(1)と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。   In the present specification, a group represented by the formula (α) is referred to as a group (α). Groups represented by other formulas are also described in the same manner. Moreover, the compound represented by Formula (1) is described as a compound (1). The same applies to compounds represented by other formulas.

<膜電極接合体>
図1は、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、膜電極接合体と記す。)の一例を示す断面図である。膜電極接合体10は、触媒層11およびガス拡散層12を有するアノード13と、触媒層11およびガス拡散層12を有するカソード14と、アノード13とカソード14との間に、触媒層11に接した状態で配置される固体高分子電解質膜15とを具備する。
<Membrane electrode assembly>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention (hereinafter referred to as a membrane electrode assembly). The membrane electrode assembly 10 is in contact with the catalyst layer 11 between the anode 13 having the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, the cathode 14 having the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, and the anode 13 and the cathode 14. And a solid polymer electrolyte membrane 15 arranged in the above state.

(触媒層)
触媒層11は、触媒(担体としてカーボン材料を含む。)とプロトン伝導性含フッ素ポリマーとを含む層である。
触媒としては、担体であるカーボン材料に白金または白金合金を担持した担持触媒が挙げられる。カーボン材料とは、実質的に炭素原子からなる材料を意味する。カーボン材料としては、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が挙げられる。
触媒層は、必要に応じて、白金または白金合金が担持されていないカーボン材料を含んでいてもよい。
(Catalyst layer)
The catalyst layer 11 is a layer containing a catalyst (including a carbon material as a carrier) and a proton conductive fluoropolymer.
Examples of the catalyst include a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon material as a support. The carbon material means a material substantially composed of carbon atoms. Examples of the carbon material include carbon black, activated carbon, carbon nanotube, and carbon nanohorn.
The catalyst layer may contain a carbon material on which platinum or a platinum alloy is not supported, if necessary.

プロトン伝導性含フッ素ポリマーのイオン交換容量は、1.4〜1.8ミリ当量/g乾燥樹脂であり、1.5〜1.7ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましい。プロトン伝導性含フッ素ポリマーのイオン交換容量が1.4ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、プロトン伝導性が良好となり、膜電極接合体の負荷応答性が良好となる。また、膜電極接合体の出力が高くなる。プロトン伝導性含フッ素ポリマーのイオン交換容量が1.8ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、プロトン伝導性含フッ素ポリマーの膨潤が抑えられるため、触媒層およびガス拡散層の閉塞等による出力電圧の低下が抑えられる。   The ion exchange capacity of the proton-conductive fluorine-containing polymer is 1.4 to 1.8 meq / g dry resin, and preferably 1.5 to 1.7 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity of the proton conductive fluoropolymer is 1.4 meq / g dry resin or more, the proton conductivity is good, and the load response of the membrane electrode assembly is good. Further, the output of the membrane electrode assembly is increased. If the ion-exchange capacity of the proton-conducting fluoropolymer is 1.8 meq / g dry resin or less, the proton-conducting fluoropolymer can be prevented from swelling, so that the output voltage due to clogging of the catalyst layer and the gas diffusion layer, etc. Can be prevented from decreasing.

プロトン伝導性含フッ素ポリマーのイオン交換容量は、下記方法により求める。
プロトン伝導性含フッ素ポリマーを、水およびメタノールを溶媒とする一定濃度の水酸化ナトリウム溶液に浸漬して加水分解し、該溶液を逆滴定することによりイオン交換容量を求める。
The ion exchange capacity of the proton conductive fluoropolymer is determined by the following method.
The proton-conducting fluoropolymer is hydrolyzed by immersing it in a fixed concentration sodium hydroxide solution containing water and methanol as solvents, and the solution is subjected to back titration to determine the ion exchange capacity.

プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率は、150質量%以下であり、140質量%以下が好ましく、130質量%以下がより好ましい。プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率が150質量%以下であれば、プロトン伝導性含フッ素ポリマーの膨潤が抑えられるため、ガス拡散層の閉塞等による出力電圧の低下が抑えられる。プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率は、65質量%以上が好ましい。   The water content of the proton conductive fluoropolymer is 150% by mass or less, preferably 140% by mass or less, and more preferably 130% by mass or less. If the water content of the proton conductive fluorine-containing polymer is 150% by mass or less, swelling of the proton conductive fluorine-containing polymer can be suppressed, so that a decrease in output voltage due to blockage of the gas diffusion layer or the like can be suppressed. The water content of the proton conductive fluoropolymer is preferably 65% by mass or more.

プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率は、下記方法により求める。
プロトン伝導性含フッ素ポリマーを80℃の温水中に16時間浸漬した後、温水ごとプロトン伝導性含フッ素ポリマーを室温まで冷却する。水中よりプロトン伝導性含フッ素ポリマーを取り出し、表面に付着した水滴をふき取り、直ちにプロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水時の質量を測定する。ついで、該プロトン伝導性含フッ素ポリマーをグローブボックス中に入れ、乾燥窒素を流した雰囲気中に24時間以上放置し、プロトン伝導性含フッ素ポリマーを乾燥させる。そして、グローブボックス中でプロトン伝導性含フッ素ポリマーの乾燥質量を測定する。プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水時の質量と乾燥質量との差が、プロトン伝導性含フッ素ポリマーが含水時に吸収する水の質量となる。そして、下式よりプロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率を求める。
含水率=(プロトン伝導性含フッ素ポリマーが含水時に吸収する水の質量/プロトン伝導性含フッ素ポリマーの乾燥質量)×100。
The water content of the proton conductive fluoropolymer is determined by the following method.
After immersing the proton conductive fluorine-containing polymer in warm water of 80 ° C. for 16 hours, the proton conductive fluorine-containing polymer is cooled to room temperature together with the warm water. Take out the proton conductive fluoropolymer from water, wipe off the water droplets adhering to the surface, and immediately measure the mass of the proton conductive fluoropolymer in water. Next, the proton conductive fluorine-containing polymer is put in a glove box and left in an atmosphere of flowing dry nitrogen for 24 hours or more to dry the proton conductive fluorine-containing polymer. Then, the dry mass of the proton conductive fluorine-containing polymer is measured in the glove box. The difference between the moisture content of the proton-conductive fluoropolymer and the dry mass is the mass of water absorbed by the proton-conductive fluoropolymer when it contains water. And the moisture content of a proton conductive fluorine-containing polymer is calculated | required from the following Formula.
Water content = (mass of water absorbed by proton-conductive fluoropolymer when it contains water / dry mass of proton-conductive fluoropolymer) × 100.

プロトン伝導性含フッ素ポリマーが後述する液状組成物である場合は、液状組成物を適当な基材に塗布し、乾燥、熱処理して、膜状にしてから含水率を求める。熱処理の温度は、180〜200℃が好ましい。熱処理の温度が低すぎると、プロトン伝導性含フッ素ポリマーの種類によっては、ポリマー骨格が安定せず、本来の含水率より高い含水率になるおそれがある。熱処理の温度が高すぎると、イオン性基の熱分解が始まり、本来の含水率より低い含水率になるおそれがある。   When the proton-conducting fluoropolymer is a liquid composition described later, the liquid composition is applied to a suitable substrate, dried and heat-treated to form a film, and then the water content is determined. The heat treatment temperature is preferably 180 to 200 ° C. If the temperature of the heat treatment is too low, depending on the type of the proton conductive fluorine-containing polymer, the polymer skeleton may not be stable, and the moisture content may be higher than the original moisture content. If the temperature of the heat treatment is too high, thermal decomposition of the ionic group starts and there is a possibility that the moisture content is lower than the original moisture content.

本発明においては、化学的な耐久性の点から、プロトン伝導性ポリマーとして、プロトン伝導性含フッ素ポリマーを用いる。プロトン伝導性含フッ素ポリマーとしては、化学的な耐久性の点から、イオン性基を有するパーフルオロポリマーが好ましい。イオン性基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンメチド基等が挙げられる。   In the present invention, from the viewpoint of chemical durability, a proton conductive fluorine-containing polymer is used as the proton conductive polymer. The proton conductive fluorine-containing polymer is preferably a perfluoropolymer having an ionic group from the viewpoint of chemical durability. Examples of the ionic group include a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfonemethide group.

イオン性基を有する含フッ素ポリマーとしては、基(α)を有する繰り返し単位を有するポリマー(以下、ポリマーQと記す。)が好ましい。   As the fluorine-containing polymer having an ionic group, a polymer having a repeating unit having a group (α) (hereinafter referred to as polymer Q) is preferable.

Figure 2008186784
Figure 2008186784

ただし、Qは、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Qは、単結合またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Rf1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、aは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Yは、フッ素原子または1価のパーフルオロ有機基である。 However, Q 1 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 2 is a perfluoroalkylene group which may have a single bond or an etheric oxygen atom. , R f1 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, and a is 0 when X is an oxygen atom , 1 when X is a nitrogen atom, 2 when X is a carbon atom, and Y is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group.

、Qのパーフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、パーフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
パーフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
パーフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が多すぎると、含フッ素モノマーの沸点が高くなり、蒸留精製が難しくなる。また、炭素数が多すぎると、ポリマーQのイオン交換容量が低下する。
When the perfluoroalkylene group of Q 1 and Q 2 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be 1 or 2 or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkylene group may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. When there are too many carbon numbers, the boiling point of a fluorine-containing monomer will become high and distillation purification will become difficult. Moreover, when there are too many carbon numbers, the ion exchange capacity of the polymer Q will fall.

は、エーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。Qがエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であれば、Qが単結合である場合に比べ、長期にわたって固体高分子形燃料電池を運転した際に、出力電圧の安定性に優れる。
、Qの少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom. When Q 2 is a perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom, the polymer electrolyte fuel cell can be operated over a longer period than when Q 2 is a single bond. The output voltage is stable.
At least one of Q 1 and Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom. Since the fluorine-containing monomer having a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom can be synthesized without undergoing a fluorination reaction with a fluorine gas, the yield is good and the production is easy.

−SOX(SOf1 基としては、スルホン酸基(−SO 基)、スルホンイミド基(−SON(SOf1基)、スルホンメチド基(−SOC(SOf1 基)が挙げられる。
f1のパーフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。Rf1の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。Rf1としては、パーフルオロメチル基、パーフルオロエチル基等が好ましい。
スルホンメチド基の場合、2つのRf1は、同じ基であってもよく、異なる基であってもよい。
Yとしては、フッ素原子、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖状のパーフルオロアルキル基が好ましい。
The H + group, a sulfonic acid group - -SO 2 X (SO 2 R f1) a (-SO 3 - H + group), a sulfonimide group (-SO 2 N (SO 2 R f1) - H + group) , sulfonmethide group (-SO 2 C (SO 2 R f1) 2 - H + group).
The perfluoroalkyl group for R f1 may be linear or branched, and is preferably linear. The number of carbon atoms of R f1 is 1 to 6 preferably 1 to 4 is more preferred. R f1 is preferably a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group, or the like.
In the case of a sulfonemethide group, the two R f1 groups may be the same group or different groups.
Y is preferably a fluorine atom or a linear perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom.

ポリマーQは、さらに、後述する他のモノマーに基づく繰り返し単位を有していてもよい。
ポリマーQとしては、化学的な耐久性の点から、パーフルオロカーボンポリマーが好ましい。該パーフルオロカーボンポリマーは、エーテル性の酸素原子を有していてもよい。
The polymer Q may further have repeating units based on other monomers described later.
The polymer Q is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability. The perfluorocarbon polymer may have an etheric oxygen atom.

ポリマーQは、たとえば、下記工程を経て製造できる。
(I)基(β)を有するモノマー(以下、化合物(m1)と記す。)および必要に応じて他のモノマーを重合し、−SOF基を有する前駆体ポリマー(以下、ポリマーPと記す。)を得る工程。
The polymer Q can be manufactured through the following steps, for example.
(I) A monomer having a group (β) (hereinafter referred to as a compound (m1)) and another monomer as required, and a precursor polymer having a —SO 2 F group (hereinafter referred to as a polymer P). Step to obtain.

Figure 2008186784
Figure 2008186784

(II)必要に応じて、ポリマーPとフッ素ガスとを接触させ、ポリマーPの不安定末端基をフッ素化する工程。
(III)ポリマーPの−SOF基を、スルホン酸基、スルホンイミド基、またはスルホンメチド基に変換し、ポリマーQを得る工程。
(II) A step of bringing polymer P and fluorine gas into contact with each other as necessary to fluorinate unstable terminal groups of polymer P.
(III) A step of obtaining a polymer Q by converting the —SO 2 F group of the polymer P into a sulfonic acid group, a sulfonimide group, or a sulfonemethide group.

(I)工程:
化合物(m1)は、たとえば、後述する例1に示す合成例によって得ることができる。
(I) Process:
Compound (m1) can be obtained, for example, by a synthesis example shown in Example 1 described later.

他のモノマーとしては、たとえば、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニル、エチレン、CF=CFORf2、CH=CHRf3、CH=CHCHf3等が挙げられる。ただし、Rf2は、エーテル性の酸素原子を含んでもよい炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基であり、Rf3は、炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基である。
他のモノマーのうち、化学的な耐久性および機械的強度の点から、パーフルオロモノマーが好ましく、テトラフルオロエチレンがより好ましい。
Other monomers include, for example, tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride, hexafluoropropylene, trifluoroethylene, vinyl fluoride, ethylene, CF 2 = CFOR f2 , CH 2 = CHR f3 , CH 2 = CHCH 2 R f3, and the like. However, Rf2 is a C1-C12 perfluoroalkyl group which may contain an etheric oxygen atom, and Rf3 is a C1-C12 perfluoroalkyl group.
Among other monomers, perfluoromonomer is preferable and tetrafluoroethylene is more preferable from the viewpoint of chemical durability and mechanical strength.

重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が挙げられる。
重合は、ラジカルが生起する条件で行われる。ラジカルを生起させる方法としては、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、開始剤を添加する方法等が挙げられる。
Examples of the polymerization method include known polymerization methods such as a bulk polymerization method, a solution polymerization method, a suspension polymerization method, and an emulsion polymerization method.
Polymerization is performed under conditions where radicals occur. Examples of the method for generating radicals include a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, γ rays, and electron beams, a method of adding an initiator, and the like.

重合温度は、通常、20〜150℃である。
開始剤としては、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられ、不安定末端基が少ない前駆体ポリマーPが得られる点から、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類等のパーフルオロ化合物が好ましい。
The polymerization temperature is usually 20 to 150 ° C.
Examples of the initiator include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkyl peroxydicarbonates, diacyl peroxides, peroxyesters, azo compounds, persulfates and the like. Perfluoro compounds such as bis (fluoroacyl) peroxides are preferred from the viewpoint of obtaining a precursor polymer P with few unstable terminal groups.

溶液重合法にて用いる溶媒としては、ポリフルオロトリアルキルアミン化合物、パーフルオロアルカン、ハイドロフルオロアルカン、クロロフルオロアルカン、分子鎖末端に二重結合を有しないフルオロオレフィン、ポリフルオロシクロアルカン、ポリフルオロ環状エーテル化合物、ヒドロフルオロエーテル類、フッ素含有低分子量ポリエーテル、tert−ブタノール等が挙げられる。   Solvents used in the solution polymerization method include polyfluorotrialkylamine compounds, perfluoroalkanes, hydrofluoroalkanes, chlorofluoroalkanes, fluoroolefins that do not have double bonds at the molecular chain ends, polyfluorocycloalkanes, and polyfluorocyclics. Examples include ether compounds, hydrofluoroethers, fluorine-containing low molecular weight polyethers, and tert-butanol.

(II)工程:
不安定末端基とは、連鎖移動反応によって形成される基、ラジカル開始剤に基づく基等であり、具体的には、−COOH基、−CF=CF基、−COF基、−CFH基等である。不安定末端基をフッ素化することにより、ポリマーQの分解が抑えられる。
(II) Process:
The unstable terminal group is a group formed by a chain transfer reaction, a group based on a radical initiator, or the like. Specifically, a —COOH group, —CF═CF 2 group, —COF group, —CF 2 H Group. By fluorinating the unstable terminal groups, the decomposition of the polymer Q can be suppressed.

フッ素ガスは、窒素、ヘリウム、二酸化炭素等の不活性ガスで希釈して用いてもよく、希釈せずにそのまま用いてもよい。
ポリマーPとフッ素ガスとを接触させる際の温度は、室温〜300℃が好ましく、50〜250℃がより好ましく、100〜220℃がさらに好ましく、150〜200℃が特に好ましい。
ポリマーPとフッ素ガスとの接触時間は、1分〜1週間が好ましく、1〜50時間がより好ましい。
The fluorine gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen, helium or carbon dioxide, or may be used as it is without being diluted.
The temperature at which the polymer P and the fluorine gas are brought into contact is preferably room temperature to 300 ° C, more preferably 50 to 250 ° C, further preferably 100 to 220 ° C, and particularly preferably 150 to 200 ° C.
The contact time between the polymer P and the fluorine gas is preferably 1 minute to 1 week, and more preferably 1 to 50 hours.

(III)工程:
たとえば、−SOF基をスルホン酸基に変換する場合は、(III−1)工程を行い、−SOF基をスルホンイミド基に変換する場合は、(III−2)工程を行う。
(III−1)ポリマーPの−SOF基を加水分解してスルホン酸塩とし、スルホン酸塩を酸型化してスルホン酸基に変換する工程。
(III−2)ポリマーPの−SOF基をスルホンイミド化してスルホンイミド基に変換する工程。
(III) Process:
For example, when converting a —SO 2 F group into a sulfonic acid group, the step (III-1) is performed. When converting a —SO 2 F group into a sulfonimide group, the step (III-2) is performed.
(III-1) A step of hydrolyzing the —SO 2 F group of the polymer P to form a sulfonate, converting the sulfonate into an acid form and converting it to a sulfonate group.
(III-2) Step of converting the —SO 2 F group of the polymer P to sulfonimide to convert it to sulfonimide groups.

(III−1)工程:
加水分解は、たとえば、溶媒中にてポリマーPと塩基性化合物とを接触させて行う。
塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。溶媒としては、水、水と極性溶媒との混合溶媒等が挙げられる。極性溶媒としては、アルコール類(メタノール、エタノール等。)、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
酸型化は、たとえば、−SOF基が加水分解されたポリマーPを、塩酸、硫酸等の水溶液に接触させて行う。
加水分解および酸型化は、通常、0〜120℃にて行う。
(III-1) Process:
The hydrolysis is performed, for example, by bringing the polymer P and the basic compound into contact in a solvent.
Examples of the basic compound include sodium hydroxide and potassium hydroxide. Examples of the solvent include water, a mixed solvent of water and a polar solvent, and the like. Examples of the polar solvent include alcohols (methanol, ethanol, etc.), dimethyl sulfoxide and the like.
The acidification is performed, for example, by bringing the polymer P in which —SO 2 F group is hydrolyzed into contact with an aqueous solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid.
Hydrolysis and acidification are usually performed at 0 to 120 ° C.

(III−2)工程:
スルホンイミド化としては、米国特許第5463005号明細書に記載の方法、Inorg.Chem.32(23)、5007頁(1993年)に記載の方法等、公知の方法が挙げられる。
(III-2) Process:
As the sulfonimide, a method described in US Pat. No. 5,463,005, Inorg. Chem. 32 (23), page 5007 (1993), and the like.

プロトン伝導性含フッ素ポリマーとカーボン材料との質量比(プロトン伝導性含フッ素ポリマー/カーボン材料)は、0.7〜0.8であり、0.72〜0.78が好ましい。該質量比が0.7以上であれば、触媒層中のプロトン伝導性が良好となり、膜電極接合体の出力電圧が充分に高くなる。質量比が0.8以下であれば、触媒層中のガス拡散性が良好となり、膜電極接合体の負荷応答性が良好となる。
該質量比におけるカーボン材料は、担持触媒の担体として用いられたカーボン材料、および必要に応じて添加される、白金または白金合金が担持されていないカーボン材料である。
The mass ratio of the proton conductive fluoropolymer to the carbon material (proton conductive fluoropolymer / carbon material) is 0.7 to 0.8, preferably 0.72 to 0.78. When the mass ratio is 0.7 or more, the proton conductivity in the catalyst layer is good, and the output voltage of the membrane electrode assembly is sufficiently high. If the mass ratio is 0.8 or less, the gas diffusibility in the catalyst layer will be good, and the load responsiveness of the membrane electrode assembly will be good.
The carbon material in the mass ratio is a carbon material used as a carrier for a supported catalyst and a carbon material which is added as necessary and does not support platinum or a platinum alloy.

(ガス拡散層)
ガス拡散層12としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。
ガス拡散層12は、ポリテトラフルオロエチレン等によって撥水化処理されていることが好ましい。
(Gas diffusion layer)
Examples of the gas diffusion layer 12 include carbon paper, carbon cloth, and carbon felt.
The gas diffusion layer 12 is preferably water repellent treated with polytetrafluoroethylene or the like.

(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜15は、プロトン伝導性含フッ素ポリマーを含む膜である。
プロトン伝導性含フッ素ポリマーとしては、触媒層11を構成するプロトン伝導性含フッ素ポリマーと同様のポリマーが好ましく挙げられる。
(Solid polymer electrolyte membrane)
The solid polymer electrolyte membrane 15 is a membrane containing a proton conductive fluorine-containing polymer.
As the proton conductive fluorine-containing polymer, a polymer similar to the proton conductive fluorine-containing polymer constituting the catalyst layer 11 is preferably exemplified.

固体高分子電解質膜15は、補強材を含んでいてもよい。補強材としては、多孔体、繊維、織布、不織布等が挙げられる。補強材の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド等が挙げられる。   The solid polymer electrolyte membrane 15 may contain a reinforcing material. Examples of the reinforcing material include porous bodies, fibers, woven fabrics, and nonwoven fabrics. Examples of the reinforcing material include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, and the like.

(カーボン層)
膜電極接合体10は、図2に示すように、触媒層11とガス拡散層12との間にカーボン層16を有していてもよい。カーボン層16を配置することにより、触媒層11の表面のガス拡散性が向上し、固体高分子形燃料電池の出力電圧が大きく向上する。
(Carbon layer)
The membrane electrode assembly 10 may have a carbon layer 16 between the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, as shown in FIG. By disposing the carbon layer 16, gas diffusibility on the surface of the catalyst layer 11 is improved, and the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell is greatly improved.

カーボン層16は、カーボンとフッ素系ポリマーとを含む層である。
カーボンとしては、繊維径1〜1000nm、繊維長1000μm以下のカーボンナノファイバーが好ましい。
フッ素系ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。
The carbon layer 16 is a layer containing carbon and a fluorine-based polymer.
As carbon, carbon nanofibers having a fiber diameter of 1 to 1000 nm and a fiber length of 1000 μm or less are preferable.
Examples of the fluorine-based polymer include polytetrafluoroethylene.

(膜電極接合体の製造方法)
膜電極接合体10は、たとえば、下記方法にて製造される。
(a−1)固体高分子電解質膜15上に触媒層11を形成して膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層12で挟み込む方法。
(a−2)ガス拡散層12上に触媒層11を形成して電極(アノード13、カソード14)とし、固体高分子電解質膜15を該電極で挟み込む方法。
(Method for producing membrane electrode assembly)
The membrane electrode assembly 10 is manufactured by the following method, for example.
(A-1) A method in which the catalyst layer 11 is formed on the solid polymer electrolyte membrane 15 to form a membrane catalyst layer assembly, and the membrane catalyst layer assembly is sandwiched between the gas diffusion layers 12.
(A-2) A method in which the catalyst layer 11 is formed on the gas diffusion layer 12 to form electrodes (anode 13 and cathode 14), and the solid polymer electrolyte membrane 15 is sandwiched between the electrodes.

膜電極接合体10がカーボン層16を有する場合、膜電極接合体10は、たとえば、下記方法にて製造される。
(b−1)基材フィルム上に、カーボンおよびフッ素系ポリマーを含む分散液を塗布し、乾燥させてカーボン層16を形成し、カーボン層16上に触媒層11を形成し、触媒層11と固体高分子電解質膜15とを貼り合わせ、基材フィルムを剥離して、カーボン層16を有する膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層12で挟み込む方法。
(b−2)ガス拡散層12上に、カーボンおよびフッ素系ポリマーを含む分散液を塗布し、乾燥させてカーボン層16を形成し、(a−1)の方法における膜触媒層接合体を、カーボン層16を有するガス拡散層12で挟み込む方法。
When membrane electrode assembly 10 has carbon layer 16, membrane electrode assembly 10 is manufactured by the following method, for example.
(B-1) A dispersion containing carbon and a fluorine-based polymer is applied on a base film and dried to form a carbon layer 16. A catalyst layer 11 is formed on the carbon layer 16. A method in which the solid polymer electrolyte membrane 15 is bonded, the base film is peeled off to form a membrane catalyst layer assembly having the carbon layer 16, and the membrane catalyst layer assembly is sandwiched between the gas diffusion layers 12.
(B-2) A dispersion containing carbon and a fluorine-based polymer is applied onto the gas diffusion layer 12 and dried to form the carbon layer 16, and the membrane catalyst layer assembly in the method (a-1) A method of sandwiching the gas diffusion layer 12 having the carbon layer 16.

固体高分子電解質膜15は、下記方法によって製造される。
(x−1)前駆体ポリマーを膜状に成形した後、−SOF基をイオン性基に変換する方法。
(x−2)プロトン伝導性含フッ素ポリマーを膜状に成形する方法。
The solid polymer electrolyte membrane 15 is manufactured by the following method.
(X-1) A method of converting a —SO 2 F group into an ionic group after the precursor polymer is formed into a film.
(X-2) A method of forming a proton conductive fluorine-containing polymer into a film.

(x−1)方法:
前駆体ポリマーを膜状に成形する方法としては、押出成形法、加圧プレス成形法、延伸法等が挙げられる。
(X-1) Method:
Examples of the method for forming the precursor polymer into a film include an extrusion molding method, a pressure press molding method, and a stretching method.

(x−2)方法:
プロトン伝導性含フッ素ポリマーを膜状に成形する方法としては、プロトン伝導性含フッ素ポリマーの液状組成物を基材に塗工、乾燥する方法(キャスト法)が挙げられる。
液状組成物は、水酸基を有する有機溶媒および水を含む分散媒に、プロトン伝導性含フッ素ポリマーを分散させた分散液である。
(X-2) Method:
Examples of the method for forming the proton conductive fluorine-containing polymer into a film include a method in which a liquid composition of the proton conductive fluorine-containing polymer is applied to a substrate and dried (casting method).
The liquid composition is a dispersion in which a proton conductive fluoropolymer is dispersed in a dispersion medium containing an organic solvent having a hydroxyl group and water.

水酸基を有する有機溶媒としては、主鎖の炭素数が1〜4の有機溶媒が好ましく、たとえば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、tert−ブタノール、n−ブタノール等が挙げられる。水酸基を有する有機溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。   The organic solvent having a hydroxyl group is preferably an organic solvent having 1 to 4 carbon atoms in the main chain, and examples thereof include methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, tert-butanol, and n-butanol. The organic solvent which has a hydroxyl group may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for it.

水の割合は、分散媒(100質量%)のうち、10〜99質量%が好ましく、40〜99質量%がより好ましい。水の割合を増やすことにより、分散媒に対するプロトン伝導性含フッ素ポリマーの分散性を向上できる。
水酸基を有する有機溶媒の割合は、分散媒(100質量%)のうち、1〜90質量%が好ましく、1〜60質量%がより好ましい。
プロトン伝導性含フッ素ポリマーの割合は、液状組成物(100質量%)のうち、1〜50質量%が好ましく、3〜30質量%がより好ましい。
The proportion of water is preferably 10 to 99% by mass and more preferably 40 to 99% by mass in the dispersion medium (100% by mass). By increasing the proportion of water, it is possible to improve the dispersibility of the proton conductive fluoropolymer in the dispersion medium.
The proportion of the organic solvent having a hydroxyl group is preferably from 1 to 90 mass%, more preferably from 1 to 60 mass%, in the dispersion medium (100 mass%).
1-50 mass% is preferable among liquid compositions (100 mass%), and, as for the ratio of a proton conductive fluorine-containing polymer, 3-30 mass% is more preferable.

固体高分子電解質膜15を安定化させるために、アニール処理を行うことが好ましい。アニール処理の温度は、プロトン伝導性含フッ素ポリマーの種類にもよるが、130〜200℃が好ましい。アニール処理の温度が130以上であれば、プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率が低く抑えられる。アニール処理の温度が200℃以下であれば、イオン性基の熱分解が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられる。   In order to stabilize the solid polymer electrolyte membrane 15, it is preferable to perform an annealing treatment. The temperature of the annealing treatment is preferably 130 to 200 ° C., although it depends on the type of proton conductive fluorine-containing polymer. When the annealing temperature is 130 or higher, the water content of the proton conductive fluoropolymer can be kept low. If the temperature of annealing treatment is 200 degrees C or less, the thermal decomposition of an ionic group will be suppressed and the proton conductivity fall will be suppressed.

触媒層11の形成方法としては、下記方法が挙げられる。
(y−1)触媒層形成用液を、固体高分子電解質膜15、ガス拡散層12、またはカーボン層16上に塗布し、乾燥させる方法。
(y−2)触媒層形成用液を基材フィルム上に塗布し、乾燥させ触媒層11を形成し、該触媒層11を固体高分子電解質膜15上に転写する方法。
Examples of the method for forming the catalyst layer 11 include the following methods.
(Y-1) A method of applying the catalyst layer forming liquid on the solid polymer electrolyte membrane 15, the gas diffusion layer 12, or the carbon layer 16 and drying it.
(Y-2) A method in which a catalyst layer forming solution is applied onto a base film, dried to form a catalyst layer 11, and the catalyst layer 11 is transferred onto a solid polymer electrolyte membrane 15.

触媒層形成用液は、プロトン伝導性含フッ素ポリマーおよび触媒を分散媒に分散させた液である。触媒層形成用液は、たとえば、前記液状組成物と、触媒の分散液とを混合することにより調製できる。
触媒層形成用液は、触媒層11の形成方法によって粘度が異なるため、数十cP程度の分散液であってもよく、20000cP程度のペーストであってもよい。
The catalyst layer forming liquid is a liquid in which a proton conductive fluoropolymer and a catalyst are dispersed in a dispersion medium. The catalyst layer forming liquid can be prepared, for example, by mixing the liquid composition and a catalyst dispersion.
Since the viscosity of the catalyst layer forming liquid varies depending on the method of forming the catalyst layer 11, it may be a dispersion of about several tens of cP or a paste of about 20000 cP.

触媒層11中のプロトン伝導性含フッ素ポリマーを安定化させるために、アニール処理を行うことが好ましい。アニール処理の温度は、プロトン伝導性含フッ素ポリマーの種類にもよるが、130〜200℃が好ましい。アニール処理の温度が130以上であれば、プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率が低く抑えられ、触媒層11におけるガス拡散性の低下が抑えられ、出力電圧の低下が抑えられる。アニール処理の温度が200℃以下であれば、イオン性基の熱分解が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられ、出力電圧の低下が抑えられる。なお、熱処理の温度が190℃を超えると、触媒の種類によっては、カーボン担体が酸化分解するおそれがある。よって、アニール処理は、窒素雰囲気下、減圧下、またはプレス等の圧力で触媒層11中の酸素を減らした環境下で行うことが好ましい。   In order to stabilize the proton conductive fluorine-containing polymer in the catalyst layer 11, it is preferable to perform an annealing treatment. The temperature of the annealing treatment is preferably 130 to 200 ° C., although it depends on the type of proton conductive fluorine-containing polymer. When the annealing temperature is 130 or more, the moisture content of the proton conductive fluoropolymer is suppressed low, the gas diffusibility in the catalyst layer 11 is suppressed from being decreased, and the output voltage is suppressed from decreasing. If the temperature of the annealing treatment is 200 ° C. or lower, thermal decomposition of the ionic group is suppressed, a decrease in proton conductivity is suppressed, and a decrease in output voltage is suppressed. In addition, when the temperature of heat processing exceeds 190 degreeC, there exists a possibility that a carbon support | carrier may oxidatively decompose depending on the kind of catalyst. Therefore, the annealing treatment is preferably performed in an environment in which oxygen in the catalyst layer 11 is reduced under a nitrogen atmosphere, reduced pressure, or pressure such as pressing.

以上説明した膜電極接合体10は、触媒層11に含まれるプロトン伝導性含フッ素ポリマーが、1.4ミリ当量/g乾燥樹脂以上の高いイオン交換容量を有し、かつプロトン伝導性含フッ素ポリマーとカーボン材料との質量比が0.8以下、すなわち従来に比べてプロトン伝導性含フッ素ポリマーの比が低いため、負荷応答性が良好である。また、触媒層11に含まれるプロトン伝導性含フッ素ポリマーのイオン交換容量が高いため、プロトン伝導性含フッ素ポリマーとカーボン材料との質量比を低くしているにもかかわらず、出力電圧が高い。   In the membrane electrode assembly 10 described above, the proton conductive fluorine-containing polymer contained in the catalyst layer 11 has a high ion exchange capacity of 1.4 meq / g dry resin or more, and the proton conductive fluorine-containing polymer. Since the mass ratio of the carbon material to the carbon material is 0.8 or less, that is, the ratio of the proton-conductive fluoropolymer is lower than that of the conventional material, the load response is good. Moreover, since the ion-exchange capacity of the proton conductive fluorine-containing polymer contained in the catalyst layer 11 is high, the output voltage is high even though the mass ratio between the proton conductive fluorine-containing polymer and the carbon material is low.

<固体高分子形燃料電池>
本発明の膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池に用いられる。固体高分子形燃料電池は、たとえば、2つのセパレータの間に膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルを、セパレータと膜電極接合体とが交互に重なるように、スタックすることにより製造される。
<Solid polymer fuel cell>
The membrane electrode assembly of the present invention is used for a polymer electrolyte fuel cell. In a polymer electrolyte fuel cell, for example, cells are formed by sandwiching a membrane electrode assembly between two separators, and a plurality of cells are stacked such that separators and membrane electrode assemblies are alternately stacked. Manufactured by.

セパレータとしては、ガスの通路となる溝が形成された導電性カーボン板等が挙げられる。
固体高分子形燃料電池の種類としては、水素/酸素型燃料電池、直接メタノール型燃料電池(DMFC)等が挙げられる。
Examples of the separator include a conductive carbon plate in which a groove serving as a gas passage is formed.
Examples of the polymer electrolyte fuel cell include a hydrogen / oxygen fuel cell and a direct methanol fuel cell (DMFC).

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。
例6〜10は実施例であり、例11〜13は比較例である。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Examples 6 to 10 are examples, and examples 11 to 13 are comparative examples.

(TQ値)
TQ値(単位:℃)は、ポリマーの分子量の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマーの溶融押出しを行った際の押出し量が100mm/秒となる温度である。
フローテスタCFT−500A(島津製作所社製)を用い、温度を変えてポリマーPまたはポリマーFの押出し量を測定し、押出し量が100mm/秒となるTQ値を求めた。
(TQ value)
The TQ value (unit: ° C.) is an index of the molecular weight of the polymer, and the extrusion amount when the polymer is melt-extruded under the condition of the extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm is 100 mm. The temperature is 3 / sec.
Using a flow tester CFT-500A (manufactured by Shimadzu Corporation), the extrusion amount of polymer P or polymer F was measured at different temperatures, and the TQ value at which the extrusion amount was 100 mm 3 / second was determined.

(イオン交換容量)
ポリマーPおよびポリマーFのイオン交換容量は、下記方法により求めた。
ポリマーを、水およびメタノールを溶媒とする一定濃度の水酸化ナトリウム溶液に浸漬して加水分解し、該溶液を逆滴定することによりイオン交換容量を求めた。なお、ポリマーP、Fの−SOF基の割合(モル比)と、ポリマーQ、Hの−SOH基の割合(モル比)は同じであり、かつ−SOF基の分子量と−SOH基の分子量はほぼ同じであるため、ポリマーP、Fのイオン交換容量は、そのままポリマーQ、Hのイオン交換容量として扱うことができる。
(Ion exchange capacity)
The ion exchange capacity of polymer P and polymer F was determined by the following method.
The polymer was immersed in a fixed concentration sodium hydroxide solution using water and methanol as a solvent for hydrolysis, and the ion exchange capacity was determined by back titrating the solution. In addition, the ratio (molar ratio) of —SO 2 F groups of the polymers P and F is the same as the ratio (molar ratio) of —SO 3 H groups of the polymers Q and H, and the molecular weight of the —SO 2 F groups Since the molecular weights of the —SO 3 H groups are almost the same, the ion exchange capacities of the polymers P and F can be directly treated as the ion exchange capacities of the polymers Q and H.

(導電率)
ポリマーQおよびポリマーHの導電率は、下記方法により求めた。
ポリマーからなる5mm幅のフィルムに、5mm間隔で4端子電極が配置された基板を密着させ、公知の4端子法により、温度80℃、相対湿度40%の恒温恒湿条件下にて交流10kHz、1Vの電圧でフィルムの抵抗を測定し、該結果から導電率を算出した。
(conductivity)
The conductivity of polymer Q and polymer H was determined by the following method.
A substrate on which 4 terminal electrodes are arranged at intervals of 5 mm is adhered to a 5 mm width film made of a polymer, and an alternating current of 10 kHz under a constant temperature and humidity condition of a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 40% by a known 4 terminal method, The resistance of the film was measured at a voltage of 1 V, and the conductivity was calculated from the result.

(含水率)
ポリマーQおよびポリマーHの含水率は、下記方法により求めた。
ポリマーを80℃の温水中に16時間浸漬した後、温水ごとポリマーを室温まで冷却した。水中よりポリマーを取り出し、表面に付着した水滴をふき取り、直ちにポリマーの含水時の質量を測定した。ついで、該ポリマーをグローブボックス中に入れ、乾燥窒素を流した雰囲気中に24時間以上放置し、ポリマーを乾燥させた。そして、グローブボックス中でポリマーの乾燥質量を測定した。ポリマーの含水時の質量と乾燥質量との差から、ポリマーが含水時に吸収する水の質量を求めた。そして、下式よりポリマーの含水率を求めた。
含水率=(ポリマーが含水時に吸収する水の質量/ポリマーの乾燥質量)×100。
(Moisture content)
The water content of polymer Q and polymer H was determined by the following method.
After the polymer was immersed in warm water at 80 ° C. for 16 hours, the polymer was cooled to room temperature together with the warm water. The polymer was taken out from the water, water droplets adhering to the surface were wiped off, and the mass of the polymer when it was wet was measured immediately. Then, the polymer was put in a glove box and left in an atmosphere of flowing dry nitrogen for 24 hours or more to dry the polymer. And the dry mass of the polymer was measured in the glove box. From the difference between the weight of the polymer when wet and the dry weight, the weight of water absorbed by the polymer when wet was determined. And the moisture content of the polymer was calculated | required from the following Formula.
Water content = (mass of water absorbed by polymer when it contains water / dry mass of polymer) × 100.

(出力電圧)
膜電極接合体を発電用セルに組み込み、膜電極接合体の温度を80℃に維持し、アノードに水素(利用率50%)、カソードに空気(利用率50%)を、それぞれ100kPa(絶対圧力)で供給した。ガスの加湿度を、水素は相対湿度50%、空気は相対湿度70%とし、電流密度が1.0A/cmのときのセル電圧を記録した。
(Output voltage)
The membrane electrode assembly is incorporated into a power generation cell, the temperature of the membrane electrode assembly is maintained at 80 ° C., hydrogen (utilization rate 50%) at the anode, and air (utilization rate 50%) at the cathode are 100 kPa (absolute pressure). ). The cell voltage was recorded when the humidity of the gas was 50% relative humidity for hydrogen, 70% relative humidity for air, and the current density was 1.0 A / cm 2 .

(負荷応答性)
膜電極接合体を発電用セルに組み込み、膜電極接合体の温度を80℃に維持し、アノードに水素(利用率50%)、カソードに空気(利用率50%)を、それぞれ100kPa(絶対圧力)で供給した。ガスの加湿度を、水素は相対湿度50%、空気は相対湿度70とした。該雰囲気下で、電流密度を0(開回路状態)から1.0A/cmまで30秒かけて変化させた。該負荷変動を与えたとき、セル電圧は一旦オーバーシュート気味に大きく低下した後、定常値に漸近する。該経時変化を記録し、オーバーシュートしてからセル電圧が1.0A/cmにおける定常値の95%までに回復するまでの時間を回復時間とした。該時間が短いほど、膜電極接合体の負荷応答性が良好であると判断される。
(Load response)
The membrane electrode assembly is incorporated into a power generation cell, the temperature of the membrane electrode assembly is maintained at 80 ° C., hydrogen (utilization rate 50%) at the anode, and air (utilization rate 50%) at the cathode are 100 kPa (absolute pressure). ). The humidity of the gas was 50% relative humidity for hydrogen and 70 relative humidity for air. Under this atmosphere, the current density was changed from 0 (open circuit state) to 1.0 A / cm 2 over 30 seconds. When the load fluctuation is given, the cell voltage once decreases greatly in an overshoot manner and then gradually approaches a steady value. The change over time was recorded, and the time from the overshoot until the cell voltage recovered to 95% of the steady value at 1.0 A / cm 2 was taken as the recovery time. It is judged that the load responsiveness of the membrane electrode assembly is better as the time is shorter.

〔例1〕
下記合成ルートにより化合物(m11)を合成した。
[Example 1]
Compound (m11) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 2008186784
Figure 2008186784

(i)化合物(a1)の合成:
特開昭57−176973号公報の実施例2に記載の方法と同様にして、化合物(a1)を合成した。
(I) Synthesis of compound (a1):
Compound (a1) was synthesized in the same manner as described in Example 2 of JP-A-57-176773.

(ii)化合物(c1)の合成:
ジムロート冷却管、温度計、滴下ロートおよび撹拌翼付きガラス棒を備えた300cmの4口丸底フラスコに、窒素雰囲気下、フッ化カリウム(商品名:クロキャットF、森田化学社製)1.6gおよびジメトキシエタン15.9gを入れた。ついで、丸底フラスコを氷浴で冷却して、滴下ロートより化合物(b1)49.1gを32分かけて、内温10℃以下で滴下した。滴下終了後、滴下ロートより化合物(a1)82.0gを15分かけて滴下した。内温上昇はほとんど観測されなかった。滴下終了後、内温を室温に戻して約90時間撹拌した。分液ロートで下層を回収した。回収量は127.6gであり、ガスクロマトグラフィー(以下、GCと記す。)純度は55%であった。回収液を200cmの4口丸底フラスコに移して、蒸留を実施した。減圧度1.0〜1.1kPa(絶対圧)の留分として化合物(c1)97.7gを得た。GC純度は98%であり、収率は80%であった。
(Ii) Synthesis of compound (c1):
Potassium fluoride (trade name: Crocat F, manufactured by Morita Chemical Co., Ltd.) under a nitrogen atmosphere in a 300 cm 3 four-necked round bottom flask equipped with a Dimroth condenser, thermometer, dropping funnel, and glass rod with stirring blades. 6 g and 15.9 g of dimethoxyethane were added. Next, the round bottom flask was cooled in an ice bath, and 49.1 g of compound (b1) was added dropwise from the dropping funnel over 32 minutes at an internal temperature of 10 ° C. or lower. After the completion of dropping, 82.0 g of the compound (a1) was added dropwise over 15 minutes from the dropping funnel. Little increase in internal temperature was observed. After completion of the dropwise addition, the internal temperature was returned to room temperature and stirred for about 90 hours. The lower layer was collected with a separatory funnel. The recovered amount was 127.6 g, and the purity of gas chromatography (hereinafter referred to as GC) was 55%. The recovered liquid was transferred to a 200 cm 3 4-neck round bottom flask and distilled. 97.7 g of compound (c1) was obtained as a fraction having a degree of vacuum of 1.0 to 1.1 kPa (absolute pressure). The GC purity was 98% and the yield was 80%.

(iii)化合物(d1)の合成:
200cmのステンレス製オートクレーブに、フッ化カリウム(商品名:クロキャットF、森田化学社製)1.1gを入れた。脱気後、減圧下で、オートクレーブにジメトキシエタン5.3g、アセトニトリル5.3gおよび化合物(c1)95.8gを入れた。
ついで、オートクレーブを氷浴で冷却して、内温0〜5℃にて、ヘキサフルオロプロペンオキシド27.2gを27分かけて加えた後、撹拌しながら内温を室温に戻して一晩撹拌した。分液ロートで下層を回収した。回収量は121.9gであり、GC純度は63%であった。回収液の蒸留により沸点80〜84℃/0.67〜0.80kPa(絶対圧)の留分として化合物(d1)72.0gを得た。GC純度は98%であり、収率は56%であった。
(Iii) Synthesis of compound (d1):
1.1 g of potassium fluoride (trade name: CROCAT F, manufactured by Morita Chemical Co., Ltd.) was placed in a 200 cm 3 stainless steel autoclave. After deaeration, under reduced pressure, 5.3 g of dimethoxyethane, 5.3 g of acetonitrile and 95.8 g of compound (c1) were placed in an autoclave.
Next, the autoclave was cooled in an ice bath, and 27.2 g of hexafluoropropene oxide was added over 27 minutes at an internal temperature of 0 to 5 ° C. Then, the internal temperature was returned to room temperature while stirring and stirred overnight. . The lower layer was collected with a separatory funnel. The recovered amount was 121.9 g, and the GC purity was 63%. The recovered liquid was distilled to obtain 72.0 g of compound (d1) as a fraction having a boiling point of 80 to 84 ° C./0.67 to 0.80 kPa (absolute pressure). The GC purity was 98% and the yield was 56%.

(iv)化合物(m11)の合成:
内径1.6cmのステンレス製管を用いて、長さ40cmのU字管を作製した。該U字管の一方にガラスウールを充填し、他方にステンレス製焼結金属を目皿としてガラスビーズを充填し、流動層型反応器を作製した。流動化ガスとして窒素ガスを用い、定量ポンプを用いて原料を連続的に供給できるようにした。出口ガスはトラップ管を用いて液体窒素で捕集した。
(Iv) Synthesis of compound (m11):
Using a stainless steel tube having an inner diameter of 1.6 cm, a U-shaped tube having a length of 40 cm was produced. One side of the U-shaped tube was filled with glass wool, and the other side was filled with glass beads using a stainless sintered metal as the eye plate to prepare a fluidized bed reactor. Nitrogen gas was used as the fluidizing gas, and the raw material could be continuously supplied using a metering pump. The outlet gas was collected with liquid nitrogen using a trap tube.

流動層型反応器を塩浴に入れ、反応温度を340℃に保持しながら、化合物(d1)/Nのモル比が1/20となるように、流動層型反応器に化合物(d1)34.6gを1.5時間かけて供給した。反応終了後、液体窒素トラップより27gの液体を得た。GC純度は84%であった。該液体の蒸留により沸点69℃/0.40kPa(絶対圧)の留分として化合物(m11)を得た。GC純度は98%であった。 The fluidized bed reactor is placed in a salt bath, and the compound (d1) is added to the fluidized bed reactor so that the molar ratio of the compound (d1) / N 2 is 1/20 while maintaining the reaction temperature at 340 ° C. 34.6 g was fed over 1.5 hours. After completion of the reaction, 27 g of liquid was obtained from a liquid nitrogen trap. The GC purity was 84%. Distillation of the liquid gave compound (m11) as a fraction having a boiling point of 69 ° C./0.40 kPa (absolute pressure). The GC purity was 98%.

化合物(m11)の19F−NMR(282.7MHz、溶媒CDCl、基準:CFCl)。
δ(ppm):45.5(1F),45.2(1F),−79.5(2F),−82.4(4F),−84.1(2F),−112.4(2F),−112.6(2F),−112.9(dd,J=82.4Hz,67.1Hz,1F),−121.6(dd,J=112.9Hz,82.4Hz,1F),−136.0(ddt,J=112.9Hz,67.1Hz,6.1Hz,1F),−144.9(1F)。
19 F-NMR (282.7 MHz, solvent CDCl 3 , standard: CFCl 3 ) of the compound (m11).
δ (ppm): 45.5 (1F), 45.2 (1F), -79.5 (2F), -82.4 (4F), -84.1 (2F), -112.4 (2F) , −112.6 (2F), −112.9 (dd, J = 82.4 Hz, 67.1 Hz, 1F), −121.6 (dd, J = 112.9 Hz, 82.4 Hz, 1F), − 136.0 (ddt, J = 112.9 Hz, 67.1 Hz, 6.1 Hz, 1F), -144.9 (1F).

〔例2〕
(i)ポリマーP1の合成:
100cmのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11)9.84g、溶媒である化合物(1−1)3.09gおよび開始剤である化合物(2)1.3mgを入れ、液体窒素で冷却して脱気した。
CClFCFCHClF ・・・(1−1)、
(CHC(CN)N=NC(CH(CN) ・・・(2)。
[Example 2]
(I) Synthesis of polymer P1:
In a 100 cm 3 stainless steel autoclave, 9.84 g of the compound (m11), 3.09 g of the compound (1-1) as a solvent and 1.3 mg of the compound (2) as an initiator are placed, cooled with liquid nitrogen, and removed. I worried.
CClF 2 CF 2 CHClF (1-1),
(CH 3 ) 2 C (CN) N = NC (CH 3 ) 2 (CN) (2).

内温を70℃に昇温し、オートクレーブにテトラフルオロエチレンを導入し、圧力を1.31MPaG(ゲージ圧)とした。温度、圧力を一定に保持して、5.7時間重合を行った。ついで、オートクレーブ内を冷却して重合を停止し、系内のガスをパージした。
反応液を化合物(1−1)で希釈した後、化合物(1−2)を加え、ポリマーを凝集させ、ろ過した。
CHCClF ・・・(1−2)。
The internal temperature was raised to 70 ° C., tetrafluoroethylene was introduced into the autoclave, and the pressure was 1.31 MPaG (gauge pressure). Polymerization was carried out for 5.7 hours while keeping the temperature and pressure constant. Subsequently, the inside of the autoclave was cooled to stop the polymerization, and the gas in the system was purged.
After diluting the reaction solution with compound (1-1), compound (1-2) was added, the polymer was aggregated and filtered.
CH 3 CCl 2 F (1-2).

化合物(1−1)中でポリマーを撹拌した後、化合物(1−2)を加え、ポリマーを再凝集し、ろ過した。ポリマーを80℃で一晩減圧乾燥し、テトラフルオロエチレンと化合物(m11)との共重合体であるポリマーP1の1.2gを得た。ポリマーP1のイオン交換容量およびTQ値を表1に示す。   After stirring the polymer in compound (1-1), compound (1-2) was added, the polymer was re-agglomerated and filtered. The polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight to obtain 1.2 g of polymer P1, which is a copolymer of tetrafluoroethylene and the compound (m11). Table 1 shows the ion exchange capacity and TQ value of the polymer P1.

(ii)ポリマーQ1のフィルムの製造:
ポリマーP1を下記方法で処理し、酸型のポリマーQ1のフィルムを得た。
まず、ポリマーP1のTQ温度にて、加圧プレス成形によりポリマーP1を厚さ25μmのフィルムに加工した。
ついで、該フィルムを、ジメチルスルホキシドの30質量%および水酸化カリウムの15質量%を含む水溶液に、80℃で16時間浸漬させることにより、該フィルム中の−SOF基を加水分解し、−SOK基に変換した。
(Ii) Production of polymer Q1 film:
The polymer P1 was treated by the following method to obtain an acid type polymer Q1 film.
First, the polymer P1 was processed into a film having a thickness of 25 μm by pressure press molding at the TQ temperature of the polymer P1.
Next, the film was immersed in an aqueous solution containing 30% by mass of dimethyl sulfoxide and 15% by mass of potassium hydroxide at 80 ° C. for 16 hours to hydrolyze the —SO 2 F group in the film, Converted to SO 3 K group.

ついで、該フィルムを、3モル/L塩酸水溶液に、50℃で2時間浸漬した。塩酸水溶液を交換し、同様の処理をさらに4回繰り返した。該フィルムをイオン交換水で充分に水洗し、該フィルム中の−SOK基がスルホン酸基に変換された、ポリマーQ1のフィルムを得た。
ポリマーQ1の導電率および含水率を測定した。結果を表1に示す。
Then, the film was immersed in a 3 mol / L hydrochloric acid aqueous solution at 50 ° C. for 2 hours. The hydrochloric acid aqueous solution was replaced, and the same treatment was repeated four more times. The film was sufficiently washed with ion-exchanged water to obtain a polymer Q1 film in which —SO 3 K groups in the film were converted to sulfonic acid groups.
The conductivity and moisture content of polymer Q1 were measured. The results are shown in Table 1.

(iii)液状組成物S1の調製:
ポリマーQ1に、エタノール、水および1−ブタノールの混合溶媒(エタノール/水/1−ブタノール=35/50/15質量比)を加え、固形分濃度を15質量%に調整し、オートクレーブを用い125℃で8時間、撹拌した。さらに水を加え、固形分濃度を9質量%に調製し、ポリマーQ1が分散媒に分散した液状組成物S1を得た。分散媒の組成は、エタノール/水/1−ブタノール=21/70/9(質量比)であった。
(Iii) Preparation of liquid composition S1:
A mixed solvent of ethanol, water and 1-butanol (ethanol / water / 1-butanol = 35/50/15 mass ratio) is added to polymer Q1, the solid content concentration is adjusted to 15 mass%, and 125 ° C. using an autoclave. For 8 hours. Water was further added to adjust the solid content concentration to 9% by mass to obtain a liquid composition S1 in which the polymer Q1 was dispersed in a dispersion medium. The composition of the dispersion medium was ethanol / water / 1-butanol = 21/70/9 (mass ratio).

〔例3〕
(i)ポリマーP2の合成:
表1に示す条件に変更した以外は、例2と同様にして、トラフルオロエチレンと化合物(m11)との共重合体であるポリマーP2を得た。ポリマーP2の収量、イオン交換容量およびTQ値を表1に示す。
[Example 3]
(I) Synthesis of polymer P2:
Except having changed into the conditions shown in Table 1, it carried out similarly to Example 2, and obtained the polymer P2 which is a copolymer of trifluoroethylene and a compound (m11). The yield, ion exchange capacity and TQ value of polymer P2 are shown in Table 1.

(ii)ポリマーQ2のフィルムの製造:
ポリマーP1の代わりにポリマーP2を用いた以外は、例2と同様にして酸型のポリマーQ2のフィルムを得た。
ポリマーQ2の導電率および含水率を測定した。結果を表1に示す。
(Ii) Production of polymer Q2 film:
A film of acid-type polymer Q2 was obtained in the same manner as in Example 2 except that polymer P2 was used instead of polymer P1.
The conductivity and moisture content of polymer Q2 were measured. The results are shown in Table 1.

(iii)液状組成物S2の調製:
ポリマーQ1の代わりにポリマーQ2を用いた以外は、例2と同様にして液状組成物S2を得た。
(Iii) Preparation of liquid composition S2:
A liquid composition S2 was obtained in the same manner as in Example 2 except that the polymer Q2 was used instead of the polymer Q1.

〔例4〕
(i)ポリマーP3の合成:
表1に示す条件に変更した以外は、例2と同様にして、トラフルオロエチレンと化合物(m11)との共重合体であるポリマーP3を得た。ポリマーP3の収量、イオン交換容量およびTQ値を表1に示す。
[Example 4]
(I) Synthesis of polymer P3:
Except having changed into the conditions shown in Table 1, it carried out similarly to Example 2, and obtained the polymer P3 which is a copolymer of trifluoroethylene and a compound (m11). The yield, ion exchange capacity and TQ value of the polymer P3 are shown in Table 1.

(ii)ポリマーQ3のフィルムの製造:
ポリマーP1の代わりにポリマーP3を用いた以外は、例2と同様にして酸型のポリマーQ3のフィルムを得た。
ポリマーQ3の導電率および含水率を測定した。結果を表1に示す。
(Ii) Production of polymer Q3 film:
A film of acid-type polymer Q3 was obtained in the same manner as in Example 2 except that polymer P3 was used instead of polymer P1.
The conductivity and moisture content of polymer Q3 were measured. The results are shown in Table 1.

(iii)液状組成物S3の調製:
ポリマーQ1の代わりにポリマーQ3を用いた以外は、例2と同様にして液状組成物S3を得た。
(Iii) Preparation of liquid composition S3:
A liquid composition S3 was obtained in the same manner as in Example 2 except that the polymer Q3 was used instead of the polymer Q1.

Figure 2008186784
Figure 2008186784

〔例5〕
(i)ポリマーF1の合成:
テトラフルオロエチレンと化合物(3)とを特開昭60―243292号公報の実施例1に準じて共重合し、ポリマーF1を得た。ポリマーF1のイオン交換容量およびTQ値を表2に示す。
CF=CFOCFCF(CF)OCFCFSOF ・・・(3)。
[Example 5]
(I) Synthesis of polymer F1:
Tetrafluoroethylene and compound (3) were copolymerized according to Example 1 of JP-A-60-243292 to obtain polymer F1. Table 2 shows the ion exchange capacity and TQ value of the polymer F1.
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) OCF 2 CF 2 SO 2 F ··· (3).

(ii)ポリマーH1のフィルムの製造:
ポリマーF1を例2におけるポリマーP1と同様に酸型化処理し、酸型のポリマーH1のフィルムを得た。ポリマーH1の導電率および含水率を測定した。結果を表2に示す。
(Ii) Production of polymer H1 film:
The polymer F1 was acidified in the same manner as the polymer P1 in Example 2 to obtain an acid type polymer H1 film. The conductivity and water content of the polymer H1 were measured. The results are shown in Table 2.

(iii)液状組成物S4の調製:
ポリマーH1に、エタノールおよび水の混合溶媒(エタノール/水=60/40質量比)を加え、固形分濃度を26質量%に調整し、オートクレーブを用い100℃で8時間、撹拌した。ポリマーH1が分散媒に分散した液状組成物S4を得た。
(Iii) Preparation of liquid composition S4:
A mixed solvent of ethanol and water (ethanol / water = 60/40 mass ratio) was added to the polymer H1, the solid content concentration was adjusted to 26 mass%, and the mixture was stirred at 100 ° C. for 8 hours using an autoclave. A liquid composition S4 in which the polymer H1 was dispersed in a dispersion medium was obtained.

Figure 2008186784
Figure 2008186784

〔例6〕
カーボンブラック粉末に白金を50質量%担持した担持触媒に水を適量加え、10分間超音波を照射し、触媒の分散液を得た。触媒の分散液に、ポリマーQ1とカーボンブラック粉末との質量比(ポリマーQ1/カーボンブラック粉末)が0.75となるように、液状組成物S1を加え、さらにエタノールを加えて固形分濃度を10質量%とし、触媒層形成用液を得た。該液をエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(以下、ETFEと記す。)シート上に塗布し、乾燥させ、白金量が0.4mg/cmの触媒層を形成した。触媒層中のポリマーQ1を安定化させるために、窒素雰囲気下、170〜190℃でアニール処理を行った。
[Example 6]
An appropriate amount of water was added to a supported catalyst in which 50% by mass of platinum was supported on carbon black powder, and ultrasonic waves were applied for 10 minutes to obtain a catalyst dispersion. The liquid composition S1 is added to the catalyst dispersion so that the mass ratio of the polymer Q1 and the carbon black powder (polymer Q1 / carbon black powder) is 0.75, and ethanol is further added to obtain a solid content concentration of 10 The catalyst layer forming liquid was obtained with the mass%. The solution was applied onto an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (hereinafter referred to as ETFE) sheet and dried to form a catalyst layer having a platinum amount of 0.4 mg / cm 2 . In order to stabilize the polymer Q1 in the catalyst layer, an annealing treatment was performed at 170 to 190 ° C. in a nitrogen atmosphere.

例2のポリマーQ1のフィルムを固体高分子電解質膜とし、該固体高分子電解質膜を2枚の触媒層で挟み、プレス温度150℃、プレス時間5分、圧力3MPaの条件にて加熱プレスし、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を接合し、触媒層からETFEフィルムを剥離して、電極面積25cmの膜触媒層接合体を得た。 The film of polymer Q1 of Example 2 was used as a solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane was sandwiched between two catalyst layers, and heated and pressed under the conditions of a press temperature of 150 ° C., a press time of 5 minutes, and a pressure of 3 MPa, The catalyst layer was bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the ETFE film was peeled from the catalyst layer to obtain a membrane / catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 .

カーボンペーパーからなるガス拡散層上に、カーボンとポリテトラフルオロエチレンとからなるカーボン層を形成した。
カーボン層と触媒層とが接するように、膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み、膜電極接合体を得た。該膜電極接合体の評価を行った。結果を表3に示す。
A carbon layer made of carbon and polytetrafluoroethylene was formed on the gas diffusion layer made of carbon paper.
The membrane / catalyst layer assembly was sandwiched between the gas diffusion layers so that the carbon layer and the catalyst layer were in contact with each other to obtain a membrane / electrode assembly. The membrane electrode assembly was evaluated. The results are shown in Table 3.

〔例7〕
ポリマーQ1とカーボンブラック粉末との質量比(ポリマーQ1/カーボンブラック粉末)を0.70に変更した以外は、例6と同様にして膜電極接合体を得た。該膜電極接合体の評価を行った。結果を表3に示す。
[Example 7]
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 6 except that the mass ratio of the polymer Q1 and the carbon black powder (polymer Q1 / carbon black powder) was changed to 0.70. The membrane electrode assembly was evaluated. The results are shown in Table 3.

〔例8〕
ポリマーQ1とカーボンブラック粉末との質量比(ポリマーQ1/カーボンブラック粉末)を0.80に変更した以外は、例6と同様にして膜電極接合体を得た。該膜電極接合体の評価を行った。結果を表3に示す。
[Example 8]
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 6 except that the mass ratio of the polymer Q1 and the carbon black powder (polymer Q1 / carbon black powder) was changed to 0.80. The membrane electrode assembly was evaluated. The results are shown in Table 3.

〔例9〕
ポリマーQ1の代わりにポリマーQ2を用いた以外は、例6と同様にして膜電極接合体を得た。該膜電極接合体の評価を行った。結果を表3に示す。
[Example 9]
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 6 except that the polymer Q2 was used instead of the polymer Q1. The membrane electrode assembly was evaluated. The results are shown in Table 3.

〔例10〕
ポリマーQ1の代わりにポリマーQ3を用いた以外は、例6と同様にして膜電極接合体を得た。該膜電極接合体の評価を行った。結果を表3に示す。
[Example 10]
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 6 except that the polymer Q3 was used instead of the polymer Q1. The membrane electrode assembly was evaluated. The results are shown in Table 3.

〔例11〕
ポリマーQ1とカーボンブラック粉末との質量比(ポリマーQ1/カーボンブラック粉末)を0.65に変更した以外は、例6と同様にして膜電極接合体を得た。該膜電極接合体の評価を行った。結果を表3に示す。
[Example 11]
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 6 except that the mass ratio of the polymer Q1 and the carbon black powder (polymer Q1 / carbon black powder) was changed to 0.65. The membrane electrode assembly was evaluated. The results are shown in Table 3.

〔例12〕
ポリマーQ1とカーボンブラック粉末との質量比(ポリマーQ1/カーボンブラック粉末)を0.90に変更した以外は、例6と同様にして膜電極接合体を得た。該膜電極接合体の評価を行った。結果を表3に示す。
[Example 12]
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 6 except that the mass ratio of the polymer Q1 and the carbon black powder (polymer Q1 / carbon black powder) was changed to 0.90. The membrane electrode assembly was evaluated. The results are shown in Table 3.

〔例13〕
カーボンブラック粉末に白金を50質量%担持した担持触媒に水を適量加え、10分間超音波を照射し、触媒の分散液を得た。触媒の分散液に、ポリマーH1とカーボンブラック粉末との質量比(ポリマーH1/カーボンブラック粉末)が0.75となるように、液状組成物S4を加え、さらにエタノールを加えて固形分濃度を10質量%とし、触媒層形成用液を得た。該液をETFEシート上に塗布し、乾燥させ、白金量が0.4mg/cmの触媒層を形成した。触媒層中のポリマーH1を安定化させるために、窒素雰囲気下、130℃でアニール処理を行った。
[Example 13]
An appropriate amount of water was added to a supported catalyst in which 50% by mass of platinum was supported on carbon black powder, and ultrasonic waves were applied for 10 minutes to obtain a catalyst dispersion. The liquid composition S4 is added to the catalyst dispersion so that the mass ratio of the polymer H1 to the carbon black powder (polymer H1 / carbon black powder) is 0.75, and ethanol is further added to obtain a solid concentration of 10 The catalyst layer forming liquid was obtained with the mass%. The solution was applied onto an ETFE sheet and dried to form a catalyst layer having a platinum amount of 0.4 mg / cm 2 . In order to stabilize the polymer H1 in the catalyst layer, annealing treatment was performed at 130 ° C. in a nitrogen atmosphere.

例5のポリマーH1のフィルムを固体高分子電解質膜とし、該固体高分子電解質膜を2枚の触媒層で挟み、プレス温度150℃、プレス時間5分、圧力3MPaの条件にて加熱プレスし、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を接合し、触媒層からETFEフィルムを剥離して、電極面積25cmの膜触媒層接合体を得た。 The polymer H1 film of Example 5 was used as a solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane was sandwiched between two catalyst layers, and heated and pressed under conditions of a press temperature of 150 ° C., a press time of 5 minutes, and a pressure of 3 MPa, The catalyst layer was bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the ETFE film was peeled from the catalyst layer to obtain a membrane / catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 .

カーボンペーパーからなるガス拡散層上に、カーボンとポリテトラフルオロエチレンとからなるカーボン層を形成した。
カーボン層と触媒層とが接するように、膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み、膜電極接合体を得た。該膜電極接合体の評価を行った。結果を表3に示す。
A carbon layer made of carbon and polytetrafluoroethylene was formed on the gas diffusion layer made of carbon paper.
The membrane / catalyst layer assembly was sandwiched between the gas diffusion layers so that the carbon layer and the catalyst layer were in contact with each other to obtain a membrane / electrode assembly. The membrane electrode assembly was evaluated. The results are shown in Table 3.

Figure 2008186784
Figure 2008186784

本発明の膜電極接合体を用いることにより、出力電圧が高く、かつ負荷応答性が良好な固体分子形燃料電池が得られる。   By using the membrane electrode assembly of the present invention, a solid molecular fuel cell having a high output voltage and good load response can be obtained.

本発明の膜電極接合体の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の膜電極接合体の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the membrane electrode assembly of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 膜電極接合体
11 触媒層
13 アノード
14 カソード
15 固体高分子電解質膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane electrode assembly 11 Catalyst layer 13 Anode 14 Cathode 15 Solid polymer electrolyte membrane

Claims (2)

プロトン伝導性含フッ素ポリマーおよびカーボン材料を含む触媒層を有するアノードおよびカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体高分子電解質膜とを備え、
前記プロトン伝導性含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、1.4〜1.8ミリ当量/g乾燥樹脂であり、
前記プロトン伝導性含フッ素ポリマーの含水率が、150質量%以下であり、
前記プロトン伝導性含フッ素ポリマーと前記カーボン材料との質量比(プロトン伝導性含フッ素ポリマー/カーボン材料)が、0.7〜0.8である、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
An anode and a cathode having a catalyst layer containing a proton conductive fluorine-containing polymer and a carbon material, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode,
The ion-exchange capacity of the proton conductive fluorine-containing polymer is 1.4 to 1.8 meq / g dry resin,
The proton conductive fluorine-containing polymer has a water content of 150% by mass or less,
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein a mass ratio of the proton conductive fluoropolymer to the carbon material (proton conductive fluoropolymer / carbon material) is 0.7 to 0.8.
前記プロトン伝導性含フッ素ポリマーが、イオン性基を有するパーフルオロカーボンポリマーである、請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the proton-conductive fluorine-containing polymer is a perfluorocarbon polymer having an ionic group.
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