JP2008277282A - Membrane-electrode assembly for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell - Google Patents

Membrane-electrode assembly for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell Download PDF

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methanol fuel
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Shingo Tanaka
真悟 田中
Nobuaki Wakabayashi
宣彰 若林
Junji Kawai
淳司 川井
Makoto Higami
誠 樋上
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly having high methanol utilization factor and capable of operating with high concentration methanol aqueous solution; and to provide a direct methanol fuel cell using the membrane-electrode assembly. <P>SOLUTION: The membrane-electrode assembly for the direct methanol fuel cell is equipped with an aromatic ion exchange resin membrane; a catalyst layer including at least catalyst-supported carbon and an ion exchange resin electrolyte; and a gas diffusion layer. The aromatic ion exchange resin membrane is composed of a polyarylene polymer including a structural unit represented by formula (5) and sulfonic acid unit. In the formula, T is a specific phenylene group; A is a direct bond, -CO-, -SO-, -CONH-, -COO-, or the like; B is an O atom or a S atom. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜−電極接合体と該膜−電極接合体を使用する直接メタノール型燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly and a direct methanol fuel cell using the membrane-electrode assembly.

近年、携帯機器の消費電力の増大に伴い電池の容量不足が問題になっている。この問題を解決するため大容量の電源として燃料電池やリチウムイオン電池が活発に研究されている。   In recent years, a shortage of battery capacity has become a problem with increasing power consumption of portable devices. In order to solve this problem, fuel cells and lithium ion batteries have been actively researched as large-capacity power sources.

中でも直接メタノール型燃料電池は、改質型燃料電池における改質機、水素燃料の燃料電池における高圧水素タンクなどの補機が不要であり、燃料であるメタノールの体積エネルギー密度が高いことから小型化が容易であり、携帯用電源に適している。特にリチウムイオン電池以上の小型化が理論的に可能であることから、携帯機器用電源への適用が活発に検討されている。   Direct methanol fuel cells are particularly compact because they do not require a reformer for reforming fuel cells or high-pressure hydrogen tanks for hydrogen fuel fuel cells, and the volume energy density of methanol, the fuel, is high. Is easy and suitable for portable power supply. In particular, since it is theoretically possible to downsize more than a lithium ion battery, application to a power source for portable devices is being actively studied.

直接メタノール型燃料電池のプロトン伝導膜としてパーフルオロアルキルスルホン酸系高分子が使われている。しかし、パーフルオロアルキルスルホン酸系高分子はプロトン伝導度は高いものの、メタノールの透過性が高く、メタノールがアノードからカソードへと透過するため、出力低下、燃料の損失、数%程度にメタノールを水で希釈しなければならないことによる燃料の体積エネルギー密度の低下という問題があった。また、燃料電池の電極触媒には白金などの高価な貴金属触媒が使用されているが、透過したメタノールの燃焼にも電極中の貴金属触媒が使われるため、本来の発電に必要な量以上の貴金属触媒をカソードに使用する必要があるという問題があった。   Perfluoroalkylsulfonic acid polymers are used as proton conducting membranes in direct methanol fuel cells. However, although perfluoroalkylsulfonic acid polymers have high proton conductivity, methanol permeability is high, and methanol permeates from the anode to the cathode, resulting in a decrease in output, fuel loss, and water to several percent. There was a problem that the volumetric energy density of the fuel was lowered due to the fact that it had to be diluted with the above. In addition, an expensive noble metal catalyst such as platinum is used for the electrode catalyst of the fuel cell, but the noble metal catalyst in the electrode is also used for the combustion of the permeated methanol, so the amount of noble metal more than that required for the original power generation is exceeded. There was a problem that it was necessary to use a catalyst for the cathode.

なお、本出願人は、特開2003-331868号公報(特許文献1)、特開2004-149056号公報(特許文献2)には、特定の構造式のスルホン化ポリアリーレンを含有する直接メタノール型燃料電池用電解質膜を提案している。
特開2003-331868号公報 特開2004-149056号公報
In addition, the present applicant has disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-331868 (Patent Document 1) and Japanese Patent Laid-Open No. 2004-149056 (Patent Document 2) a direct methanol type containing a sulfonated polyarylene having a specific structural formula. Proposed electrolyte membranes for fuel cells.
JP2003-331868 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-149056

本発明はメタノール利用率が高く、高濃度のメタノール水溶液で作動可能な膜-電極接
合体及び該膜-電極接合体を使用した直接メタノール型燃料電池を提供することである。
An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly that has a high methanol utilization rate and can operate with a high-concentration aqueous methanol solution, and a direct methanol fuel cell using the membrane-electrode assembly.

本発明者らは、上記従来技術における問題点に鑑み鋭意検討した。その結果、メタノール透過度の低い芳香族系イオン交換樹脂をプロトン伝導膜として用いた膜-電極接合体を用
いることで、高濃度のメタノール水溶液でも発電可能で、数%程度のメタノール水溶液を
使用するに場合には発電性能を損なうことなくカソードの白金などの貴金属の使用量を低減できることを見出した。
The present inventors have intensively studied in view of the above problems in the prior art. As a result, by using a membrane-electrode assembly using an aromatic ion exchange resin with low methanol permeability as a proton conducting membrane, it is possible to generate power even with a high concentration of aqueous methanol solution, and use about several percent aqueous methanol solution. In this case, it was found that the amount of noble metal such as platinum used in the cathode can be reduced without impairing the power generation performance.

本発明の構成は以下の通りである。
[1]芳香族系イオン交換樹脂膜と少なくとも触媒担持カーボン及びイオン交換樹脂電解質
とを含む触媒層とガス拡散層を備えた直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体であって
、該芳香族系イオン交換樹脂膜が、下記式(5)で表わされる構造単位と、下記式(6)
で表される構造単位を含むことを特徴とするポリアリーレン系重合体から構成されることを特徴とする直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体;
The configuration of the present invention is as follows.
[1] A membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell comprising an aromatic ion exchange resin membrane, a catalyst layer containing at least a catalyst-supporting carbon and an ion exchange resin electrolyte, and a gas diffusion layer, the aromatic system The ion exchange resin membrane has a structural unit represented by the following formula (5) and the following formula (6):
A membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell, comprising a polyarylene polymer characterized in that it comprises a structural unit represented by:

Figure 2008277282
Figure 2008277282

[式(5)中、Tは下記式(2)で表わされ、少なくとも下記式(3)で表わされる構造を含む。 [In formula (5), T is represented by the following formula (2) and includes at least a structure represented by the following formula (3).

Figure 2008277282
Figure 2008277282

A、Cは独立に直接結合または、−CO−、−SO2、−SO−、−CONH−、−C
OO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲ
ン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、
Dは下記式(4)で表わされる2,2−プロピリデン基もしくは1,1−シクロヘキシリデン基を示す。
A and C are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 , —SO—, —CONH—, —C
OO -, - (CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is An aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, -S-, and at least one structure selected from the group consisting of ,
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom,
D represents a 2,2-propylidene group or a 1,1-cyclohexylidene group represented by the following formula (4).

Figure 2008277282
Figure 2008277282

1〜R16は、互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、ア
ルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which some or all are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group. , Represents at least one atom or group selected from the group consisting of nitrile groups.

17、R18は互いに水素原子の場合を除き、同一であっても異なっていてもよく、水素原子、メチル基、イソプロピル基、イソブチル基、t−ブチル基、シクロヘキシル基を示す。
s、tは0〜4の整数を示し、rは1以上の整数を示す。]。
R 17 and R 18 may be the same or different except for a hydrogen atom, and each represents a hydrogen atom, a methyl group, an isopropyl group, an isobutyl group, a t-butyl group, or a cyclohexyl group.
s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents an integer of 1 or more. ].

Figure 2008277282
Figure 2008277282

[式(6)中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(
CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(F3)−からなる群より選ばれた少なく
とも1種の構造を示し、
Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Arは−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換
基を有する芳香族基を示す。
[In the formula (6), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (
CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), at least one structure selected from the group consisting of —C (F 3 ) —
Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. Show the structure of the species,
Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H.

pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。]。
[2]アノード側の触媒層に含まれる白金触媒の塗布量が0.7mg/cm2以上8.0mg/cm2
下である[1]の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
[3]カソード側の触媒層の厚みが5〜100μmである[1]または[2]の直接メタノール燃
料電池用膜-電極接合体。
[4]アノード側の触媒層の厚みが5〜100μmである[1]〜[3]の直接メタノール燃料電
池用膜-電極接合体。
[5]前記直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体は、芳香族系イオン交換樹脂膜の少なくとも片側のガス拡散層が多孔性基材から構成され、該多孔性基材と前記触媒層との間に撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備える[1]〜[4]の直接メタノール燃料電池用膜-電
極接合体。
[6]前記直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体は、芳香族系イオン交換樹脂膜の少なくとも片側のガス拡散層が撥水剤コート多孔性基材から構成され、該多孔性基材と前記触媒層との間に撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備える[1]〜[5]の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
[7]前記直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体で、芳香族系イオン交換樹脂膜のカソード側のガス拡散層が撥水剤コート多孔性基材から構成される[6]の直接メタノール燃料電
池用膜-電極接合体。
[8]アノード側のガス拡散層の透湿度が800g/m2/h 〜 3000g/m2/hである[1]〜[7]の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
[9]カソード側のガス拡散層の透湿度が500g/m2/h 〜 2500g/m2/hである[1]〜[8]の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
[10]少なくとも一つ以上の膜-電極接合体及びその両側に位置するセパレータを含む少な
くとも一つの電気発生部;
燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;
及び酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む直接メタノール型燃料電池であって、
膜-電極接合体が[1]〜[9]のものであることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
p shows the integer of 1-12, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. ].
[2] The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to [1], wherein the coating amount of the platinum catalyst contained in the catalyst layer on the anode side is 0.7 mg / cm 2 or more and 8.0 mg / cm 2 or less.
[3] The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to [1] or [2], wherein the thickness of the catalyst layer on the cathode side is 5 to 100 μm.
[4] The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to [1] to [3], wherein the thickness of the catalyst layer on the anode side is 5 to 100 μm.
[5] In the membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell, the gas diffusion layer on at least one side of the aromatic ion exchange resin membrane is composed of a porous substrate, and the porous substrate and the catalyst layer The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to [1] to [4], comprising a microporous layer comprising a water repellent and carbon powder in between.
[6] In the membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell, the gas diffusion layer on at least one side of the aromatic ion exchange resin membrane is composed of a water repellent-coated porous base material, The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to [1] to [5], comprising a microporous layer made of a water repellent and carbon powder between the catalyst layer and the catalyst layer.
[7] The direct methanol fuel according to [6], wherein the gas diffusion layer on the cathode side of the aromatic ion exchange resin membrane is composed of a water repellent-coated porous base material in the membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell. Battery membrane-electrode assembly.
[8] The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to [1] to [7], wherein the gas permeability of the gas diffusion layer on the anode side is 800 g / m 2 / h to 3000 g / m 2 / h.
[9] The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to [1] to [8], wherein the gas diffusion layer on the cathode side has a moisture permeability of 500 g / m 2 / h to 2500 g / m 2 / h.
[10] At least one electricity generating unit including at least one membrane-electrode assembly and separators located on both sides thereof;
A fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generation unit;
And a direct methanol fuel cell including an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit,
A direct methanol fuel cell, wherein the membrane-electrode assembly is one of [1] to [9].

本発明によれば、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂とを含む触媒層、炭素と撥水剤をコートした多孔性の基材及び撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層から成る積層体を芳香族系イオン交換樹脂膜の両面に備えた膜-電極接合体及び直接メタノール型燃料電池にお
いて、芳香族系イオン交換樹脂によるメタノール透過の抑制により高濃度のメタノール水溶液でも発電可能で、数%程度のメタノール水溶液を使用するに場合には発電性能をカソ
ードの白金量を低減でき、膜-電極接合体及び直接メタノール型燃料電池を提供すること
ができる。
According to the present invention, a laminate comprising a catalyst layer containing a catalyst-supporting carbon and an ion exchange resin, a porous substrate coated with carbon and a water repellent, and a microporous layer made of the water repellent and carbon powder is added to the fragrance. In membrane-electrode assemblies and direct methanol fuel cells on both sides of an aromatic ion-exchange resin membrane, it is possible to generate power even with a high concentration aqueous methanol solution by suppressing methanol permeation by the aromatic ion-exchange resin. When an aqueous methanol solution is used, the amount of platinum at the cathode can be reduced in terms of power generation performance, and a membrane-electrode assembly and a direct methanol fuel cell can be provided.

以下、本発明に係る膜-電極接合体及び直接メタノール型燃料電池について詳細に説明
する。
本発明に係る膜-電極接合体は、芳香族系イオン交換樹脂膜と、少なくとも触媒担持カ
ーボン及びイオン交換樹脂電解質とを含む触媒層とガス拡散層を備えた直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体である。
Hereinafter, the membrane-electrode assembly and the direct methanol fuel cell according to the present invention will be described in detail.
The membrane-electrode assembly according to the present invention includes an aromatic ion exchange resin membrane, a catalyst layer containing at least catalyst-supporting carbon and an ion exchange resin electrolyte, and a gas diffusion layer for a direct methanol fuel cell membrane-electrode assembly. Is the body.

[芳香族系イオン交換樹脂膜]
該芳香族系イオン交換樹脂膜が下記一般式(5)で表される構造単位(疎水ユニット)、
及び下記一般式(6)で表される構造単位(スルホン酸ユニット)を含むスルホン酸基を有
するポリアリーレン系重合体である。重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定したポリスチレン換算の重量平均分子量(以下、単に「重量平均分子量」という)は1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
<疎水ユニット>
疎水性ユニット(以下「ユニット(A)」ともいう)は、下記式(5)で表される。
[Aromatic ion exchange resin membrane]
The aromatic ion exchange resin membrane is a structural unit (hydrophobic unit) represented by the following general formula (5):
And a polyarylene polymer having a sulfonic acid group containing a structural unit (sulfonic acid unit) represented by the following general formula (6). The weight average molecular weight in terms of polystyrene measured by gel permeation chromatography of the polymer (hereinafter simply referred to as “weight average molecular weight”) is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000.
<Hydrophobic unit>
The hydrophobic unit (hereinafter also referred to as “unit (A)”) is represented by the following formula (5).

Figure 2008277282
Figure 2008277282

[式(5)中、Tは下記式(2)で表わされ、少なくとも下記式(3)で表わされる構造を含む。 [In formula (5), T is represented by the following formula (2) and includes at least a structure represented by the following formula (3).

Figure 2008277282
Figure 2008277282

A、Cは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−
COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロ
ゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
A and C are independently a direct bond or -CO-, -SO 2- , -SO-, -CONH-,-
COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ is An aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-. .

ここで、−CR'2−で表される構造の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基などが挙げられる。 Here, specific examples of the structure represented by —CR ′ 2 — include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group. Group, octadecyl group, phenyl group, trifluoromethyl group and the like.

これらのうち、直接結合、−CO−、−SO2−、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−が好ましい。 Among these, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group , A fluorenylidene group, and -O- are preferable.

Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、酸素原子が好ましい。
Xはハロゲン原子であり、塩素原子が好ましい。
Dは下記式(4)で表わされる2,2−プロピリデン基もしくは1,1−シクロヘキシリデン基を示す。
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
X is a halogen atom, preferably a chlorine atom.
D represents a 2,2-propylidene group or a 1,1-cyclohexylidene group represented by the following formula (4).

Figure 2008277282
Figure 2008277282

1〜R16は、互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、ア
ルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which some or all are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group. , Represents at least one atom or group selected from the group consisting of nitrile groups.

アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基などが挙げられる。ハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられる。アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。   Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, and an octyl group. Examples of the halogenated alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

17、R18は互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、メチル基、イソプロピル基、イソブチル基、t−ブチル基、シクロヘキシル基を示す。ただし、互いに水素原子の場合を除く。 R 17 and R 18 may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom, a methyl group, an isopropyl group, an isobutyl group, a t-butyl group, or a cyclohexyl group. However, the case of mutual hydrogen atoms is excluded.

s、tは0〜4の整数を示す。rは1〜100の整数を示し、好ましくは1〜80である。
s、tの値と、A、B、D、R1〜R18の好ましい組み合わせである構造として、s=
1、t=1であり、Aが−CO−または、−SO2−であり、Bが酸素原子であり、Dが
−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を
示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基であり、R1〜R16が水素原子また
はフッ素原子であり、R17、R18が水素原子、メチル基、t−ブチル基、シクロヘキシル基、フェニル基である構造が挙げられる。
s and t represent an integer of 0 to 4. r shows the integer of 1-100, Preferably it is 1-80.
As a structure which is a preferable combination of the values of s and t and A, B, D and R 1 to R 18 , s =
1, t = 1, A is —CO— or —SO 2 —, B is an oxygen atom, D is —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic hydrocarbon A cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom, R 17 and R 18 are a hydrogen atom, a methyl group, or t-butyl. And a structure that is a group, a cyclohexyl group, or a phenyl group.

この疎水ユニットを含んでいると、重合体に疎水部を付与することができる。また、縮合芳香族環を有するので、前記重合体にメタノール耐性を付与することができる。
このような疎水性ユニットは以下の芳香族化合物から誘導される。
When this hydrophobic unit is included, a hydrophobic portion can be imparted to the polymer. Moreover, since it has a condensed aromatic ring, methanol resistance can be imparted to the polymer.
Such hydrophobic units are derived from the following aromatic compounds.

本発明に係る芳香族化合物は、下記式(1)で表され、以下「化合物(1)」ともいう。   The aromatic compound according to the present invention is represented by the following formula (1), and is hereinafter also referred to as “compound (1)”.

Figure 2008277282
Figure 2008277282

式(1)中、T、s、t、r、A、B、R1〜R8は式(5)と同じである。
Xはハロゲン原子であり、塩素原子が好ましい。
化合物(1)は、例えば以下に示す方法で合成することができる。
In formula (1), T, s, t, r, A, B, and R 1 to R 8 are the same as in formula (5).
X is a halogen atom, preferably a chlorine atom.
Compound (1) can be synthesized, for example, by the method shown below.

まずビスフェノール化合物をビスフェノールのアルカリ金属塩とするために、N−メチ
ル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン
、ジメチルスルホキサイドなどの誘電率の高い極性溶媒中で、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、または水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などのアルカリ金属化合物を加える。通常、アルカリ金属等はビスフェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、1.1〜2倍当量を使用する。好ましくは、1.2〜1.5倍当量を使用する。
First, in order to convert the bisphenol compound into an alkali metal salt of bisphenol, lithium in a polar solvent having a high dielectric constant such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, and dimethylsulfoxide is used. An alkali metal such as sodium or potassium, or an alkali metal compound such as an alkali metal hydride, an alkali metal hydroxide, or an alkali metal carbonate is added. Usually, an alkali metal or the like is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of bisphenol, and usually 1.1 to 2 times equivalent is used. Preferably, 1.2 to 1.5 times equivalent is used.

ここで、ビスフェノールは少なくとも2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキ
シフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニ
ル)プロパン、2,2−ビス(3−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、1,1
−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−シクロヘキシル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンを用い、その他に2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−
フェニルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジフェニルフェニル)フルオレン、4,4’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、4,4’−ビス(4−ヒドロキシ−3−フェニルフェニル)ジフェニルメタン、4,4’−ビス
(4−ヒドロキシ3,5−ジフェニルフェニル)ジフェニルメタン、ヒドロキノン、レゾ
ルシノール、2−フェニルヒドロキノンなどを用いても良い。
Here, bisphenol is at least 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2-bis (3-phenyl-4-hydroxyphenyl) propane, 1,1
-Bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 1,1-bis (3-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 1,1-bis (3-cyclohexyl-4-hydroxy) Phenyl) cyclohexane and 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 2 , 2-bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (4-hydroxy-3-
Phenylphenyl) fluorene, 9,9-bis (4-hydroxy-3,5-diphenylphenyl) fluorene, 4,4'-bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 4,4'-bis (4-hydroxy-3) -Phenylphenyl) diphenylmethane, 4,4'-bis (4-hydroxy3,5-diphenylphenyl) diphenylmethane, hydroquinone, resorcinol, 2-phenylhydroquinone and the like may be used.

この際、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、クロロベンゼン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトールなどの水と共沸する溶媒を共存させて、電子吸引性基で活性化された芳香族ジハライド化合物(活性芳
香族ジバライド化合物)、例えば、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン、4,4'−ジクロ
ロベンゾフェノン、4,4'−クロロフルオロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン、4−フルオロフェニル−4'−ク
ロロフェニルスルホン、ビス(3−ニトロ−4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジ
クロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、ヘキサフルオロベンゼン、
デカフルオロビフェニル、2,5−ジフルオロベンゾフェノン、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼンなどを反応させる。
In this case, an aromatic dihalide compound activated with an electron-withdrawing group in the presence of a solvent azeotropic with water such as benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, anisole, and phenetole. (Active aromatic divalide compound), for example, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-chlorofluorobenzophenone, bis (4-chlorophenyl) sulfone, bis (4-fluorophenyl) Sulfone, 4-fluorophenyl-4′-chlorophenylsulfone, bis (3-nitro-4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, hexafluorobenzene,
Decafluorobiphenyl, 2,5-difluorobenzophenone, 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) benzene and the like are reacted.

活性芳香族ジハライド化合物は、ここでの反応性を重視すると、フッ素化合物が好ましいが、次の過程である芳香族カップリング反応性を重視すると、末端が塩素原子となるように芳香族求核置換反応を組み立てる必要があるので、塩素化合物が好ましい。活性芳香族ジハライドはビスフェノールに対し、2〜4倍モル、好ましくは2.2〜2.8倍モルである。これらは、あらかじめ芳香族求核置換反応の前に、ビスフェノールのアルカリ金属塩としていてもよい。活性芳香族ジハライドとして最も好ましいのは、反応性の異なるハロゲン原子を一個づつ有するクロロフルオロ体であり、この場合にはフッ素原子が優先してフェノキシドとの求核置換反応が起きるので、目的の活性化された末端クロロ体を得るのに好都合である。   The active aromatic dihalide compound is preferably a fluorine compound if importance is attached to the reactivity here, but if importance is attached to the aromatic coupling reactivity, which is the next step, aromatic nucleophilic substitution so that the terminal is a chlorine atom. Chlorine compounds are preferred because the reaction needs to be assembled. The active aromatic dihalide is 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 2.8 times mol, of bisphenol. These may be previously converted to alkali metal salts of bisphenol before the aromatic nucleophilic substitution reaction. Most preferred as the active aromatic dihalide is a chlorofluoro compound having halogen atoms with different reactivities one by one. In this case, the fluorine atom preferentially undergoes a nucleophilic substitution reaction with phenoxide. It is convenient to obtain a modified terminal chloro form.

反応温度は60℃〜300℃で、好ましくは80℃〜250℃の範囲である。反応時間は15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間の範囲である。
このような化合物(1)としては、具体的には下記式で表される化合物などが挙げられる。
The reaction temperature is 60 ° C to 300 ° C, preferably 80 ° C to 250 ° C. The reaction time ranges from 15 minutes to 100 hours, preferably from 1 hour to 24 hours.
Specific examples of such compound (1) include compounds represented by the following formulas.

なお、下記式中、aおよびbは各ユニットの組成比を示す。   In the following formula, a and b indicate the composition ratio of each unit.

Figure 2008277282
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Figure 2008277282
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<スルホン酸ユニット>
本発明にかかる共重合体は、前記式(5)で表される構造単位とともに下記式(6)で表される構造単位(スルホン酸ユニット、以下「ユニット(6)」ともいう)を含むことが望ましい。
<Sulphonic acid unit>
The copolymer according to the present invention includes a structural unit represented by the following formula (6) together with the structural unit represented by the formula (5) (sulfonic acid unit, hereinafter also referred to as “unit (6)”). Is desirable.

Figure 2008277282
Figure 2008277282

式(6)中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(
CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち、−CO−、−SO2−が好ましい。
In Formula (6), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (
CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10) and at least one structure selected from the group consisting of —C (CF 3 ) 2 —. Of these, —CO— and —SO 2 — are preferable.

Zは直接結合、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち直接結合、−O−が好ましい。 Z is a direct bond, at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. The structure of is shown. Among these, a direct bond and -O- are preferable.

Arは−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置
換基(pは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す。
この芳香族基として、例えばフェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらのうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。−SO3H、
−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基(pは1〜12の整数を示す)は、少なくとも1個置換されていることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上置換されていることが好ましい。
Ar is an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). Indicates.
Examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group. Of these, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. -SO 3 H,
It is necessary that at least one substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12) is substituted. In the case of a naphthyl group, two or more are preferably substituted.

mは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは1〜4の整数を示す。
m、nの値とY、Z、Arの好ましい組み合わせである構造として、
(1)m=0、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有
するフェニル基である構造、
(2)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(3)m=1、n=1、k=1であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(4)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として2個の−SO3Hを有するナフチル基である構造、
(5)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−O(CH24SO3Hを有するフェニル基である構造などが挙げられる。
m is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k is an integer of 1 to 4.
As a structure which is a preferable combination of the values of m and n and Y, Z and Ar,
(1) a structure in which m = 0, n = 0, Y is —CO—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(2) a structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(3) a structure in which m = 1, n = 1, k = 1, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(4) A structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a naphthyl group having two —SO 3 H as a substituent;
(5) m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —O (CH 2 ) 4 SO 3 H as a substituent. Examples include the structure.

<重合体の構造>
本発明で使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体は、下記式(7)で表される。以下、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を「共重合体(7)」ともいう。
<Polymer structure>
The polyarylene polymer having a sulfonic acid group used in the present invention is represented by the following formula (7). Hereinafter, the polyarylene polymer having a sulfonic acid group is also referred to as “copolymer (7)”.

Figure 2008277282
Figure 2008277282

式(7)中、A、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R8は、それぞれ上記式(5)および(6)中のA、B、D、T、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R8と同義である。x、yはx+y=100モル%とした場合のモル比であり、xはユニット(6)のモル比、yはユニット(5)のモル比を示す。 In the formula (7), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t, and R 1 to R 8 are respectively A in the above formulas (5) and (6). , B, D, T, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t, and R 1 to R 8 . x and y are molar ratios when x + y = 100 mol%, x represents the molar ratio of units (6), and y represents the molar ratio of units (5).

本発明に係る共重合体(7)におけるxの値は、0.5〜99.999モル%、好ましくは10〜99.999モル%、yの値は、99.5〜0.001モル%、好ましくは90〜0.001モル%である。   The value of x in the copolymer (7) according to the present invention is 0.5 to 99.999 mol%, preferably 10 to 99.999 mol%, and the value of y is 99.5 to 0.001 mol%. , Preferably it is 90-0.001 mol%.

<スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体(共重合体(7))の製造方法>
共重合体(7)の製造には、例えば下記に示すI法、II法、III法の3通りの方法を用
いることができる。
<Method for producing polyarylene polymer having sulfonic acid group (copolymer (7))>
For the production of the copolymer (7), for example, the following three methods, Method I, Method II and Method III, can be used.

(I法)例えば、特開2004−137444に記載の方法で、ユニット(5)となりうるモノマーまたはオリゴマーと、ユニット(6)となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。   (Method I) For example, by the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer or oligomer that can be a unit (5) and a monomer having a sulfonate group that can be a unit (6) are copolymerized to form a sulfonate ester. It can be synthesized by producing a polyarylene having a group, deesterifying the sulfonate group, and converting the sulfonate group to a sulfonate group.

(II法)例えば、特開2001−342241に記載の方法で、ユニット(5)となりうるモノマーまたはオリゴマーと、ユニット(6)で表される骨格を有するがスルホン酸基およびスルホン酸エステル基を有しないモノマーとを共重合させ、この共重合体をスルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。   (Method II) For example, in the method described in JP-A No. 2001-342241, the monomer or oligomer that can be the unit (5) and the skeleton represented by the unit (6) have a sulfonic acid group and a sulfonic acid ester group. It is also possible to synthesize the copolymer by copolymerizing with a monomer that does not, and sulfonating the copolymer using a sulfonating agent.

(III法)式(6)において、Arが−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特開2005−060
625に記載の方法で、ユニット(5)となりうるモノマーまたはオリゴマーと、ユニット(6)となりうる前駆体のモノマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(Method III) In the formula (6), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, For example, JP-A-2005-060
The monomer or oligomer that can become the unit (5) and the precursor monomer that can become the unit (6) are copolymerized by the method described in 625, and then an alkylsulfonic acid or a fluorine-substituted alkylsulfonic acid is introduced. It can also be synthesized by the method.

(I法)において用いることのできる、ユニット(6)となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーの具体的な例として、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。   Specific examples of the monomer having a sulfonic acid ester group that can be used as a unit (6) that can be used in (Method I) are JP-A Nos. 2004-137444, 2004-345997, and 2004-. Examples thereof include sulfonic acid esters described in Japanese Patent No. 346163.

(II法)において用いることのできる、ユニット(6)となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241号公報、特開2002−293889号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。   As specific examples of the monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be used as the unit (6) that can be used in (Method II), JP-A Nos. 2001-342241 and 2002-293889 are disclosed. Mention may be made of the dihalides described in the publication.

(III法)において用いることのできる、ユニット(6)となりうる前駆体のモノマー
の具体的な例として、特開2005−36125号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。
Specific examples of the precursor monomer that can be used in (Method III) and can be the unit (6) include dihalides described in JP-A-2005-36125.

共重合体(7)を得るためは、まず、ユニット(5)となりうるモノマーまたはオリゴマーと、これらのユニット(6)となりうるモノマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、ならびに(2)還元剤を必須成分とした触媒が該当するが、さらに、重合速度を上げるためにこれに「塩」を添加してもよい。   In order to obtain the copolymer (7), it is first necessary to copolymerize the monomer or oligomer that can be the unit (5) and the monomer that can be the unit (6) to obtain a precursor polyarylene. is there. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. This catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”), or a transition metal complex (including a copper salt) coordinated with a ligand, and (2) a catalyst having a reducing agent as an essential component, Further, a “salt” may be added thereto in order to increase the polymerization rate.

これらの触媒成分の具体的な例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241号公報に記載の化合物を挙げることができる。   Specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the polymerization conditions such as the reaction solvent, concentration, temperature, time, etc. include the compounds described in JP-A No. 2001-342241.

共重合体(7)は、この前駆体のポリアリーレンをスルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体に変換して得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。   The copolymer (7) can be obtained by converting the precursor polyarylene into a polyarylene polymer having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.

・前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体を、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法。
・前駆体のポリアリーレン共重合体を、特開2001−342241号公報に記載の方
法でスルホン化する方法。
A method of deesterifying a polyarylene polymer having a sulfonate group of a precursor by a method described in JP-A-2004-137444.
A method of sulfonating a precursor polyarylene copolymer by the method described in JP-A-2001-342241.

・前駆体のポリアリーレン系重合体に、特開2005−060625号公報に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。
上記のような方法により製造される共重合体(7)のイオン交換容量は、通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがある。
A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene polymer by the method described in JP-A-2005-060625.
The ion exchange capacity of the copolymer (7) produced by the above method is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably 0.8 to 2.8 meq. / G. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered.

上記のイオン交換容量は、例えばユニット(5)となりうるモノマーまたはオリゴマーと、ユニット(6)となりうる前駆体のモノマーの種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。   The ion exchange capacity can be adjusted, for example, by changing the type, use ratio, and combination of the monomer or oligomer that can be the unit (5) and the precursor monomer that can be the unit (6).

このようにして得られる共重合体(7)の分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。   The molecular weight of the copolymer (7) thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).

ポリアリーレン系重合体は、特定の縮合芳香族環を含む構造単位を有しているので疎水性を有し、メタノール耐性が高い。したがって、スルホン酸基を高い濃度で導入できる。また、本発明で使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体は、その主鎖骨格を形成する結合基が少なくとも1つ以上のメタ結合、もしくはオルト結合を含むことであり、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体のガラス転移点が、60℃〜190℃の範囲に制御することで、目的とする高性能の直接メタノール型燃料電池用膜-電極接合体および燃料電池が得られる。
(ガラス転移点について)
上記の方法で得られる重合体のガラス転移点は、フィルム状態では動的粘弾性測定装置により測定される)。ガラス転移点は、60℃〜190℃の範囲が好ましく、さらに好ましくは80℃〜170℃である。この温度を上記の範囲に制御することで、電極との接合性
温度が低減できる。さらに、低温での接合処理により、接合時のスルホン酸の化学変化(脱離、脱水反応)を抑制でき、発電評価で高い出力を得ることができる。今回、上記の化学構造を重合体中に提供することによって、伝導膜のガラス転移点を目的の領域内で制御できる。
イオン交換樹脂膜の製造
本発明では、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を、溶剤に溶解して溶液とした後、基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法などにより、フィルム状に成形することによりイオン交換樹脂膜を製造することができる。ここで、上記基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、たとえばプラスチック製、金属製などの基体が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。
Since the polyarylene polymer has a structural unit containing a specific condensed aromatic ring, it has hydrophobicity and has high methanol resistance. Therefore, sulfonic acid groups can be introduced at a high concentration. In the polyarylene polymer having a sulfonic acid group used in the present invention, the linking group forming the main chain skeleton contains at least one meta bond or ortho bond, and the sulfonic acid group By controlling the glass transition point of the polyarylene polymer having a group within the range of 60 ° C. to 190 ° C., the intended high performance membrane-electrode assembly for direct methanol fuel cell and fuel cell can be obtained. .
(About glass transition point)
The glass transition point of the polymer obtained by the above method is measured by a dynamic viscoelasticity measuring device in a film state). The glass transition point is preferably in the range of 60 ° C to 190 ° C, more preferably 80 ° C to 170 ° C. By controlling this temperature within the above range, the bonding temperature with the electrode can be reduced. Furthermore, the bonding treatment at a low temperature can suppress the chemical change (desorption, dehydration reaction) of the sulfonic acid at the time of bonding, and a high output can be obtained in the power generation evaluation. This time, by providing the above chemical structure in the polymer, the glass transition point of the conductive film can be controlled within the target region.
Production of Ion Exchange Resin Membrane In the present invention, the polyarylene polymer having a sulfonic acid group is dissolved in a solvent to form a solution, which is then cast on a substrate to form a film. An ion-exchange resin membrane can be produced by molding into a shape. Here, the substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in an ordinary solution casting method. For example, a substrate made of plastic, metal, or the like is used, and preferably a heat treatment such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate made of a plastic resin is used.

スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を溶解する溶媒としては、たとえば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノンなどの非プロトン系極性溶剤が挙げられ、特に溶解性、溶液粘度の面から、N−メチル−2−ピロリドン(以下「NMP」ともいう。)が好ましい。非プロトン系極性溶剤は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。   Examples of the solvent for dissolving the polyarylene polymer having a sulfonic acid group include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, and dimethylurea. And aprotic polar solvents such as dimethylimidazolidinone, and N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as “NMP”) is particularly preferable from the viewpoint of solubility and solution viscosity. The aprotic polar solvent can be used alone or in combination of two or more.

また、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体をキャストさせる溶媒として、良溶媒である上記非プロトン系極性溶剤と貧溶媒であるアルコールとの混合物も用いることができる。貧溶媒であるアルコールとしては、たとえば、メタノール、エタノール、プロ
ピルアルコール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコールなどが挙げられ、特にメタノールが幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があり好ましい。非プロトン系極性溶剤と組み合わせるアルコールは、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。
As a solvent for casting the polyarylene polymer having a sulfonic acid group, a mixture of the above aprotic polar solvent which is a good solvent and an alcohol which is a poor solvent can also be used. Examples of alcohols that are poor solvents include methanol, ethanol, propyl alcohol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, and the like. preferable. The alcohol combined with the aprotic polar solvent can be used alone or in combination of two or more.

上記溶媒として、非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いる場合には、非プロトン系極性溶剤が95〜25重量%、好ましくは90〜25重量%、アルコールが5〜75重量%、好ましくは10〜75重量%(但し、合計は100重量%)からなる。アルコールの量が上記範囲内にあると、溶液粘度を下げる効果に優れる。   When a mixture of an aprotic polar solvent and an alcohol is used as the solvent, the aprotic polar solvent is 95 to 25% by weight, preferably 90 to 25% by weight, and the alcohol is 5 to 75% by weight, preferably 10 to 75% by weight (however, the total is 100% by weight). When the amount of alcohol is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent.

スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を溶解させた溶液のポリマー濃度は、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体の分子量にもよるが、通常、5〜40重量%、好ましくは7〜25重量%である。5重量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい。一方、40重量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。   The polymer concentration of the solution in which the polyarylene polymer having a sulfonic acid group is dissolved depends on the molecular weight of the polyarylene polymer having a sulfonic acid group, but is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25%. % By weight. If it is less than 5% by weight, it is difficult to form a thick film, and pinholes are easily generated. On the other hand, if it exceeds 40% by weight, the solution viscosity is so high that it is difficult to form a film, and surface smoothness may be lacking.

なお、溶液粘度は、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体の分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000
〜50,000mPa・sである。2,000mPa・s未満では、成膜中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、100,000mPa・sを超えると
、粘度が高過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。
The solution viscosity is usually from 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000, although it depends on the molecular weight of the polyarylene polymer having a sulfonic acid group and the polymer concentration.
˜50,000 mPa · s. If it is less than 2,000 mPa · s, the retention of the solution during film formation is poor, and it may flow from the substrate. On the other hand, if it exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die and it may be difficult to form a film by the casting method.

上記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬すると、未乾燥フィルム中の有機溶剤を水と置換することができ、得られるイオン交換樹脂膜の残留溶媒量を低減することができる。   After film formation as described above, when the obtained undried film is immersed in water, the organic solvent in the undried film can be replaced with water, and the amount of residual solvent in the resulting ion exchange resin film is reduced. can do.

なお、成膜後、未乾燥フィルムを水に浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。   In addition, after film formation, before immersing an undried film in water, you may predry an undried film. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際は、枚葉を水に浸漬するバッチ方式であってもよく、通常得られる基板フィルム(たとえば、PET)上に成膜された状態の積層フィルムのまま、または基板から分離した膜を水に浸漬させて、巻き取っていく連続方法でもよい。   When immersing an undried film in water, it may be a batch method in which a single wafer is immersed in water, or a laminated film in a state where it is usually formed on a substrate film (for example, PET), or A continuous method may be used in which the film separated from the substrate is immersed in water and wound.

バッチ方式の場合は、処理フィルムを枠にはめるなどの方式が処理されたフィルムの表面の皺形成が抑制されるので好都合である。
未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、未乾燥フィルム1重量部に対し、水が10重量部以上、好ましくは30重量部以上の接触比となるようにすることがよい。得られるイオン交換樹脂膜の残存溶媒量をできるだけ少なくするためには、できるだけ大きな接触比を維持するのがよい。また、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られるイオン交換樹脂膜の残存溶媒量の低減に有効である。イオン交換樹脂膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることは効果がある。
In the case of the batch method, the formation of wrinkles on the surface of the film that has been treated by a method such as placing the treated film in a frame is advantageous.
When the undried film is immersed in water, the contact ratio of water is 10 parts by weight or more, preferably 30 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the undried film. In order to minimize the residual solvent amount of the obtained ion exchange resin membrane, it is preferable to maintain a contact ratio as large as possible. It is also effective to reduce the amount of residual solvent in the resulting ion-exchange resin membrane by changing the water used for immersion or allowing it to overflow so that the organic solvent concentration in the water is always kept below a certain level. It is. In order to suppress the in-plane distribution of the amount of organic solvent remaining in the ion exchange resin membrane, it is effective to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、好ましくは5〜80℃の範囲である。高温ほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られるイオン交換樹脂膜の表面状態が荒れる懸念がある。通常、置換速度と取り扱いやすさから10〜60℃の温度範囲が好都合である。   The temperature of water when the undried film is immersed in water is preferably in the range of 5 to 80 ° C. The higher the temperature, the faster the replacement rate between the organic solvent and water, but the greater the amount of water absorbed by the film, so there is a concern that the surface state of the ion exchange resin membrane obtained after drying will be rough. Usually, a temperature range of 10 to 60 ° C. is convenient because of the replacement speed and ease of handling.

浸漬時間は、初期の残存溶媒量や接触比、処理温度にもよるが、通常10分〜240時間の範囲である。好ましくは30分〜100時間の範囲である。
上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後乾燥すると、残存溶媒量が低減されたイオン交換樹脂膜が得られるが、このようにして得られるイオン交換樹脂膜の残存溶媒量は、通常5重量%以下である。
The immersion time is usually in the range of 10 minutes to 240 hours, although depending on the initial residual solvent amount, contact ratio, and treatment temperature. Preferably, it is in the range of 30 minutes to 100 hours.
When the undried film is immersed in water and dried as described above, an ion exchange resin membrane having a reduced amount of residual solvent is obtained. The residual solvent amount of the ion exchange resin membrane thus obtained is usually 5%. % By weight or less.

また、浸漬条件によっては、得られるイオン交換樹脂膜の残存溶媒量を1重量%以下とすることができる。このような条件としては、たとえば、未乾燥フィルムと水との接触比を、未乾燥フィルム1重量部に対し、水が50重量部以上、浸漬する際の水の温度を10〜60℃、浸漬時間を10分〜10時間とする方法がある。   Further, depending on the dipping conditions, the amount of residual solvent in the obtained ion exchange resin membrane can be 1% by weight or less. As such conditions, for example, the contact ratio between the undried film and water is 50 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the undried film. There is a method of setting the time to 10 minutes to 10 hours.

上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥し、次いで、50〜150℃で、好ましくは500mmHg〜0.1mmHgの減圧下、0.5〜24時間、真空乾燥することにより、イオン交換樹脂膜を得ることができる。   After immersing the undried film in water as described above, the film is dried at 30-100 ° C, preferably 50-80 ° C, for 10-180 minutes, preferably 15-60 minutes, and then at 50-150 ° C. The ion exchange resin membrane can be obtained by vacuum drying under reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg for 0.5 to 24 hours.

本発明で使用されるイオン交換樹脂膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好
ましくは20〜80μmである。
また、本発明においては、上記スルホン酸エステル化されたポリアリーレン系重合体を加水分解することなく、上述したような方法でフィルム状に成形した後、上記と同様の方法で加水分解することによりスルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体からなるイオン交換樹脂膜を製造することもできる。
The ion exchange resin membrane used in the present invention has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.
Further, in the present invention, the above sulfonated polyarylene polymer is formed into a film by the above-described method without hydrolysis, and then hydrolyzed by the same method as described above. An ion exchange resin membrane made of a polyarylene polymer having a sulfonic acid group can also be produced.

前記イオン交換樹脂膜は、老化防止剤、好ましくは分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物を含有してもよく、老化防止剤を含有することでイオン交換樹脂膜としての耐久性をより向上させることができる。   The ion exchange resin membrane may contain an anti-aging agent, preferably a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more, and by containing an anti-aging agent, the durability as an ion exchange resin membrane is further improved. Can do.

本発明で使用することのできる分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物としては、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロ
キシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 245)、1,6−ヘキサンジオール−ビ
ス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 259)、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−
t−ブチルアニリノ)−3,5−トリアジン(商品名:IRGANOX 565)、ペンタエリスリチル
−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート
](商品名:IRGANOX 1010)、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチ
ル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1035)、オクタデシル
−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(商品名:IRGANOX 1076)、N,N−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチルー4−ヒドロキシ−ヒ
ドロシンナマミド)(IRGAONOX 1098)、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4―ヒドロキシベンジル)ベンゼン(商品名:IRGANOX 1330)、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレイト(商品名:IRGANOX 3114)、3,9−ビス[2−〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェ
ニル)プロピオニルオキシ〕−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサ
スピロ[5.5]ウンデカン(商品名:Sumilizer GA-80)などを挙げることができる。
As a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more that can be used in the present invention, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 245) 1,6-hexanediol-bis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 259), 2,4-bis- (n- Octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-
t-Butylanilino) -3,5-triazine (trade name: IRGANOX 565), pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1010 ) 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1035), octadecyl-3- (3,5-di-) (t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate) (trade name: IRGANOX 1076), N, N-hexamethylenebis (3,5-di-t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide) (IRGAONOX 1098), 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene (trade name: IRGANOX 1330), tris- (3,5-di-t -Butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate (quotient Name: IRGANOX 3114), 3,9-bis [2- [3- (3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8 , 10-tetraoxaspiro [5.5] undecane (trade name: Sumilizer GA-80).

本発明において、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体100重量部に対して分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物は0.01〜10重量部の量で使用することが好ましい。   In the present invention, the hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more is preferably used in an amount of 0.01 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyarylene polymer having a sulfonic acid group.

[膜-電極接合体]
本発明の膜-電極接合体は、前記した芳香族系イオン交換樹脂膜と、少なくとも触媒担
持カーボン及びイオン交換樹脂電解質とを含む触媒層とガス拡散層を備えてなる。
〔触媒層〕
膜−電極接合体を構成する触媒層は、少なくとも触媒を担持したカーボンとイオン交換樹脂電解質とを含有する。
(1)触媒を担持したカーボン
本発明で用いられる触媒としては、必須成分として白金を含む。また白金以外に、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属を含んでいてよい。また、貴金属触媒は、合金や混合物などのように、2種以上の元素が含まれるものであってもよい。
[Membrane-electrode assembly]
The membrane-electrode assembly of the present invention comprises the above-described aromatic ion exchange resin membrane, a catalyst layer containing at least catalyst-supporting carbon and an ion exchange resin electrolyte, and a gas diffusion layer.
(Catalyst layer)
The catalyst layer constituting the membrane-electrode assembly contains at least carbon carrying a catalyst and an ion exchange resin electrolyte.
(1) Carbon carrying a catalyst The catalyst used in the present invention contains platinum as an essential component. Further, in addition to platinum, noble metals such as palladium, gold, ruthenium and iridium may be included. Further, the noble metal catalyst may be one containing two or more elements such as an alloy or a mixture.

上記触媒を担持するカーボンとしては、電子伝導性と比表面積の大きさの観点から、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましい。   The carbon supporting the catalyst is preferably carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black from the viewpoint of electron conductivity and specific surface area.

上記オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製「バルカンXC−72」、「バルカンP」、「ブラックパールズ880」、「ブラックパールズ1100」、「ブラックパールズ1300」、「ブラックパールズ2000」、「リーガル400」、ライオン社製「ケッチェンブラックEC」、三菱化学社製「#3150、#3250」などが挙げられる。また、上記アセチレンブラックとしては、電気化学工業社製「デンカブラック」などが挙げられる。   Examples of the oil furnace black include “Vulcan XC-72”, “Vulcan P”, “Black Pearls 880”, “Black Pearls 1100”, “Black Pearls 1300”, “Black Pearls 2000”, and “Regal 400” manufactured by Cabot Corporation. “Ketjen Black EC” manufactured by Lion Corporation, “# 3150, # 3250” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and the like. Examples of the acetylene black include “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo.

また、上記カーボンとして、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などを用いてもよい。   Further, as the carbon, artificial graphite or carbon obtained from an organic compound such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, or the like may be used.

上記炭素材の形態としては、粒子状のほか繊維状も用いることができる。
上記カーボンに担持される触媒の量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、触媒担持カーボン中の触媒含有率がで60〜100重量%で
あることが望ましく、80〜95重量%であると更に好適である。上記範囲より触媒含有率が大きい場合は、有効に使われない触媒が増えるため、効率の悪い電極になる。また上記より小さい触媒含有率の場合は十分な触媒量のできないため電池の性能が低くなる。これらのカーボンの形態としては、粒子状のほか、繊維状も用いることができる。また、カーボンに担持される触媒の量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、カソード側の触媒層の触媒担持率は、50〜90重量%が好ましく、60〜90重量%がさらに好ましく、65〜90重量%が特に好ましい。また、アノード側の触媒層の触媒担持率は、50〜90重量%が好ましく、70〜90重量%がさらに好ましく、75〜90重量%が特に好ましい。
As the form of the carbon material, not only particles but also fibers can be used.
The amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as the catalyst activity can be effectively exhibited, but the catalyst content in the catalyst-supported carbon is 60 to 100% by weight. Is preferable, and it is more preferable that it is 80 to 95 weight%. When the catalyst content is larger than the above range, the number of catalysts that are not used effectively increases, resulting in an inefficient electrode. Further, when the catalyst content is smaller than the above, a sufficient amount of catalyst cannot be obtained, so that the battery performance is lowered. As the form of these carbons, in addition to particles, fibers can also be used. Further, the amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as the amount of the catalyst can be effectively exhibited. Preferably, 60 to 90% by weight is more preferable, and 65 to 90% by weight is particularly preferable. Further, the catalyst loading of the catalyst layer on the anode side is preferably 50 to 90% by weight, more preferably 70 to 90% by weight, and particularly preferably 75 to 90% by weight.

ここで、触媒担持率とは、下式で定義される。
触媒担持率=触媒層に担持された触媒重量÷(触媒層に担持された触媒重量+カーボンに担持された触媒重量)
(2)イオン交換樹脂電解質
イオン交換樹脂電解質は、前記触媒を担持したカーボンを結着させるバインダー成分として働くとともに、燃料極では触媒上の反応によって発生したイオンをイオン伝導膜へ効率的に供給し、また、空気極ではイオン伝導膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給する。
Here, the catalyst loading rate is defined by the following equation.
Catalyst loading rate = catalyst weight supported on the catalyst layer ÷ (catalyst weight supported on the catalyst layer + catalyst weight supported on carbon)
(2) Ion exchange resin electrolyte The ion exchange resin electrolyte functions as a binder component for binding the carbon carrying the catalyst, and efficiently supplies ions generated by the reaction on the catalyst to the ion conductive membrane at the fuel electrode. In addition, the air electrode efficiently supplies ions supplied from the ion conductive membrane to the catalyst.

本発明で用いられる触媒層のイオン交換樹脂としては、触媒層内のプロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーが好ましい。このようなポリマーに含ま
れるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などがあるが特に限定されるものではない。また、このようなプロトン交換基を有するポリマーも、特に限定されることなく選ばれるが、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマーや、スルホン化ポリアリーレンなどが好ましく用いられる。また、プロトン交換基を有する上述のフッ素原子を含むポリマーや、エチレンやスチレンなどから得られる他のポリマー、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。
The ion exchange resin for the catalyst layer used in the present invention is preferably a polymer having a proton exchange group in order to improve proton conductivity in the catalyst layer. Proton exchange groups contained in such polymers include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups, but are not particularly limited. A polymer having such a proton exchange group is also selected without any particular limitation, and a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, or a sulfonated polyarylene. Etc. are preferably used. Further, it may be a polymer containing the above-described fluorine atom having a proton exchange group, another polymer obtained from ethylene or styrene, a copolymer or a blend thereof.

このようなイオン交換樹脂電解質は、公知のものを特に制限なく使用可能であり、たとえばNafion(du Pont社、登録商標)、特開2007-26820公報に開示されたものを特に制限
なく使用できる。また、前記した芳香族イオン交換樹脂膜で使用したイオン交換樹脂を使用してもよい。
触媒層組成
本発明において、触媒粒子の使用割合は、重量比で1重量%〜20重量%、好ましくは3重量%〜10重量%であり、イオン交換樹脂の使用割合は、重量比で1重量%〜30重量%、好ましくは1重量%〜15重量%であり、必要に応じて用いられるイオン交換基を有しない樹脂の使用割合は、重量比で1重量%〜95重量%、好ましくは30重量%〜80重量%であり、必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0重量%〜10重量%、好ましくは0重量%〜2重量%であり、必要に応じて用いられる炭素繊維の使用割合は、重量比で0重量%〜20重量%、好ましくは1重量%〜10重量%である。
As such an ion exchange resin electrolyte, a known one can be used without particular limitation, and for example, those disclosed in Nafion (Du Pont, registered trademark), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-26820 can be used without any particular limitation. Moreover, you may use the ion exchange resin used with the above-mentioned aromatic ion exchange resin membrane.
Catalyst layer composition In the present invention, the use ratio of the catalyst particles is 1 to 20% by weight, preferably 3 to 10% by weight, and the use ratio of the ion exchange resin is 1% by weight. % To 30% by weight, preferably 1% to 15% by weight, and the proportion of the resin having no ion exchange group used as necessary is 1% to 95% by weight, preferably 30%. The use ratio of the dispersant used as necessary is 0% by weight to 10% by weight, preferably 0% by weight to 2% by weight, and is used as necessary. The carbon fiber used is used in a weight ratio of 0% to 20% by weight, preferably 1% to 10% by weight.

基材上に形成される触媒層は、カソード側であれば、触媒層に含まれる白金触媒量(触媒層における白金触媒の塗布量ともいう。)が、0.7mg/cm2〜6.0mg/cm2であることが好ましく、さらに好ましくは1.0mg/cm2〜4.0mg/cm2であり、かつ触媒層の厚みが5μm〜100μmであることが好ましく、さらに好ましくは20μm〜80μmであり、特に好ましくは30μm〜80μmである。アノード側であれば、触媒層に含まれる白金触媒量が、0.7mg/cm2〜8.0mg/cm2であることが好ましく、さらに好ましくは1.0mg/cm2〜5.0mg/cm2であり、かつ触媒層の厚みが5μm〜150μmであることが好ましく、さらに好ましく20μm〜100μmであり、特に好ましくは30μm〜80μmである。 If the catalyst layer formed on the substrate is on the cathode side, the amount of platinum catalyst contained in the catalyst layer (also referred to as the amount of platinum catalyst applied in the catalyst layer) is 0.7 mg / cm 2 to 6.0 mg. is preferably / cm 2, more preferably from 1.0mg / cm 2 ~4.0mg / cm 2 , and preferably the thickness of the catalyst layer is 5 m to 100 m, more preferably at 20μm~80μm And particularly preferably 30 μm to 80 μm. If the anode, a platinum catalyst content in the catalyst layer is preferably from 0.7mg / cm 2 ~8.0mg / cm 2 , more preferably 1.0mg / cm 2 ~5.0mg / cm 2 and the thickness of the catalyst layer is preferably 5 μm to 150 μm, more preferably 20 μm to 100 μm, and particularly preferably 30 μm to 80 μm.

触媒層に含まれる白金触媒量が上記範囲未満であると、カソード側、アノード側共に燃料であるメタノールのプロトン化反応量が少なくなり発電性能が低下する。触媒層に含まれる白金触媒量が上記範囲以上であると、反応に使用されない白金触媒が多くなりすが、アノード側であれば、燃料であるメタノール水溶液の透過性、アノード触媒で生成された二酸化炭素の排出性が低下し、カソード側であれば、空気(酸素)の透過性、排水性が低下し、発電性能が低下することがある。   If the amount of platinum catalyst contained in the catalyst layer is less than the above range, the protonation reaction amount of methanol, which is a fuel, on both the cathode side and the anode side is reduced, and the power generation performance is lowered. If the amount of platinum catalyst contained in the catalyst layer is more than the above range, the amount of platinum catalyst that is not used in the reaction increases. On the anode side, the permeability of the methanol aqueous solution as the fuel, and the dioxide produced by the anode catalyst are increased. If the cathode is on the cathode side, the carbon permeability is lowered, and the air (oxygen) permeability and drainage properties are lowered, and the power generation performance may be lowered.

このような触媒層は、以下に示す触媒ペーストを使用して作製することができる。
触媒ペースト
イオン交換樹脂および触媒担持カーボンとしては、上記したものである。
Such a catalyst layer can be produced using the catalyst paste shown below.
The catalyst paste ion exchange resin and the catalyst-supporting carbon are those described above.

通常ペーストを作製するときには、必要に応じて以下の成分が使用される。
(3) 分散剤
本発明で用いられる触媒ペースト組成物には、必要に応じてさらに分散剤を添加してもよい。このような分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。
When producing a normal paste, the following components are used as necessary.
(3) Dispersant A dispersant may be further added to the catalyst paste composition used in the present invention, if necessary. Examples of such a dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.

上記アニオン界面活性剤としては、たとえば、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン
塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成燐酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛などが挙げられる。
Examples of the anionic surfactant include oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, special modified polyether Amine salt of ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine salt of high molecular weight polyether ester acid, amine salt of special modified phosphoric ester, high molecular weight polyester acid amide amine salt, special fatty acid derivative Amidoamine salts, alkylamine salts of higher fatty acids, amidoamine salts of high molecular weight polycarboxylic acids, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate sodium lauryl sulfate, sodium cetyl Sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate sodium salt, lauryl ether sulfate, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, higher alcohol phosphate monoester disodium Salt, higher alcohol phosphoric acid diester disodium salt, zinc dialkyldithiophosphate and the like.

上記カチオン界面活性剤としては、たとえば、ベンジルジメチル{2−[2−(P−1
,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロ
ライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル−2−牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニル−ヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物などが挙げられる。
Examples of the cationic surfactant include benzyldimethyl {2- [2- (P-1
, 1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride Hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-Heptadecenyl-hydroxyethyl Imidazoline, stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkylamine ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, par And fluoroalkyl quaternary ammonium iodide.

上記両性界面活性剤としては、たとえば、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω−フルオロアクカノイルーN−エ
チルアミノ]−1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]−N,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベ
タインなどが挙げられる。
Examples of the amphoteric surfactant include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3 -[Ω-fluoroaccanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonic acid sodium, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine, etc. Can be mentioned.

上記非イオン界面活性剤としては、たとえば、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステルなどが挙げられる。   Examples of the nonionic surfactant include coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), and bovine fatty acid diethanolamide (1). : 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol palm amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol di Oleylamine, dimethyllaurylamine oxide, dimethylstearylamine oxide, dihydroxyethyllaurylamine oxide, perfluoroalkylamine oxide, poly Vinylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid ester of pentaerythritol, fatty acid ester of sorbit, fatty acid ester of sorbitan And fatty acid esters of sugar.

上記分散剤は、1種単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中では、好ましくは塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性もしく
はカチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは分子量5千〜3万の界面活性剤である。電極用ペースト組成物に上記分散剤を添加すると、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。
(4) 炭素繊維
本発明で用いられる電極ペースト組成物には、必要に応じてさらに炭素繊維を添加してもよい。このような炭素繊維しては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバー系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維などを用いることができ、これらの中では気相成長炭素繊維が好ましい。
The said dispersing agent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. Among these, a surfactant having a basic group is preferable, an anionic or cationic surfactant is more preferable, and a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000 is more preferable. When the above dispersant is added to the electrode paste composition, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.
(4) Carbon fiber Carbon fiber may be further added to the electrode paste composition used in the present invention as necessary. As such carbon fibers, rayon-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, lignin pover-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, and the like can be used. Among these, vapor-grown carbon fibers Is preferred.

触媒ペースト組成物にこのような炭素繊維をさらに添加すると、触媒層中の細孔容積が増加するため、燃料ガスや酸素ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディングなどを改善でき、発電性能が向上する。
(5) 水
本発明で用いられる触媒ペースト組成物には、必要に応じてさらに水を添加してもよい。水を添加することにより、触媒ペースト組成物を調製する際の発熱を低減する効果がある。
(6) イオン交換基を有しない樹脂
本発明で用いられる電極ペースト組成物には、必要に応じてさらにイオン交換基を有しない樹脂を用いてもよい。前記有機溶媒に溶解、もしくは分散するものであれば特に限定されないが、撥水性の高い樹脂であることが好ましい。例えば含フッ素共重合体、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼンなどを挙げることができるが、好ましくは含フッ素共重合体である。
When such carbon fibers are further added to the catalyst paste composition, the pore volume in the catalyst layer is increased, so that the diffusibility of fuel gas and oxygen gas is improved, and flooding due to generated water can be improved. , Power generation performance is improved.
(5) Water If necessary, water may be further added to the catalyst paste composition used in the present invention. By adding water, there is an effect of reducing heat generation when preparing the catalyst paste composition.
(6) Resin not having ion exchange group In the electrode paste composition used in the present invention, a resin having no ion exchange group may be used as necessary. Although it will not specifically limit if it melt | dissolves or disperse | distributes in the said organic solvent, It is preferable that it is resin with high water repellency. For example, a fluorine-containing copolymer, a silane coupling agent, a silicone resin, a wax, polyphosphazene and the like can be mentioned, and a fluorine-containing copolymer is preferable.

含フッ素共重合体としては、前記有機溶媒に溶解、あるいは分散しするものであれば特に限定されないが、例えばフッ化ビニリデン系の共重合体、分子内に脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボン重合体、含フッ素オレフィオンと炭化水素系オレフィンとの共重合体、含フッ素アクリレートとアクリレートまたは/およびメタクリレートとの共重合体などを挙げることができる。これらのイオン交換基を有しない樹脂を用いることで、触媒層中の湿潤状態を適切に維持できるため好ましい。
(7) 有機溶媒
本発明で用いられる溶媒としては、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル1−プロパノール、シクロヘキサノ
ール、1−ヘキサノール、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、ジオキサン、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、アニソール、フェネトール、アセタール、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタノン、γーブチロラクト
ン、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec-ブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、
N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセト
アミド、N−メチル−2−ピロリドン、テトラメチル尿素、トルエン、キシレン、ヘプタン、オクタンなど炭化水素系有機溶媒、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロールなどの多価アルコール系有機溶媒などを挙げることができ、これらは1種類以上を組み合わせて用いることもできる。好ましくは、沸点が75〜250℃、かつ-O-、-OH、-CO-、-SO-、-SO2-、-COO-、-CONR-(Rは、水素原子、炭化水素基)からなる基を少なくとも1種類以上有する有機溶剤を含有することである。これらの範囲内であると、触媒ペーストの流動性、および塗工性が優れる。
触媒ペースト組成
ペースト中の、触媒担持カーボンの使用割合は、重量比で1重量%〜20重量%、好ましくは3重量%〜10重量%であり、電解質の使用割合は、重量比で1重量%〜30重量%、好ましくは1重量%〜15重量%であり、沸点が100℃〜200℃の有機溶剤の使用割合は、重量比で1重量%〜90重量%、好ましくは1重量%〜50重量%であり、沸点が100℃未満の水溶性有機溶剤の使用割合は、重量比で1重量%〜95重量%、好ましくは30重量%〜80重量%であり、必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0重量%〜10重量%、好ましくは0重量%〜2重量%であり、必要に応じて用いられる炭素繊維の使用割合は、重量比で0重量%〜20重量%、好ましくは1重量%〜10重量%であり、必要に応じて用いられる水の使用割合は重量比で0重量%〜70重量%、好ましくは、5重量%〜30重量%である。
The fluorine-containing copolymer is not particularly limited as long as it is dissolved or dispersed in the organic solvent. For example, a vinylidene fluoride copolymer or a perfluorocarbon polymer having an aliphatic ring structure in the molecule is used. And a copolymer of a fluorine-containing olefin and a hydrocarbon-based olefin, and a copolymer of a fluorine-containing acrylate and an acrylate or / and methacrylate. Use of these resins having no ion exchange group is preferable because the wet state in the catalyst layer can be appropriately maintained.
(7) Organic solvent As the solvent used in the present invention, ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol, n-butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2 -Dimethyl 1-propanol, cyclohexanol, 1-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1- Methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3-methylcyclohexanol, 4-methylcyclohexanol 1-octanol, 2-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, dioxane, butyl ether, phenyl ether, isopentyl ether, 1,2-dimethoxyethane, diethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis ( 2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzyl ethyl ether, anisole, phenetole, acetal, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone, γ-butyrolactone, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, Ethyl acetate, methyl lactate, ethyl lactate, butyl lactate, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2- Propanol, dimethyl sulfoxide, N-methylformamide,
N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, tetramethylurea, toluene, xylene, heptane, octane and other hydrocarbon organic solvents, ethylene glycol, Examples thereof include polyhydric alcohol organic solvents such as propylene glycol and glycerol. These may be used in combination of one or more. Preferably, the boiling point is 75 to 250 ° C., and from —O—, —OH, —CO—, —SO—, —SO 2 —, —COO—, —CONR— (where R is a hydrogen atom or a hydrocarbon group). And an organic solvent having at least one group. Within these ranges, the fluidity and coating properties of the catalyst paste are excellent.
In the catalyst paste composition paste, the catalyst-supporting carbon is used in a weight ratio of 1% by weight to 20% by weight, preferably 3% by weight to 10% by weight, and the electrolyte is used in a weight ratio of 1% by weight. -30% by weight, preferably 1% by weight to 15% by weight, and the proportion of the organic solvent having a boiling point of 100 ° C to 200 ° C is 1% by weight to 90% by weight, preferably 1% by weight to 50%. The use ratio of the water-soluble organic solvent having a boiling point of less than 100 ° C. is 1% by weight to 95% by weight, preferably 30% by weight to 80% by weight. The use ratio of the agent is 0% by weight to 10% by weight, preferably 0% by weight to 2% by weight, and the required use ratio of the carbon fiber is 0% by weight to 20% by weight. % By weight, preferably 1% to 10% by weight , Proportion of water used, if necessary 0 wt% to 70 wt% by weight, preferably, 5 wt% to 30 wt%.

水素還元触媒が担持されたカーボンブラックの使用割合が、上記範囲未満であると、電極反応率が低下する。また、上記範囲より大きいと、電極ペーストの粘度が増加し、塗工時に塗りむらが発生する。   When the ratio of the carbon black on which the hydrogen reduction catalyst is supported is less than the above range, the electrode reaction rate decreases. On the other hand, if it is larger than the above range, the viscosity of the electrode paste increases and uneven coating occurs during coating.

電解質の使用割合が、上記範囲未満であると、プロトン伝導度が低下する。さらに、バインダーとしての役割を果たせなくなり、電極を形成できない。また、上記範囲より大きいと、電極中の細孔容積が減少する。   When the use ratio of the electrolyte is less than the above range, the proton conductivity decreases. Furthermore, it cannot play the role of a binder, and an electrode cannot be formed. Moreover, when larger than the said range, the pore volume in an electrode will reduce.

沸点が100℃〜200℃の有機溶剤の使用割合が、上記範囲内にあると電極中の細孔容積が増加する。
沸点が100℃未満の水溶性有機溶剤の使用割合が、上記範囲内にあると電極形成時の塗工性に優れる。分散剤の使用割合が、上記範囲内にあると保存安定性に優れた電極ペーストが得られる。
When the proportion of the organic solvent having a boiling point of 100 ° C. to 200 ° C. is within the above range, the pore volume in the electrode increases.
When the use ratio of the water-soluble organic solvent having a boiling point of less than 100 ° C. is within the above range, the coating property during electrode formation is excellent. When the use ratio of the dispersant is within the above range, an electrode paste having excellent storage stability can be obtained.

炭素繊維の使用割合が、上記範囲未満であると、電極中の細孔容積の増加効果が低い。また、上記範囲より大きいと、電極反応率が低下する。水の使用割合が、上記範囲内にあると電極ペースト作製時の発熱および発火の危険性を低減できる。
触媒ペースト組成物の調製
触媒ペースト組成物は、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。各成分の混合順序は特に限定されないが、たとえば、全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、有機溶媒の量を調整して、組成物の粘度を調整してもよい。
触媒層の形成
本発明に係る膜−電極接合体の触媒層は、上記電極ペースト組成物をイオン交換樹脂膜上に直接塗布し、乾燥することにより形成する方法、または上記電極ペースト組成物を多孔性基材あるいは微多孔層が形成された多孔性基材の微多孔層面上に塗布し、乾燥することにより形成することができる。
When the use ratio of the carbon fiber is less than the above range, the effect of increasing the pore volume in the electrode is low. Moreover, when larger than the said range, an electrode reaction rate will fall. If the ratio of water used is within the above range, the risk of heat generation and ignition during electrode paste preparation can be reduced.
Preparation of catalyst paste composition The catalyst paste composition can be prepared , for example, by mixing the above-mentioned components at a predetermined ratio and kneading by a conventionally known method. The order of mixing the components is not particularly limited. For example, all the components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then the dispersant is added as necessary. It is preferable to add and to stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of an organic solvent as needed, and may adjust the viscosity of a composition.
Formation of Catalyst Layer The catalyst layer of the membrane-electrode assembly according to the present invention is formed by directly applying the electrode paste composition onto an ion exchange resin film and drying it, or by forming the electrode paste composition into a porous layer. It can form by apply | coating on the microporous layer surface of the porous base material in which the porous base material or the microporous layer was formed, and drying.

電極ペースト組成物の塗布方法、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコータ
ー塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などが挙げられる。
基材上に形成された塗膜の溶媒の除去は、温度30℃〜200℃、好ましくは40℃〜180℃、時間1分〜250分、好ましくは5分〜120分、乾燥して行うことができる。
Examples of the electrode paste composition coating method include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.
Removal of the solvent of the coating film formed on the substrate is performed by drying at a temperature of 30 ° C. to 200 ° C., preferably 40 ° C. to 180 ° C., for a time of 1 minute to 250 minutes, preferably 5 minutes to 120 minutes. Can do.

[ガス拡散層]
ガス拡散層は、多孔性基材から構成される。芳香族系イオン交換樹脂膜の少なくとも片側のガス拡散層は、該多孔性基材と前記触媒層との間に撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備えることが好ましい。特に、撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備えることが好ましい。より好ましくは、芳香族系イオン交換樹脂膜の少なくとも片側のガス拡散層が撥水剤コート多孔性基材を備え、かつ多孔性基材と触媒層の間に撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備えることである。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer is composed of a porous substrate. The gas diffusion layer on at least one side of the aromatic ion exchange resin membrane preferably includes a microporous layer made of a water repellent and carbon powder between the porous substrate and the catalyst layer. In particular, it is preferable to provide a microporous layer made of a water repellent and carbon powder. More preferably, the gas diffusion layer on at least one side of the aromatic ion exchange resin membrane is provided with a water repellent-coated porous substrate, and a fine particle comprising a water repellent and carbon powder between the porous substrate and the catalyst layer. Providing a porous layer.

さらに好ましくは、前記膜-電極接合体で、芳香族系イオン交換樹脂膜のカソード側の
ガス拡散層が撥水剤コート多孔性基材を備え、かつ多孔性基材と触媒層の間に撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備えることである。
More preferably, in the membrane-electrode assembly, the gas diffusion layer on the cathode side of the aromatic ion exchange resin membrane comprises a water repellent-coated porous substrate, and the repellent property between the porous substrate and the catalyst layer. And providing a microporous layer comprising a liquid medicine and carbon powder.

ガス拡散層が多孔性基材と触媒層の間に撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備えると、触媒層とガス拡散層の接触面積が向上し、界面抵抗の低下するため好ましく、さらに、触媒層とガス拡散層をプレスにより接合する場合には、平滑性に優れる微多孔層の導入により、触媒層の破損などが抑制され、ガス拡散層上に触媒ペーストを塗布して触媒層を形成させる場合には、触媒ペーストの多孔性基材への染み込みによる触媒層の触媒利用率の低下を抑制することができるため好ましい。また、カソード側の触媒層には、発電性能向上のため、排水性とプロトン伝導に必要な保水性のバランスを良好にすることが重要であり、カソードガス拡散層に微多孔層を備えることでこの排水性と保水性のバランスを調整できるため、カソードガス拡散層に微多孔層を形成することは特に好ましい。   When the gas diffusion layer is provided with a microporous layer made of a water repellent and carbon powder between the porous substrate and the catalyst layer, the contact area of the catalyst layer and the gas diffusion layer is improved, and the interface resistance is preferably reduced. Furthermore, when the catalyst layer and the gas diffusion layer are joined by pressing, the introduction of a microporous layer having excellent smoothness suppresses damage to the catalyst layer, and the catalyst layer is coated with a catalyst paste on the gas diffusion layer. Is preferable because it can suppress a decrease in the catalyst utilization rate of the catalyst layer due to the penetration of the catalyst paste into the porous substrate. In addition, in order to improve power generation performance, it is important for the catalyst layer on the cathode side to have a good balance between drainage and water retention necessary for proton conduction. By providing a microporous layer in the cathode gas diffusion layer, It is particularly preferable to form a microporous layer in the cathode gas diffusion layer because the balance between drainage and water retention can be adjusted.

ガス拡散層が撥水剤コート多孔性基材を備えると、アノード側であれば、燃料であるメタノール水溶液の透過性が向上し、カソード側であれば、排水性が向上し、発電性能が向上する傾向にあるため好ましい。   When the gas diffusion layer is provided with a water repellent-coated porous base material, the permeability of the methanol aqueous solution as fuel is improved on the anode side, and the drainage is improved and power generation performance is improved on the cathode side. This is preferable.

また、本発明に係わる膜-電極接合体においては、アノード側のガス拡散層の透湿度が
800g/m2/h 〜3000g/m2/hであることが好ましく、より好ましくは、1000g/m2/h 〜 3000g/m2/hである。カソード側のガス拡散層の透湿度が500g/m2/h 〜 25
00g/m2/hであることが好ましく、より好ましくは、800g/m2/h 〜 2500g/m2/hである。透湿度は、図1の装置、材料、及び形態の酢酸カリウム法により、23℃の環境下
で測定したときの値である。
Further, the film according to the present invention - In the electrode assembly, it is preferable that the moisture permeability of the anode side gas diffusion layer is 800g / m 2 / h ~3000g / m 2 / h, more preferably, 1000 g / m 2 / h to 3000 g / m 2 / h. Moisture permeability of the gas diffusion layer on the cathode side is 500 g / m 2 / h to 25
Is preferably 00g / m 2 / h, more preferably from 800g / m 2 / h ~ 2500g / m 2 / h. The moisture permeability is a value when measured in an environment of 23 ° C. by the potassium acetate method of the apparatus, material, and form of FIG.

上記ガス拡散層の透湿度は、多孔性基材の細孔径と多孔度、多孔性基材への撥水剤コート量、微多孔層の組成、塗布量により調整することができる。
アノード側の透湿度が上記範囲未満であると、燃料であるメタノール水溶液の供給、及びアノード触媒層で発生する二酸化炭素の排出が十分に行われないため、発電性能が低下する。一方、上記範囲を超えると、燃料であるメタノール水溶液の供給が過剰となり、メタノール水溶液が反応しきれず、カソード触媒層までメタノール水溶液が到達する現象であるメタノールクロスオーバー量が増加し、発電性能が低下することがある。
The moisture permeability of the gas diffusion layer can be adjusted by the pore diameter and porosity of the porous substrate, the amount of water repellent coating on the porous substrate, the composition of the microporous layer, and the coating amount.
If the moisture permeability on the anode side is less than the above range, the supply of methanol aqueous solution as fuel and the discharge of carbon dioxide generated in the anode catalyst layer are not sufficiently performed, so that the power generation performance is lowered. On the other hand, if the above range is exceeded, the supply of methanol aqueous solution as fuel will be excessive, the methanol aqueous solution will not be able to react, the amount of methanol crossover that will reach the cathode catalyst layer will increase, and the power generation performance will be reduced There are things to do.

カソード側の透湿度が上記範囲未満であると、空気(酸素)の供給、および水の排出が十分に行われないため、発電性能が低下する。一方、上記範囲を超えると、カソード触媒層に水分が十分に保持できなくなり、プロトン伝導性が低下して発電性能が低下することがある。   If the moisture permeability on the cathode side is less than the above range, the supply of air (oxygen) and the discharge of water are not performed sufficiently, and the power generation performance is reduced. On the other hand, if the above range is exceeded, moisture may not be sufficiently retained in the cathode catalyst layer, proton conductivity may be reduced, and power generation performance may be reduced.

以下に、ガス拡散層の構成部材である多孔性基材、及び微多孔層について、詳細に説明する。
多孔性基材
(1) 多孔性基材
本発明で用いられる多孔性基材としては、燃料電池に一般に用いられる多孔性基材、たとえば、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどを、特に限定されることなく用いることができる。
Below, the porous base material which is a structural member of a gas diffusion layer, and a microporous layer are demonstrated in detail.
Porous substrate
(1) Porous base material As the porous base material used in the present invention, a porous base material generally used in fuel cells, for example, a porous conductive sheet mainly composed of a conductive substance, is particularly limited. It can be used without being done.

上記導電性物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛および膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが挙げられる。上記導電性物質の形態は、繊維状または粒子状など特に限定されないが、好ましくは繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)、特に好ましくは炭素繊維である。   Examples of the conductive substance include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, carbon materials such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum, and titanium. Although the form of the said conductive substance is not specifically limited, such as fibrous form or particle form, Preferably it is a fibrous conductive inorganic substance (inorganic conductive fiber), Most preferably, it is a carbon fiber.

無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートとしては、織布または不織布いずれの構造も使用可能である。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など特に限定されることなく用いることができる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法などの方法で製造されたものが、特に限定されることなく用いることができる。また、無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートは編物であってもよい。   As a porous conductive sheet using inorganic conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. As the woven fabric, plain weaving, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving and the like can be used without any particular limitation. Moreover, as a nonwoven fabric, what was manufactured by methods, such as a papermaking method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, a melt blow method, can be used without being specifically limited. The porous conductive sheet using inorganic conductive fibers may be a knitted fabric.

このような布帛として特に炭素繊維を用いる場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化または黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工をした後に炭化または黒鉛化した不織布、耐炎化糸、炭化糸または黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましい。たとえば、東レ製カーボンペーパー「TGPシリーズ」、「SOシリーズ」、E-TEK社製カーボンクロス、SGL社製カーボンペーパー及びカーボンフェルトなどが好ましく用いられる。
(2) 撥水剤コート多孔性基材
本発明で用いられる撥水剤コート多孔性基材は、前記撥水剤を水中に分散させたディスパージョン、または有機溶媒に溶解させた撥水剤溶解液を用いて、後述の方法で撥水剤コートして撥水剤以外の成分(溶媒、分散剤など)を乾燥、加熱分解することで作製することができる。撥水剤コート法としては、組成物の粘性によってディップコーティング法、スクリーンプリンティング法、スプレーコーティング法またはドクターブレードを利用したコーティング法、グラビアコーティング法、シルクスクリーン法、ペインティング法などが用いられるが、これに限られるものではない。この中で、ディップコーティング法が好ましい。ディップコーティング法の場合、撥水剤コート量は、ディスパージョン、または撥水剤溶解液の濃度により調整することができる。
In particular, when carbon fiber is used as such a fabric, a plain fabric using flame-resistant spun yarn is carbonized or graphitized, and the flame-resistant yarn is carbonized after being processed into a nonwoven fabric by a needle punch method or a water jet punch method. Or a graphitized nonwoven fabric, a flame-resistant yarn, a mat nonwoven fabric by a paper making method using carbonized yarn or graphitized yarn, and the like are preferable. For example, Toray carbon papers “TGP series” and “SO series”, carbon cloth made by E-TEK, carbon paper made by SGL, and carbon felt are preferably used.
(2) Water repellent coated porous substrate The water repellent coated porous substrate used in the present invention is a dispersion in which the water repellent is dispersed in water or a water repellent dissolved in an organic solvent. Using a liquid, it can be produced by coating a water repellent with a method described later and drying and thermally decomposing components other than the water repellent (such as a solvent and a dispersant). As the water repellent coating method, a dip coating method, a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade, a gravure coating method, a silk screen method, a painting method, etc. are used depending on the viscosity of the composition. It is not limited to this. Among these, the dip coating method is preferable. In the case of the dip coating method, the water repellent coating amount can be adjusted by the dispersion or the concentration of the water repellent solution.

多孔性基材への撥水剤コート量は、撥水剤コート多孔性基材に対する撥水剤の重量比が1重量% 〜 50重量%であることが好ましい。好ましくは、2重量%〜30 重量%、より好ま
しくは、2重量%〜20 重量%である。
The water repellent coating amount on the porous substrate is preferably such that the weight ratio of the water repellent to the water repellent coated porous substrate is 1 wt% to 50 wt%. Preferably, it is 2 wt% to 30 wt%, more preferably 2 wt% to 20 wt%.

多孔性基材への撥水剤コート量が上記範囲内であると、メタノール水溶液、排水性が良好となり、発電特性が向上するため好ましい。また、微多孔層形成用ペーストを撥水剤コート多孔性基材へ塗布した際の微多孔層形成用ペーストの多孔性基材への染み込みによる多孔性基材の細孔閉塞を抑制し、メタノール水溶液、水、ガスの拡散経路を確保できるため、発電特性が向上するため好ましい。   It is preferable that the amount of the water repellent coating on the porous substrate is within the above range because the aqueous methanol solution and the drainage are good and the power generation characteristics are improved. Further, when the microporous layer forming paste is applied to the water repellent coated porous substrate, the pore blocking of the porous substrate due to the penetration of the microporous layer forming paste into the porous substrate is suppressed. Since a diffusion path for an aqueous solution, water, and gas can be secured, power generation characteristics are improved, which is preferable.

本発明で多孔性基材への撥水剤コートに用いられる撥水剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル、ポリパーフルオロスルホニルフ
ロライド、アルコキシビニルエーテル、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼン、分子内に脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボン重合体、含フッ素オレフィオンと炭化水素系オレフィンとの共重合体、含フッ素アクリレートとアクリレートまたは/およびメタクリレートとの共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、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、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-エチレン共重合体、ポリフッ化ビニ
リデン-ヘキサフルオロプロパンなど、またはこれらのコポリマーを用いることができる
。この中で、撥水性の持続性および使用上の取り扱いやすさから、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が好ましい。
Examples of the water repellent used for the water repellent coating on the porous substrate in the present invention include polytetrafluoroethylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, silane coupling agent, and silicone resin. , Wax, polyphosphazene, perfluorocarbon polymer having an aliphatic ring structure in the molecule, copolymer of fluorine-containing olefin and hydrocarbon olefin, copolymer of fluorine-containing acrylate and acrylate or / and methacrylate, poly Vinylidene fluoride, polychlorotrifluoroethylene, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tet Fluoroethylene - ethylene copolymer, polyvinylidene fluoride - hexafluoropropene like, or using these copolymers. Of these, polytetrafluoroethylene and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers are preferred from the standpoint of water repellency and ease of handling in use.

前記撥水剤は、使用上の取り扱いやすさから、有機溶媒に溶解した状態、または水に分散させた状態で用いることが好ましい。
[微多孔層]
微多孔層は、撥水剤及び炭素粉末からなる。微多孔層組成は、炭素粉末及び撥水剤が、30〜90:70〜10の重量比に存在することが好ましく、40〜60:60〜40の重量比に存在することがさらに好ましい。前記炭素粉末の含量が30%重量より少ない場合には、微多孔層内に微細気孔を形成しにくくて反応物の拡散が容易に行われない。炭素粉末の含量が90%重量を超える場合には、炭素粉末の脱落が起こる可能性があって好ましくない。
The water repellent is preferably used in a state dissolved in an organic solvent or in a state dispersed in water for ease of handling in use.
[Microporous layer]
The microporous layer is made of a water repellent and carbon powder. In the microporous layer composition, the carbon powder and the water repellent agent are preferably present in a weight ratio of 30 to 90:70 to 10, and more preferably in a weight ratio of 40 to 60:60 to 40. When the content of the carbon powder is less than 30% by weight, it is difficult to form micropores in the microporous layer, and the reactants are not easily diffused. When the content of the carbon powder exceeds 90% by weight, the carbon powder may fall off, which is not preferable.

本発明で用いられる微多孔層の塗布量は、0.5mg/cm2〜15mg/cm2であることが好ましく、0.5mg/cm2〜10mg/cm2に存在することがさらに好ましい。塗布量が上記範囲未満であると、多孔性基材の影響を受け、微多孔層の平滑性が十分でなく、微多孔層形成の効果が得られない。一方、塗布量が上記範囲を超えると、アノード側であれば、燃料であるメタノール水溶液の透過性、アノード触媒で生成された二酸化炭素の排出性が低下し、カソード側であれば、空気(酸素)の透過性、排水性が低下し、発電性能が低下することがある。 The coating amount of the microporous layer used in the present invention is preferably from 0.5mg / cm 2 ~15mg / cm 2 , and still more preferably present 0.5mg / cm 2 ~10mg / cm 2 . If the coating amount is less than the above range, the microporous layer is not sufficiently smooth due to the influence of the porous substrate, and the effect of forming the microporous layer cannot be obtained. On the other hand, when the coating amount exceeds the above range, the permeability of the methanol aqueous solution as the fuel and the discharge of carbon dioxide produced by the anode catalyst are lowered on the anode side, and air (oxygen) is produced on the cathode side. ) Permeability and drainage, and power generation performance may be reduced.

このような微多孔層は、以下に示す微多孔層形成用ペーストを用いて形成される。
微多孔層形成用ペースト
以下、本発明で使用される微多孔層形成用ペーストについて詳細に説明する。
(1)炭素粉末
本発明で用いられる炭素粉末としては、触媒が担持されていないものであり、たとえば、カーボン粉、カーボン繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、および、表面を炭素膜で被覆した炭化ケイ素ウイスカーなどが挙げられる。これらは、1種単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。
Such a microporous layer is formed using the following paste for forming a microporous layer.
Hereinafter, the microporous layer forming paste used in the present invention will be described in detail.
(1) Carbon powder The carbon powder used in the present invention does not carry a catalyst. For example, carbon powder, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, and the surface are covered with a carbon film. And silicon carbide whiskers. These may be used alone or in combination of two or more.

上記カーボン粉としては、電子伝導性と比表面積の大きさの観点から、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましい。   The carbon powder is preferably carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black from the viewpoint of electron conductivity and specific surface area.

上記オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製「バルカンXC−72」、「バルカンP」、「ブラックパールズ880」、「ブラックパールズ1100」、「ブラックパールズ1300」、「ブラックパールズ2000」、「リーガル400」、ライオン社製「ケッチェンブラックEC」、三菱化学社製「#3150、#3250」などが挙げられる。また、上記アセチレンブラックとしては、電気化学工業社製「デンカブラック」などが挙げられる。   Examples of the oil furnace black include “Vulcan XC-72”, “Vulcan P”, “Black Pearls 880”, “Black Pearls 1100”, “Black Pearls 1300”, “Black Pearls 2000”, and “Regal 400” manufactured by Cabot Corporation. “Ketjen Black EC” manufactured by Lion Corporation, “# 3150, # 3250” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and the like. Examples of the acetylene black include “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo.

上記カーボン繊維としては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバー
系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維などを用いることができ、これらの中では気相成長炭素繊維が好ましい。
(2)撥水剤
前記微多孔層形成用ペーストには撥水剤が含まれていてもよい。撥水剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル、ポリパーフルオロスルホニルフロライド、アルコキシビニルエーテル、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼン、分子内に脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボン重合体、含フッ素オレフィオンと炭化水素系オレフィンとの共重合体、含フッ素アクリレートとアクリレートまたは/およびメタクリレートとの共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、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、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-エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロパンなど、またはこれらのコポリマーを用いる
ことができる。この中で、撥水性の持続性および使用上の取り扱いやすさから、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が好
ましい。
As the carbon fiber, rayon-based carbon fiber, PAN-based carbon fiber, lignin pover-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, and the like can be used. Among these, vapor-grown carbon fiber is preferable.
(2) Water repellent agent The water repellent agent may be contained in the microporous layer forming paste. Examples of the water repellent include polytetrafluoroethylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, silane coupling agent, silicone resin, wax, polyphosphazene, and a polymer having an aliphatic ring structure in the molecule. Fluorocarbon polymer, copolymer of fluorine-containing olefin and hydrocarbon olefin, copolymer of fluorine-containing acrylate and acrylate or / and methacrylate, polyvinylidene fluoride, polychlorotrifluoroethylene, polyhexafluoropropylene, tetra Fluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, polyfluorinated Vinylidene - hexafluoropropane, or it can be used those copolymers. Of these, polytetrafluoroethylene and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers are preferred from the standpoint of water repellency and ease of handling in use.

前記撥水剤は、使用上の取り扱いやすさから、有機溶媒に溶解した状態、または水に分散させた状態で用いることが好ましい。
(3)分散剤
本発明で用いられる微多孔層形成用ペーストには、必要に応じてさらに分散剤を添加してもよい。このような分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。
The water repellent is preferably used in a state dissolved in an organic solvent or in a state dispersed in water for ease of handling in use.
(3) Dispersant If necessary, a dispersant may be further added to the microporous layer forming paste used in the present invention. Examples of such a dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.

上記アニオン界面活性剤としては、たとえば、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成燐酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛などが挙げられる。   Examples of the anionic surfactant include oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, special modified polyether Amine salt of ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine salt of high molecular weight polyether ester acid, amine salt of special modified phosphoric acid ester, high molecular weight polyester acid amide amine salt, special fatty acid derivative Amidoamine salt, alkylamine salt of higher fatty acid, amidoamine salt of high molecular weight polycarboxylic acid, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleyl sulfate sodium salt, cetyl Sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate sodium salt, lauryl ether sulfate ester, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, higher alcohol phosphate monoester disodium Salt, higher alcohol phosphoric acid diester disodium salt, zinc dialkyldithiophosphate and the like.

上記カチオン界面活性剤としては、たとえば、ベンジルジメチル{2−[2−(P−1
,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロ
ライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル−2−牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニル−ヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアク
リルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物などが挙げられる。
Examples of the cationic surfactant include benzyldimethyl {2- [2- (P-1
, 1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride Hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-Heptadecenyl-hydroxyethyl Imidazoline, stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkylamine ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, par And fluoroalkyl quaternary ammonium iodide.

上記両性界面活性剤としては、たとえば、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω−フルオロアクカノイルーN−エ
チルアミノ]−1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]−N,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベ
タインなどが挙げられる。
Examples of the amphoteric surfactant include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3 -[Ω-fluoroaccanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonic acid sodium, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine, etc. Can be mentioned.

上記非イオン界面活性剤としては、たとえば、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステルなどが挙げられる。   Examples of the nonionic surfactant include coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), and bovine fatty acid diethanolamide (1). : 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol palm amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol di Oleylamine, dimethyllaurylamine oxide, dimethylstearylamine oxide, dihydroxyethyllaurylamine oxide, perfluoroalkylamine oxide, poly Vinylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid ester of pentaerythritol, fatty acid ester of sorbit, fatty acid ester of sorbitan And fatty acid esters of sugar.

上記分散剤は、1種単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中では、好ましくはアルキルフェノールエチレンオキサイド付加物である。微多孔層形成用ペーストに上記分散剤を添加すると、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。
(4)溶媒
本発明で用いられる微多孔層形成用ペーストの溶媒は、特に限定されないが、水、メタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、イソブチルアルコールなどのアルコール類;フラン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1、2-ジメトキシエタンなどのエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、γ-ブチロラクトンなどのケトン
類;ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、
N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロロドン
などが挙げられる。
The said dispersing agent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type.
Of these, alkylphenol ethylene oxide adducts are preferred. When the above dispersant is added to the microporous layer forming paste, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.
(4) Solvent The solvent for the microporous layer forming paste used in the present invention is not particularly limited, but water, methanol, ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol. Alcohols such as isobutyl alcohol; ethers such as furan, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,2-dimethoxyethane; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and γ-butyrolactone; dimethyl sulfoxide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide,
N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolodon and the like can be mentioned.

上記溶媒は、1種単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
微多孔層形成用ペースト組成
本発明において、ペースト中の炭素粉末の使用割合は、重量比で0.3重量%〜50重量%、好ましくは1.0重量%〜30重量%であり、撥水剤の使用割合は、重量比で0.05重量%〜40重量%、好ましくは1.0重量%〜15重量%であり、溶媒の使用割合は、重量比で50重量%〜97重量%、好ましくは60重量%〜90重量%であり、必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0重量%〜45重量%、好ましくは0重量%〜20重量%である。
The said solvent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type.
In the present invention, the carbon powder in the paste is used in a weight ratio of 0.3 wt% to 50 wt%, preferably 1.0 wt% to 30 wt%. The use ratio of the agent is 0.05 to 40% by weight, preferably 1.0 to 15% by weight, and the use ratio of the solvent is 50 to 97% by weight, Preferably, it is 60% to 90% by weight, and the proportion of the dispersant used as necessary is 0% to 45% by weight, preferably 0% to 20% by weight.

炭素粉末の使用割合が、上記範囲未満であると、微多孔層内に微細気孔を形成しにくくて反応物の拡散が容易に行われない。また、上記範囲より大きいと、炭素粉末の脱落が起
こる可能性がある。
When the use ratio of the carbon powder is less than the above range, it is difficult to form micropores in the microporous layer, and the reactant is not easily diffused. If it is larger than the above range, the carbon powder may fall off.

撥水剤の使用割合が、上記範囲未満であると、炭素粉末の脱落が起こる可能性があって好ましくない。また、撥水性が不十分となり、メタノール水、水の拡散性が低下して発電特性が低下することがあり、また、上記範囲より大きいと、微多孔層内に微細気孔を形成しにくくて反応物の拡散が容易に行われないこともある。   If the ratio of the water repellent used is less than the above range, the carbon powder may fall off, which is not preferable. In addition, the water repellency becomes insufficient, the diffusibility of methanol water and water may decrease, and the power generation characteristics may decrease, and if it is larger than the above range, it is difficult to form micropores in the microporous layer. The diffusion of objects may not be easy.

溶媒の使用割合が、上記範囲内にあると微多孔層形成時の塗工性に優れる。
分散剤の使用割合が、上記範囲内にあると流動性および保存安定性に優れた微多孔層形成用ペーストが得られる。
微多孔層形成用ペースト組成物の調製
本発明で用いられる微多孔層形成用ペースト組成物は、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。各成分の混合順序は特に限定されないが、たとえば、全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、有機溶媒の量を調整して、組成物の粘度を調整してもよい。
微多孔層の形成
本発明で用いられる微多孔層の形成方法としては、撥水剤コート多孔性基材又は触媒層上に、前記ペーストを直接塗布後乾燥することにより形成することが可能であり、他の転写基材上に微多孔層形成用ペーストを塗布後乾燥して微多孔層を形成し、撥水剤コート多孔性基材又は触媒層上にホットプレスで転写してもよい。また上記微多孔層を数回に分けて積層することにより形成してもよい。
When the use ratio of the solvent is within the above range, the coating property at the time of forming the microporous layer is excellent.
When the proportion of the dispersant used is in the above range, a microporous layer-forming paste having excellent fluidity and storage stability can be obtained.
Preparation of microporous layer forming paste composition The microporous layer forming paste composition used in the present invention is prepared , for example, by mixing the above-mentioned components at a predetermined ratio and kneading them by a conventionally known method. Can do. The order of mixing the components is not particularly limited. For example, all the components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then the dispersant is added as necessary. It is preferable to add and to stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of an organic solvent as needed, and may adjust the viscosity of a composition.
Formation of the microporous layer The microporous layer used in the present invention can be formed by directly applying the paste on a water repellent coated porous substrate or catalyst layer and then drying it. Alternatively, the microporous layer forming paste may be applied on another transfer base material and then dried to form a microporous layer, which may be transferred onto the water repellent-coated porous base material or the catalyst layer by hot pressing. Moreover, you may form by laminating | stacking the said microporous layer in several times.

微多孔層形成用ペーストの塗布方法、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などが挙げられる。
基材上に形成された塗膜の溶媒の除去は、温度30℃〜200℃、好ましくは40℃〜180℃、時間1分〜250分、好ましくは5分〜120分、乾燥して行うことができる。さらに、必要に応じて用いられる分散剤の除去は、必要に応じて溶媒に浸漬して分散剤を抽出することで行うことができる。溶媒としては、撥水剤を溶解せずに分散剤のみを溶解する溶媒から選ばれ、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2−プロパノール
などのアルコール類などが挙げられる。また、撥水剤の分解、変質温度以下の温度で分散剤を熱分解して除去することもできる。熱分解は、温度200℃〜400℃、好ましくは250℃〜380℃、時間30秒〜250分、好ましくは10分〜180分である。転写基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のシート、または表面を離型剤処理したガラス板や金属板なども用いることができる。
Examples of the microporous layer forming paste coating method include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.
Removal of the solvent of the coating film formed on the substrate is performed by drying at a temperature of 30 ° C. to 200 ° C., preferably 40 ° C. to 180 ° C., for a time of 1 minute to 250 minutes, preferably 5 minutes to 120 minutes. Can do. Furthermore, the dispersant used as necessary can be removed by immersing in a solvent and extracting the dispersant as necessary. The solvent is selected from solvents that dissolve only the dispersant without dissolving the water repellent, and examples thereof include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol. Further, the dispersant can be thermally decomposed and removed at a temperature lower than the decomposition and alteration temperature of the water repellent. The thermal decomposition is performed at a temperature of 200 ° C. to 400 ° C., preferably 250 ° C. to 380 ° C., for a time of 30 seconds to 250 minutes, preferably 10 minutes to 180 minutes. As the transfer substrate, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet or a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a release agent can be used.

ホットプレス条件は、温度30℃〜200℃、好ましくは40℃〜180℃、圧力5〜300kg/cm2、好ましくは10〜180kg/cm2、時間30秒間〜60分間、好ましくは1分間〜30分間である。上記範囲内であると、撥水剤コート多孔性基材又は触媒層と微多孔層間の接合性が良好となる。
[膜―電極接合体の形成]
本発明に係る膜−電極接合体は、上記触媒層が形成されたイオン交換樹脂膜と多孔性基材とをホットプレス等により接合する方法、触媒層が形成された多孔性基材とイオン交換樹脂膜とを、触媒層側がイオン交換樹脂膜に接するようにしてホットプレス等により接合する方法などによって製造される。
The hot pressing conditions are as follows: temperature 30 ° C. to 200 ° C., preferably 40 ° C. to 180 ° C., pressure 5 to 300 kg / cm 2 , preferably 10 to 180 kg / cm 2 , time 30 seconds to 60 minutes, preferably 1 minute to 30 For minutes. Within the above range, the water repellent-coated porous substrate or the catalyst layer and the microporous layer have good bonding properties.
[Formation of membrane-electrode assembly]
The membrane-electrode assembly according to the present invention is a method of joining the ion exchange resin membrane on which the catalyst layer is formed and a porous substrate by hot pressing or the like, and a porous substrate on which the catalyst layer is formed and ion exchange. The resin membrane is manufactured by a method of joining by hot pressing or the like so that the catalyst layer side is in contact with the ion exchange resin membrane.

上記ホットプレスの条件は、温度が50℃〜200℃、好ましくは100℃〜180℃であり、圧力が5〜200kg/cm2、好ましくは10〜100kg/cm2であり、時間が10秒〜60分間、好ましくは1分間〜30分間である。上記範囲内の条件でホットプレス
を行うことにより、電極層と膜の接合性が良好となる。
[直接メタノール型燃料電池]
本発明の直接メタノール型燃料電池は、少なくとも一つ以上の膜-電極接合体及びその
両側に位置するセパレータを含む少なくとも一つの電気発生部;燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;及び酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む直接メタノール型燃料電池であって、膜-電極接合体が上記記載のものであることを特徴とする
The conditions of the hot press are as follows: temperature is 50 ° C. to 200 ° C., preferably 100 ° C. to 180 ° C., pressure is 5 to 200 kg / cm 2 , preferably 10 to 100 kg / cm 2 , and time is 10 seconds to 60 minutes, preferably 1 to 30 minutes. By performing hot pressing under conditions within the above range, the bondability between the electrode layer and the film is improved.
[Direct methanol fuel cell]
The direct methanol fuel cell of the present invention includes at least one electricity generating unit including at least one membrane-electrode assembly and separators located on both sides thereof; a fuel supply unit that supplies fuel to the electricity generating unit; and A direct methanol fuel cell including an oxidant supply unit that supplies an oxidant to the electricity generation unit, wherein the membrane-electrode assembly is as described above.

本発明の電池用いられるセパレーターとしては、通常の燃料電池に用いられるものを用いることができる。具体的にはカーボンタイプのもの、金属タイプのものなどを用いることができる。   As the separator used in the battery of the present invention, those used in ordinary fuel cells can be used. Specifically, carbon type or metal type can be used.

また、燃料電池を構成する部材としては、公知のものを特に制限なく使用することが可能である。本発明の電池は単セルで用いることもできるし、複数の単セルを直列に繋いだスタックとして用いることもできる。スタックの方法としては公知のものを用いることができる。具体的には単セルを平面状に並べた平面スタッキング、及び燃料または酸化剤の流路がセパレーターの裏表面にそれぞれ形成されているセパレーターを介して単セルを積み重ねるバイポーラースタッキングを用いることができる。
[実施例]
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
[合成例1]
疎水性ユニットの合成
攪拌機、温度計、Dean−stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、4,4´−ジフルオロベンゾフェノン50.91g(233mmol)、4−クロロ−4´−フルオロベンゾフェノン15.64g(67mmol)、2,2−ビス(3−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン75.28g(265mmol)、炭酸カリウム44.23g(320mmol)をはかりとった。窒素置換後、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)313mL、トルエン125mLを加えて攪拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を165℃に上げ、3時間攪拌を続けた後、4−クロロ−4´B−フルオロベンゾフェノン7.82g(33mmol)を加え、さらに5時間反応させた。

反応液を放冷後、メタノール2Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥し、目的物92.2gを得た。GPCで測定した数平均分子量(Mn)は4,400であった。
Moreover, as a member which comprises a fuel cell, it is possible to use a well-known thing without a restriction | limiting in particular. The battery of the present invention can be used as a single cell or as a stack in which a plurality of single cells are connected in series. As a stacking method, a known method can be used. Specifically, planar stacking in which single cells are arranged in a planar manner, and bipolar stacking in which single cells are stacked via separators each having a fuel or oxidant flow path formed on the back surface of the separator can be used. .
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples at all.
[Synthesis Example 1]
Synthesis of hydrophobic unit To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube, nitrogen inlet tube, and condenser tube, 4,91 ′ (433 mmol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 4-chloro-4 ′ -Weighed 15.64 g (67 mmol) of fluorobenzophenone, 75.28 g (265 mmol) of 2,2-bis (3-phenyl-4-hydroxyphenyl) propane, and 44.23 g (320 mmol) of potassium carbonate. After nitrogen substitution, 313 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) and 125 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 165 ° C. and stirring was continued for 3 hours. Then, 7.82 g (33 mmol) of 4-chloro-4′B-fluorobenzophenone was added, and the reaction was further continued for 5 hours.

The reaction solution was allowed to cool and then poured into 2 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried to obtain 92.2 g of the desired product. The number average molecular weight (Mn) measured by GPC was 4,400.

Figure 2008277282
Figure 2008277282

共重合体(7)の合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル18.29g(45.5mmol)、上記組成ユニットの合成で得られた4,400(Mn)の疎水性ユニット19.96g(
4.50mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.64g(2.50mmol)、ヨウ化ナトリウム0.225g(1.50mmol)、トリフェニルホスフィン5.25g(20.0mmol)、亜鉛7.84g(120mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにDMAc126mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc126mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
Synthesis of copolymer (7) In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introducing tube, 18.29 g (45.5 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate, the above composition 19.96 g of 4,400 (Mn) hydrophobic units obtained by unit synthesis (
4.50 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 1.64 g (2.50 mmol), sodium iodide 0.225 g (1.50 mmol), triphenylphosphine 5.25 g (20.0 mmol), zinc 7.84 g (120 mmol) was weighed and replaced with dry nitrogen. DMAc126mL was added here, and stirring was continued for 3 hours, keeping reaction temperature at 80 degreeC, Then, DMAc126mL was added and diluted, and the insoluble matter was filtered.

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れ、115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム11.9g(126.8mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン5Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的のスルホン化ポリマー(1)27.0gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は71,000であった。得られた重合体は式(II)で表されるスルホン化ポリマーであることを確認した。   The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, heated and stirred at 115 ° C., and 11.9 g (126.8 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 5 L of acetone. Subsequently, it was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order and dried to obtain 27.0 g of the intended sulfonated polymer (1). The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 71,000. It was confirmed that the obtained polymer was a sulfonated polymer represented by the formula (II).

Figure 2008277282
Figure 2008277282

[製造例1]
合成例1で得られたスルホン化ポリマー(1)の21重量%N−メチルピロリドン(NMP)/メタノール溶液(3/1重量比)を、ガラス板上にキャストして製膜し、膜厚30μmのイオン交換樹脂膜(A)を得た。イオン交換容量は、1.48(meq/g)であり、ガラス転移温度は161℃であった。
[Production Example 1]
A 21 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) / methanol solution (3/1 weight ratio) of the sulfonated polymer (1) obtained in Synthesis Example 1 was cast on a glass plate to form a film having a thickness of 30 μm. Ion exchange resin membrane (A) was obtained. The ion exchange capacity was 1.48 (meq / g), and the glass transition temperature was 161 ° C.

[合成例2]
疎水性ユニットの合成
攪拌機、温度計、Dean−stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、4,4´−ジフルオロベンゾフェノン51.34g(235mmol)、4−クロロ−4´−フルオロベンゾフェノン13.8g(59mmol)、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン45.17g(159mmol)、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−フェニルフェニル)フルオレン53.43g(106mmol)、炭酸カリウム43.9g(318mmol)をはかりとった。窒素置換後、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)313mL、トルエン125mLを加えて攪拌した。オイルバスで反応液150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を165℃に上げ、3時間攪拌を続けた後、4−クロロ−4´−フルオロベンゾフェノン6.90g(29mmol)を加え、さらに5時間反応させた。
[Synthesis Example 2]
Synthesis of hydrophobic unit In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube, nitrogen introduction tube, and cooling tube, 51.34 g (235 mmol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 4-chloro-4 ′ -13.8 g (59 mmol) of fluorobenzophenone, 45.17 g (159 mmol) of 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane, 9,9-bis (4-hydroxy-3-phenylphenyl) Weighed 53.43 g (106 mmol) of fluorene and 43.9 g (318 mmol) of potassium carbonate. After nitrogen substitution, 313 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) and 125 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 165 ° C. and stirring was continued for 3 hours. Then, 6.90 g (29 mmol) of 4-chloro-4′-fluorobenzophenone was added, and the reaction was further continued for 5 hours.

反応液を放冷後、メタノール2Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥し、目的物118gを得た。GPCで測定した数平均分子量(Mn)は4,400であった。   The reaction solution was allowed to cool and then poured into 2 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried to obtain 118 g of the desired product. The number average molecular weight (Mn) measured by GPC was 4,400.

Figure 2008277282
Figure 2008277282

共重合体(7)の合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル18.29g(45.5mmol)、上記組成ユニットの合成で得られた4,400(Mn)の疎水性ユニット19.96g(4.50mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.64g(2.50mmol)、ヨウ化ナトリウム0.225g(1.50mmol)、トリフェニルホスフィン5.25g(20.0mmol)、亜鉛7.84g(120mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにDMAc126mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc126mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
Synthesis of copolymer (7) In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introducing tube, 18.29 g (45.5 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate, the above composition 19.96 g (4.50 mmol) of a hydrophobic unit of 4,400 (Mn) obtained by synthesis of the unit, 1.64 g (2.50 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 0.225 g of sodium iodide ( 1.50 mmol), 5.25 g (20.0 mmol) of triphenylphosphine, and 7.84 g (120 mmol) of zinc were weighed and substituted with dry nitrogen. DMAc126mL was added here, and stirring was continued for 3 hours, keeping reaction temperature at 80 degreeC, Then, DMAc126mL was added and diluted, and the insoluble matter was filtered.

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れ、115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム11.9g(126.8mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン5Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的のスルホン化ポリマー(2)28.1gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は82,000であった。得られた重合体は式(IV)で表されるスルホン化ポリマーであることを確認した。   The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, heated and stirred at 115 ° C., and 11.9 g (126.8 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 5 L of acetone. Subsequently, it was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order and dried to obtain 28.1 g of the target sulfonated polymer (2). The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 82,000. It was confirmed that the obtained polymer was a sulfonated polymer represented by the formula (IV).

Figure 2008277282
Figure 2008277282

[製造例2]
合成例2で得られたスルホン化ポリマー(2)の21重量%N−メチルピロリドン(NMP)/メタノール溶液(3/1重量比)を、ガラス板上にキャストして製膜し、膜厚30μmのイオン交換樹脂膜(B)を得た。イオン交換容量は、1.45(meq/g)であり、ガラス転移温度は164℃であった。
[実施例1]
(撥水剤コート多孔性基材の作製)
多孔性基材としてカーボンペーパー(商品名:TGPH−060、東レ株式会社製)を5cm×5cmのサイズに切断し、これを30mLの1.2重量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液に5分間浸漬させた後、75℃の乾燥炉にて15分間乾燥させた。この基材を370℃の電気炉にて1時間焼成させ、アノードおよびカソード用撥水剤コート多孔性基材を作製した。このときの撥水剤コート量は、撥水剤コート多孔性基材に対する撥水剤の重量比で2重量%であった。この撥水剤コート多孔性基材の透湿度を測定した。結果を下記表1に示す。
(触媒ペースト組成物の調製)
市販の81%白金/ルテニウム触媒担持カーボン(商品名:TEC81E81、田中貴金属社製)1.2g、少量の蒸留水1.4g、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液4.2g、およびイソプロパノール5.0gを混合し、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、アノード用触媒ペーストを調製した。同様の手法で、白金/ルテニウム触媒担持カーボンに替えて市販の70%白金触媒担持カーボン(商品名:TEC10E70TPM、田中貴金属社製)を用いて、70%白金触媒担持カーボン(商品名:TEC10E70TPM、田中貴金属社製)2.0g、少量の蒸留水2.4g、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液5.2g、およびイソプロパノール10.2gを混合し、カソード用触媒ペーストを調製した。
(電極の作製)
上記アノード用触媒ペーストを上記撥水剤コート多孔性基材に、白金の付着量が3.0mg/cm2になるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75℃の乾燥炉に
て30分間乾燥させ、アノード用の電極を作製した。同様な手法を用いて、カソード用触媒ペーストを上記撥水剤コート多孔性基材に、白金の付着量が1.2mg/cm2になるよ
うにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、カソード用の電極を作製した。このときの触媒量および触媒層の厚みを測定した結果を下記表1に示す。
(膜−電極接合体の作製)
上記2種類の電極の間に、製造例1で製造したイオン交換樹脂膜(A)を、触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス機により160℃、60kgf/cm2、15分間、加
圧加熱することにより、MEAを作製した。このMEAをElectrochem社製の評価用燃料電池セルに組み込んで燃料電池を作製した。この燃料電池を電流−電圧特性を以下に示す方法で評価した。
[Production Example 2]
A 21 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) / methanol solution (3/1 weight ratio) of the sulfonated polymer (2) obtained in Synthesis Example 2 was cast on a glass plate to form a film having a thickness of 30 μm. Ion exchange resin membrane (B) was obtained. The ion exchange capacity was 1.45 (meq / g), and the glass transition temperature was 164 ° C.
[Example 1]
(Preparation of water repellent coated porous substrate)
Carbon paper (trade name: TGPH-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) as a porous substrate is cut into a size of 5 cm × 5 cm, and this is placed in 30 mL of 1.2 wt% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersed aqueous solution for 5 minutes. After being immersed, it was dried in a 75 ° C. drying oven for 15 minutes. This substrate was baked in an electric furnace at 370 ° C. for 1 hour to produce a water repellent coated porous substrate for anode and cathode. The water repellent coating amount at this time was 2% by weight in terms of the weight ratio of the water repellent to the water repellent coated porous substrate. The moisture permeability of this water repellent coated porous substrate was measured. The results are shown in Table 1 below.
(Preparation of catalyst paste composition)
Commercially available 81% platinum / ruthenium catalyst-supported carbon (trade name: TEC81E81, Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1.2 g, a small amount of distilled water 1.4 g, DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution 4.2 g, and isopropanol 5.0 g was mixed, and this mixture was stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch Co.) until uniform to prepare an anode catalyst paste. In the same manner, instead of platinum / ruthenium catalyst supporting carbon, 70% platinum catalyst supporting carbon (trade name: TEC10E70TPM, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) was used, and 70% platinum catalyst supporting carbon (trade name: TEC10E70TPM, Tanaka). 2.0 g of a precious metal company), 2.4 g of a small amount of distilled water, 5.2 g of a 20% Nafion (registered trademark) solution made by DuPont, and 10.2 g of isopropanol were mixed to prepare a catalyst paste for a cathode.
(Production of electrodes)
The anode catalyst paste was uniformly applied to the water repellent coated porous substrate using an applicator so that the amount of platinum deposited was 3.0 mg / cm 2 , and then dried in a 75 ° C. drying oven. The electrode for anode was produced by drying for 30 minutes. Using a similar technique, the cathode catalyst paste was uniformly applied to the water repellent coated porous substrate using an applicator so that the amount of platinum deposited was 1.2 mg / cm 2. The electrode for a cathode was produced by drying for 30 minutes in a drying oven at 0 ° C. The results of measuring the amount of catalyst and the thickness of the catalyst layer are shown in Table 1 below.
(Preparation of membrane-electrode assembly)
The ion exchange resin membrane (A) produced in Production Example 1 is sandwiched between the two types of electrodes so that the catalyst layer is in contact with the membrane, and heated at 160 ° C., 60 kgf / cm 2 for 15 minutes using a hot press machine. MEA was produced by pressure heating. This MEA was incorporated into an evaluation fuel cell manufactured by Electrochem to produce a fuel cell. This fuel cell was evaluated for current-voltage characteristics by the following method.

1mol/Lのメタノール水溶液を流量1.6mL/min.でアノードに供給し、空気を
流量285mL/minでカソードに供給し、電池温度70℃にて、電流密度を200mA/cm2として、発電させた際の実効電圧とメタノール利用効率を測定した。結果を表1
に示す。
[実施例2]
(撥水剤コート多孔性基材の作製)
実施例1の場合と同様にして、撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(微多孔層の形成)
炭素粒子(商品名:ケッチェンブラックEC、ライオン社製)2.4g、60重量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液6.2g、蒸留水104.9g、分散剤(商品名:TRITONX−100、シグマ−アルドリッチ社製)10.3gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、アノード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が1.0mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、7
5℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、アノード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
A 1 mol / L aqueous methanol solution was supplied at a flow rate of 1.6 mL / min. Was supplied to the anode, air was supplied to the cathode at a flow rate of 285 mL / min, and the effective voltage and methanol utilization efficiency at the time of power generation were measured at a battery temperature of 70 ° C. and a current density of 200 mA / cm 2 . Table 1 shows the results.
Shown in
[Example 2]
(Preparation of water repellent coated porous substrate)
In the same manner as in Example 1, a water repellent coated porous substrate was produced.
(Formation of microporous layer)
Carbon particles (trade name: Ketjen Black EC, manufactured by Lion Corporation) 2.4 g, 60 wt% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution 6.2 g, distilled water 104.9 g, dispersant (trade name: TRITONX-100, Sigma-Aldrich) 10.3 g was mixed, and this mixture was stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform, and the anode microporous layer forming paste was obtained. Prepared. After applying this paste uniformly using an applicator so that the weight of the microporous layer is 1.0 mg / cm 2 , 7
The substrate was dried in a drying oven at 5 ° C. for 30 minutes to prepare a water repellent coated porous substrate with a microporous layer for the anode.

同様な手法を用いて、炭素粒子(商品名:バルカンXC−72、キャボット社製)5.1g、60重量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液8.7g、蒸留水43.1g、分散剤(商品名:TRITONX−100、シグマ−アルドリッチ社製)5.0gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、カソード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が3.0mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に
塗布した後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、カソード用微多孔層付き撥水剤コー
ト多孔性基材を作製した。これらのアノード用およびカソード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材の透湿度を評価した。結果を下記表1に示す。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様にして、触媒ペースト組成物を調製した。
(電極の作製)
撥水剤コート多孔性基材に替えて、上記アノード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を用いた他は、実施例1と同様にして、アノード用およびカソード用の電極を作製した。
(膜−電極接合体の作製)
上記アノード用およびカソード用の電極を用いた他は、実施例1と同様にして、MEAおよび燃料電池を作製した。
Using a similar method, carbon particles (trade name: Vulcan XC-72, manufactured by Cabot Corporation) 5.1 g, 60 wt% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution 8.7 g, distilled water 43.1 g, dispersant ( (Product name: TRITON-100, Sigma-Aldrich) 5.0 g is mixed, and this mixture is stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform, for cathode A paste for forming a microporous layer was prepared. The paste was uniformly applied using an applicator so that the weight of the microporous layer was 3.0 mg / cm 2, and then dried for 30 minutes in a drying furnace at 75 ° C. An agent-coated porous substrate was prepared. The moisture permeability of these water-repellent-coated porous substrates with microporous layers for anode and cathode was evaluated. The results are shown in Table 1 below.
(Preparation of catalyst paste composition)
A catalyst paste composition was prepared in the same manner as in Example 1.
(Production of electrodes)
Anode and cathode electrodes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the above-described water repellent coated porous substrate with a microporous layer for anode was used instead of the water repellent coated porous substrate. did.
(Preparation of membrane-electrode assembly)
An MEA and a fuel cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the anode and cathode electrodes were used.

[実施例3]
カソード側の触媒付着量を2.4mg/cm2にした以外は、実施例1と同様にして、
膜−電極接合体を作製した。
[Example 3]
Except for the amount of catalyst attached on the cathode side being 2.4 mg / cm 2 , the same as in Example 1,
A membrane-electrode assembly was produced.

[実施例4]
実施例2に記載の膜−電極接合体を、メタノール水溶液中のメタノール濃度を、1mol/Lに替えて5mol/Lとした以外は、実施例2と同様に評価した。
[Example 4]
The membrane-electrode assembly described in Example 2 was evaluated in the same manner as Example 2 except that the methanol concentration in the aqueous methanol solution was changed to 5 mol / L instead of 1 mol / L.

[実施例5]
製造例1で得られたイオン交換樹脂膜(A)に替えて、製造例2で得られたイオン交換樹脂膜(B)を用いた以外は、実施例2と同様にして膜−電極接合体を作製した。
[Example 5]
A membrane-electrode assembly in the same manner as in Example 2 except that the ion exchange resin membrane (B) obtained in Production Example 2 was used instead of the ion exchange resin membrane (A) obtained in Production Example 1. Was made.

[比較例1]
下記電極の作製方法以外は、実施例1と同様にして、膜−電極接合体を作製した。
(電極の作製)
上記アノード用触媒ペーストを撥水剤コート処理されていない多孔性基材に、白金の付着量が3.0mg/cm2になるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75
℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、アノード用の電極を作製した。同様な手法を用いて、カソード用触媒ペーストを撥水剤コート処理されていない多孔性基材に、白金の付着量が1.2mg/cm2になるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75℃の乾
燥炉にて30分間乾燥させ、カソード用の電極を作製した。このときの触媒層の厚みを測定した結果を下記表に示す。
[Comparative Example 1]
A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except for the following electrode production method.
(Production of electrodes)
The anode catalyst paste was uniformly applied to a porous substrate that was not treated with a water repellent coating using an applicator so that the amount of platinum deposited was 3.0 mg / cm 2.
It was dried for 30 minutes in a drying oven at 0 ° C. to produce an electrode for the anode. Using a similar method, the catalyst paste for cathode was uniformly applied to a porous substrate not subjected to a water repellent coating treatment using an applicator so that the amount of platinum deposited was 1.2 mg / cm 2 . Then, it was made to dry for 30 minutes in a 75 degreeC drying furnace, and the electrode for cathodes was produced. The results of measuring the thickness of the catalyst layer at this time are shown in the following table.

[比較例2〜4]
(膜−電極接合体の作製)
比較例2〜4は、各製造例で得られたイオン交換樹脂膜に替えて、デュポン社製イオン交換樹脂膜Nafion115(登録商標)を用いた以外は、実施例2〜4とそれぞれ同様にして、MEAを作製した。すなわち、上記2種類の電極の間に、デュポン社製イオン交換樹脂膜Nafion115(登録商標)を、触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス機により160℃、60kgf/cm2、15分間、加圧加熱することにより、ME
Aを作製した。このMEAをElectrochem社製の評価用燃料電池セルに組み込んで燃料電池を作製した。
[Comparative Examples 2 to 4]
(Preparation of membrane-electrode assembly)
Comparative Examples 2 to 4 were the same as Examples 2 to 4 except that the ion exchange resin membrane Nafion115 (registered trademark) manufactured by DuPont was used instead of the ion exchange resin membrane obtained in each production example. MEA was produced. That is, a DuPont ion exchange resin membrane Nafion 115 (registered trademark) is sandwiched between the two types of electrodes so that the catalyst layer is in contact with the membrane, and is heated at 160 ° C., 60 kgf / cm 2 for 15 minutes. By heating under pressure, ME
A was produced. This MEA was incorporated into an evaluation fuel cell manufactured by Electrochem to produce a fuel cell.

[比較例5]
下記のように微多孔層形成用ペーストの塗布量を変更して微多孔層を形成した以外は、実施例2と同様にしてMEAを作製した。
(微多孔層の形成)
炭素粒子(商品名:ケッチェンブラックEC、ライオン社製)2.4g、60重量%ポ
リテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液6.2g、蒸留水104.9g、分散剤(商品名:TRITONX−100、シグマ−アルドリッチ社製)10.3gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、アノード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が18.0mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、
75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、アノード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
[Comparative Example 5]
An MEA was produced in the same manner as in Example 2 except that the amount of the microporous layer forming paste applied was changed to form a microporous layer as described below.
(Formation of microporous layer)
Carbon particles (trade name: Ketjen Black EC, manufactured by Lion Corporation) 2.4 g, 60 wt% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution 6.2 g, distilled water 104.9 g, dispersant (trade name: TRITONX-100, Sigma-Aldrich) 10.3 g was mixed, and this mixture was stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform, and the anode microporous layer forming paste was obtained. Prepared. After applying this paste uniformly using an applicator so that the weight of the microporous layer is 18.0 mg / cm 2 ,
The substrate was dried in a drying furnace at 75 ° C. for 30 minutes to prepare a water repellent coated porous substrate with a microporous layer for the anode.

同様な手法を用いて、炭素粒子(商品名:バルカンXC−72、キャボット社製)5.1g、60重量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液8.7g、蒸留水43.1g、分散剤(商品名:TRITONX−100、シグマ−アルドリッチ社製)5.0gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、カソード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が0.2mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に
塗布した後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、カソード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。これらのアノード用およびカソード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材の透湿度を評価した。結果を下記表1に示す。
[比較例6]
下記のように微多孔層形成用ペーストの塗布量を変更して微多孔層を形成した以外は、実施例2と同様にしてMEAを作製した。
(微多孔層の形成)
炭素粒子(商品名:ケッチェンブラックEC、ライオン社製)2.4g、60重量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液6.2g、蒸留水104.9g、分散剤(商品名:TRITONX−100、シグマ−アルドリッチ社製)10.3gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、アノード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が0.1mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、7
5℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、アノード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
Using a similar method, carbon particles (trade name: Vulcan XC-72, manufactured by Cabot Corporation) 5.1 g, 60 wt% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution 8.7 g, distilled water 43.1 g, dispersant ( (Product name: TRITON-100, Sigma-Aldrich) 5.0 g is mixed, and this mixture is stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform, for cathode A paste for forming a microporous layer was prepared. This paste was uniformly applied using an applicator so that the weight of the microporous layer was 0.2 mg / cm 2, and then dried for 30 minutes in a drying oven at 75 ° C. An agent-coated porous substrate was prepared. The moisture permeability of these water-repellent-coated porous substrates with microporous layers for anode and cathode was evaluated. The results are shown in Table 1 below.
[Comparative Example 6]
An MEA was produced in the same manner as in Example 2 except that the amount of the microporous layer forming paste applied was changed to form a microporous layer as described below.
(Formation of microporous layer)
Carbon particles (trade name: Ketjen Black EC, manufactured by Lion Corporation) 2.4 g, 60 wt% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution 6.2 g, distilled water 104.9 g, dispersant (trade name: TRITONX-100, Sigma-Aldrich) 10.3 g was mixed, and this mixture was stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform, and the anode microporous layer forming paste was obtained. Prepared. After applying this paste uniformly using an applicator so that the weight of the microporous layer is 0.1 mg / cm 2 , 7
It was dried in a drying oven at 5 ° C. for 30 minutes to produce a water repellent coated porous substrate with a microporous layer for the anode.

同様な手法を用いて、炭素粒子(商品名:バルカンXC−72、キャボット社製)5.1g、60重量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液8.7g、蒸留水43.1g、分散剤(商品名:TRITONX−100、シグマ−アルドリッチ社製)5.0gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、カソード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が16.0mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一
に塗布した後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、カソード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。これらのアノード用およびカソード用微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材の透湿度を評価した。結果を下記表2に示す。
Using a similar method, carbon particles (trade name: Vulcan XC-72, manufactured by Cabot Corporation) 5.1 g, 60 wt% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution 8.7 g, distilled water 43.1 g, dispersant ( (Product name: TRITON-100, Sigma-Aldrich) 5.0 g is mixed, and this mixture is stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform, for cathode A paste for forming a microporous layer was prepared. The paste was uniformly applied using an applicator so that the weight of the microporous layer was 16.0 mg / cm 2, and then dried for 30 minutes in a drying oven at 75 ° C. An agent-coated porous substrate was prepared. The moisture permeability of these water-repellent-coated porous substrates with microporous layers for anode and cathode was evaluated. The results are shown in Table 2 below.

Figure 2008277282
Figure 2008277282

本発明で透湿度測定に使用される測定装置の概略図を示す。The schematic of the measuring apparatus used for moisture permeability measurement by this invention is shown.

Claims (10)

芳香族系イオン交換樹脂膜と少なくとも触媒担持カーボン及びイオン交換樹脂電解質とを含む触媒層とガス拡散層を備えた直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体であって、
該芳香族系イオン交換樹脂膜が、下記式(5)で表わされる構造単位と、下記式(6)で表される構造単位を含むことを特徴とするポリアリーレン系重合体から構成されることを特徴とする直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体;
Figure 2008277282
[式(5)中、Tは下記式(2)で表わされ、少なくとも下記式(3)で表わされる構造を含む。
Figure 2008277282
A、Cは独立に直接結合または、−CO−、−SO2、−SO−、−CONH−、−C
OO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲ
ン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、
Dは下記式(4)で表わされる2,2−プロピリデン基もしくは1,1−シクロヘキシリデン基を示す。
Figure 2008277282
1〜R16は、互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、ア
ルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
17、R18は互いに水素原子の場合を除き、同一であっても異なっていてもよく、水素原子、メチル基、イソプロピル基、イソブチル基、t−ブチル基、シクロヘキシル基を示す。
s、tは0〜4の整数を示し、rは1以上の整数を示す。]。
Figure 2008277282
[式(6)中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(
CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(F3)−からなる群より選ばれた少なく
とも1種の構造を示し、
Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Arは−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換
基を有する芳香族基を示す。
pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。]。
A membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell comprising an aromatic ion exchange resin membrane, a catalyst layer containing at least a catalyst-supporting carbon and an ion exchange resin electrolyte, and a gas diffusion layer,
The aromatic ion exchange resin membrane is composed of a polyarylene polymer comprising a structural unit represented by the following formula (5) and a structural unit represented by the following formula (6): A membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell, characterized by:
Figure 2008277282
[In formula (5), T is represented by the following formula (2) and includes at least a structure represented by the following formula (3).
Figure 2008277282
A and C are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 , —SO—, —CONH—, —C
OO—, — (CF 2 ) 1 — (1 is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) 1 — (1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ is An aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, -S-, and at least one structure selected from the group consisting of ,
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom,
D represents a 2,2-propylidene group or a 1,1-cyclohexylidene group represented by the following formula (4).
Figure 2008277282
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which some or all are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group. , Represents at least one atom or group selected from the group consisting of nitrile groups.
R 17 and R 18 may be the same or different except for a hydrogen atom, and each represents a hydrogen atom, a methyl group, an isopropyl group, an isobutyl group, a t-butyl group, or a cyclohexyl group.
s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents an integer of 1 or more. ].
Figure 2008277282
[In the formula (6), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (
CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), at least one structure selected from the group consisting of —C (F 3 ) —
Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. Show the structure of the species,
Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H.
p shows the integer of 1-12, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. ].
アノード側の触媒層に含まれる白金触媒の塗布量が0.7mg/cm2以上8.0mg/cm2以下であることを特徴とする請求項1に記載の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。 2. The direct methanol fuel cell membrane-electrode junction according to claim 1, wherein a coating amount of the platinum catalyst contained in the anode-side catalyst layer is 0.7 mg / cm 2 or more and 8.0 mg / cm 2 or less. body. カソード側の触媒層の厚みが5〜100μmであることを特徴とする請求項1または2に記載の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。   The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the cathode-side catalyst layer has a thickness of 5 to 100 µm. アノード側の触媒層の厚みが5〜100μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。   The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the catalyst layer on the anode side is 5 to 100 µm. 前記直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体は、芳香族系イオン交換樹脂膜の少なく
とも片側のガス拡散層が多孔性基材から構成され、該多孔性基材と前記触媒層との間に撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
In the membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell, a gas diffusion layer on at least one side of an aromatic ion exchange resin membrane is composed of a porous base material, and repelling is performed between the porous base material and the catalyst layer. The membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 4, further comprising a microporous layer made of liquid medicine and carbon powder.
前記直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体は、芳香族系イオン交換樹脂膜の少なく
とも片側のガス拡散層が撥水剤コート多孔性基材から構成され、該多孔性基材と前記触媒層との間に撥水剤及び炭素粉末からなる微多孔層を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
In the membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell, the gas diffusion layer on at least one side of the aromatic ion exchange resin membrane is composed of a water repellent-coated porous substrate, and the porous substrate, the catalyst layer, A membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 5, further comprising a microporous layer made of a water repellent and carbon powder.
前記直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体で、芳香族系イオン交換樹脂膜のカソー
ド側のガス拡散層が撥水剤コート多孔性基材から構成されることを特徴とする請求項6に記載の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
The gas diffusion layer on the cathode side of the aromatic ion exchange resin membrane in the membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell is composed of a water repellent-coated porous base material. The membrane-electrode assembly for direct methanol fuel cells.
アノード側のガス拡散層の透湿度が800g/m2/h 〜 3000g/m2/hであることを特徴とする
請求項に1〜7のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
The membrane-electrode for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the gas permeability of the gas diffusion layer on the anode side is 800 g / m 2 / h to 3000 g / m 2 / h. Joined body.
カソード側のガス拡散層の透湿度が500g/m2/h 〜 2500g/m2/hであることを特徴とする
請求項に1〜8のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池用膜-電極接合体。
The membrane-electrode for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the gas diffusion layer on the cathode side has a water vapor transmission rate of 500 g / m 2 / h to 2500 g / m 2 / h. Joined body.
少なくとも一つ以上の膜-電極接合体及びその両側に位置するセパレータを含む少なく
とも一つの電気発生部;
燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;
及び酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む直接メタノール型燃料電池であって、
膜-電極接合体が請求項1〜9のいずれかに記載のものであることを特徴とする直接メ
タノール型燃料電池。
At least one electricity generator including at least one membrane-electrode assembly and separators located on both sides thereof;
A fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generation unit;
And a direct methanol fuel cell including an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit,
A direct methanol fuel cell, wherein the membrane-electrode assembly is one according to any one of claims 1 to 9.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009021234A (en) * 2007-06-15 2009-01-29 Sumitomo Chemical Co Ltd Membrane/electrode conjugant, its manufacturing method, and solid high polymer fuel cell
JP2014216231A (en) * 2013-04-26 2014-11-17 日産自動車株式会社 Fuel battery
JP2015111568A (en) * 2013-11-06 2015-06-18 東レ株式会社 Gas diffusion electrode base material, gas diffusion electrode arranged by use thereof and manufacturing method thereof

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