JP2008300317A - Membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.
近年、固体高分子形燃料電池には、自動車用途を中心に、低加湿環境下における運転が要求されている。そのため、膜電極接合体の固体高分子電解質膜に含まれるプロトン伝導性ポリマーとしては、低加湿環境下において高い導電性を発現する材料が求められている。 In recent years, solid polymer fuel cells have been required to operate in a low humidified environment, mainly for automotive applications. Therefore, as a proton conductive polymer contained in the solid polymer electrolyte membrane of the membrane electrode assembly, a material that exhibits high conductivity in a low humidified environment is required.
固体高分子形燃料電池を自動車に用いて自動車が実際に運転される際、固体高分子電解質膜は、様々な湿度環境に曝されることになる。これを模擬するための試験として、固体高分子電解質膜を、相対湿度25%以下の乾燥した環境と、相対湿度100%以上の湿潤した環境のそれぞれに繰り返し曝すサイクル試験(以下、湿潤−乾燥サイクル試験と記す。)が提案されている(非特許文献1参照)。
該湿潤−乾燥サイクル試験においては、固体高分子電解質膜が、湿潤した環境になると膨潤し、乾燥した環境になると収縮し、湿潤と乾燥とのサイクルに伴って膨潤と収縮とを繰り返すことにより、特に平面方向の寸法変化を起こす。そのため、湿潤−乾燥サイクル試験により、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での膜電極接合体の機械的な耐久性能が評価できる。
In the wet-dry cycle test, the solid polymer electrolyte membrane swells when it becomes a wet environment, shrinks when it becomes a dry environment, and repeats swelling and shrinkage with a cycle of wet and dry, In particular, it causes dimensional changes in the plane direction. Therefore, the mechanical durability performance of the membrane / electrode assembly in an environment in which wetting and drying are repeated can be evaluated by a wet-dry cycle test.
低加湿環境下において高い導電性を発現するためには、プロトン伝導性ポリマーの導電性を向上させることが有効であり、そのためには、イオン性基を増やせばよい。また、膜電極接合体においては、固体高分子電解質膜の膜厚を薄くすることにより、低加湿環境下における導電性を向上できる。
しかし、イオン性基を増やすことにより、プロトン伝導性ポリマーの含水率が高くなる。固体高分子電解質膜に用いるプロトン伝導性ポリマーの含水率が高くなりすぎると、プロトン伝導性ポリマーが膨潤しやすくなり、前記の湿潤−乾燥サイクル試験において、固体高分子電解質膜の平面方向への膨潤および収縮の度合いがより大きくなる。そのため、固体高分子電解質膜においては穴が空くおそれがあり、膜電極接合体の機械的な耐久性能が低下する。
また、膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の膜厚を薄くした場合、固体高分子電解質膜の機械的強度が下がり、耐久性能が低下してしまう。
In order to express high conductivity in a low humidified environment, it is effective to improve the conductivity of the proton conductive polymer. For this purpose, the number of ionic groups may be increased. Moreover, in a membrane electrode assembly, the electrical conductivity in a low humidification environment can be improved by reducing the film thickness of the solid polymer electrolyte membrane.
However, increasing the ionic groups increases the water content of the proton conducting polymer. If the water content of the proton conductive polymer used for the solid polymer electrolyte membrane becomes too high, the proton conductive polymer tends to swell, and in the wet-dry cycle test, the solid polymer electrolyte membrane swells in the plane direction. And the degree of shrinkage becomes larger. Therefore, a hole may be formed in the solid polymer electrolyte membrane, and the mechanical durability performance of the membrane electrode assembly is lowered.
Further, in the membrane / electrode assembly, when the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is reduced, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane is lowered and the durability performance is lowered.
本発明は、低加湿環境下においても高い発電性能を発現できると共に、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能に優れた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体およびその製造方法を提供する。 The present invention provides a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, which can exhibit high power generation performance even in a low humidified environment, and is excellent in durability performance under repeated wet and dry environments, and a method for producing the same To do.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、電極触媒とプロトン伝導性ポリマーを含む第1の触媒層および第1のガス拡散層を有する第1の電極と、電極触媒とプロトン伝導性ポリマーを含む第2の触媒層および第2のガス拡散層を有する第2の電極と、前記第1の触媒層と前記第2の触媒層との間に配置される固体高分子電解質膜とを備える固体高分子形燃料電池用膜電極接合体において、前記固体高分子電解質膜が、温度80℃、相対湿度40%の雰囲気下における導電率が0.05S/cm以上であり、前記固体高分子電解質膜と前記第1のガス拡散層との間の90°剥離強度が0.03N/cm以上であり、かつ、前記第1のガス拡散層を80℃の温水に浸漬した際の寸法変化率が10%未満であることを特徴とする。
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体においては、前記固体高分子電解質膜が、プロトン伝導性ポリマーが分散媒に分散された液状組成物をキャストして形成されることが好ましい。
The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a first electrode having an electrode catalyst and a proton conductive polymer, a first electrode having a first gas diffusion layer, an electrode catalyst, and a proton conduction. A second electrode having a second catalyst layer containing a conductive polymer and a second gas diffusion layer, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the first catalyst layer and the second catalyst layer The solid polymer electrolyte membrane has a conductivity of 0.05 S / cm or more in an atmosphere at a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 40%. Dimensional change when the 90 ° peel strength between the molecular electrolyte membrane and the first gas diffusion layer is 0.03 N / cm or more, and the first gas diffusion layer is immersed in warm water of 80 ° C. The rate is less than 10%.
In the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the solid polymer electrolyte membrane is preferably formed by casting a liquid composition in which a proton conductive polymer is dispersed in a dispersion medium.
また、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、前記第1のガス拡散層上に形成された前記第1の触媒層と、前記固体高分子電解質膜とを接合することにより、前記本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を得ることを特徴とする。 In the method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first catalyst layer formed on the first gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane are joined. Thus, the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is obtained.
また、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、前記固体高分子電解質膜上に形成された前記第1の触媒層と、前記第1のガス拡散層とを接合することにより、前記本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を得ることを特徴とする。 In the method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first catalyst layer formed on the polymer electrolyte membrane and the first gas diffusion layer are joined. Thus, the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is obtained.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、低加湿環境下においても高い発電性能を発現できると共に、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能に優れる。
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法によれば、低加湿環境下においても高い発電性能を発現できると共に、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能に優れた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造できる。
The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention can exhibit high power generation performance even in a low humidified environment, and is excellent in durability performance in an environment where wetting and drying are repeated.
According to the method for producing a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, high power generation performance can be expressed even in a low humidified environment, and the durability performance in an environment in which wetting and drying are repeated is excellent. A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell can be produced.
本明細書においては、式(α)で表される基を基(α)と記す。他の式で表される基も同様に記す。また、式(1)で表される化合物を化合物(1)と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。 In the present specification, a group represented by the formula (α) is referred to as a group (α). Groups represented by other formulas are also described in the same manner. Moreover, the compound represented by Formula (1) is described as a compound (1). The same applies to compounds represented by other formulas.
<固体高分子形燃料電池用膜電極接合体>
図1は、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、膜電極接合体と記す。)の一例を示す概略断面図である。
膜電極接合体1は、第1の触媒層12および第1のガス拡散層14を有する第1の電極10と、第2の触媒層22および第2のガス拡散層24を有する第2の電極20と、第1の電極10と第2の電極20との間に、第1の触媒層12および第2の触媒層22にそれぞれ接した状態で配置される固体高分子電解質膜30とを備える。
第1の電極10および第2の電極20は、それぞれアノードであってもよく、カソードであってもよく、相互に異なるものであればよい。
<Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a membrane electrode assembly).
The membrane electrode assembly 1 includes a
The
(90°剥離強度)
膜電極接合体1においては、固体高分子電解質膜30と第1のガス拡散層14との間の90°剥離強度が0.03N/cm以上であり、0.07N/cm以上であることが好ましい。
該90°剥離強度が0.03N/cm以上であれば、固体高分子電解質膜30と第1のガス拡散層14とが第1の触媒層12を介して充分な接合強度で接合される。このため、低加湿環境下においても高い発電性能を発現できると共に、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能に優れる。特に、該90°剥離強度が0.07N/cm以上であると、固体高分子電解質膜30の変形がより抑制され、膜電極接合体1の湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能がさらに優れる。
また、膜電極接合体1においては、固体高分子電解質膜30と第2のガス拡散層24との間の90°剥離強度も0.03N/cm以上であることが好ましい。
(90 ° peel strength)
In the membrane / electrode assembly 1, the 90 ° peel strength between the solid
If the 90 ° peel strength is 0.03 N / cm or more, the solid
In the membrane / electrode assembly 1, the 90 ° peel strength between the solid
本発明において、「固体高分子電解質膜30と第1のガス拡散層14との間の90°剥離強度」とは、以下に示す90°剥離強度の測定方法において、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面、および第1のガス拡散層14と第1の触媒層12との界面のうち、先に剥離する界面の90°剥離強度を示すものとする。
具体的な90°剥離強度の測定方法は、膜電極接合体1の製造方法に応じて、たとえば以下の2種類の方法で測定できる。すなわち、固体高分子電解質膜に触媒層を形成した後、該触媒層とガス拡散層とを接合する場合は90°剥離試験(I)を行い、ガス拡散層に触媒層を形成した後、該触媒層と固体高分子電解質膜とを接合する場合は90°剥離試験(II)を行う。
以下、図2、3を参照しながら説明する。
In the present invention, the “90 ° peel strength between the solid
The specific measurement method of 90 degree peeling strength can be measured with the following two types of methods, for example according to the manufacturing method of the membrane electrode assembly 1. That is, after forming the catalyst layer on the solid polymer electrolyte membrane, when joining the catalyst layer and the gas diffusion layer, a 90 ° peel test (I) is performed, and after forming the catalyst layer on the gas diffusion layer, When joining the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, a 90 ° peel test (II) is performed.
Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS.
90°剥離試験(I):
(手順1)図2(a)に示すように、固体高分子電解質膜30の一方の面に第1の触媒層12を形成し、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12とからなる試験片90を作製する。
(手順2)試験片90の末端90aから長手方向へ80mm分と、第1のガス拡散層14の末端14aから長手方向へ80mm分とを、第1のガス拡散層14と固体高分子電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置するように接合させて、幅20mm×長さ220mmの試験片91を作製する。
(手順3)図2(b)に示すように、固体高分子電解質膜30の第1の触媒層12側とは反対側の全面を、幅25mm×長さ150mm×厚さ3mmのアルミ板94に両面テープ96で貼り付け、第1のガス拡散層14の接合されていない方の末端14bを、直径6mmのステンレス製のローラ92を介して、引張り試験機(図示せず)の試料取り付け部に挟持する。
なお、両面テープ96としては、試験片91の第1のガス拡散層14と第1の触媒層12との界面の剥離強度、および第1の触媒層12と固体高分子電解質膜30との界面の剥離強度のいずれよりも充分に高い粘着強度を有するものを用いる。
(手順4)挟持された末端14bを、固体高分子電解質膜30に対して垂直(矢印)方向に、速度50mm/分で引っ張り、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面、および第1のガス拡散層14と第1の触媒層12との界面のうち、先に剥離する方の界面の剥離強度を測定する。
90 ° peel test (I):
(Procedure 1) As shown in FIG. 2A, the
(Procedure 2) 80 mm in the longitudinal direction from the
(Procedure 3) As shown in FIG. 2B, the entire surface of the solid
In addition, as the double-
(Procedure 4) The pinched
90°剥離試験(I)は、手順1および手順2により作製された3枚の試験片91について行う。
「90°剥離強度」は、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面、および第1のガス拡散層14と第1の触媒層12との界面のうち、先に剥離する方の界面が剥離するまでの強度を、ロードセルを介して測定してパソコンに記録し、測定された強度の中で、該強度の値が安定している部分、すなわち剥離強度測定の開始時と終了時の値を除いた部分について平均値を求めてそれを剥離強度とし、剥離強度の3回の平均値を算出し、この平均値を、試験片91の幅20mmで除して求められる。
The 90 ° peel test (I) is performed on the three
The “90 ° peel strength” is the first of the interface between the solid
90°剥離試験(II):
(手順1)図3(a)に示すように、第1のガス拡散層14の表面に第1の触媒層12を形成し、第1のガス拡散層14と第1の触媒層12とからなる第1の電極10を作製し、さらに、第1の電極10と固体高分子電解質膜30とを、第1のガス拡散層14と固体高分子電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置するように接合させて、幅20mm×長さ150mmの試験片91を作製する。
(手順2)試験片91の末端91aから長手方向へ80mm分の第1のガス拡散層14の表面に、片面粘着テープ98を粘着させる。
なお、片面粘着テープ98としては、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面の剥離強度、および第1の触媒層12と第1のガス拡散層14との界面の剥離強度よりも充分に高い粘着強度を有するものを用いる。
(手順3)図3(b)に示すように、固体高分子電解質膜30の第1の触媒層12側とは反対側の全面を、幅25mm×長さ150mm×厚さ3mmのアルミ板94に両面テープ96で貼り付ける。
なお、両面テープ96としては、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面の剥離強度、および第1の触媒層12と第1のガス拡散層14との界面の剥離強度よりも充分に高い粘着強度を有するものを用いる。
そして、片面粘着テープ98の末端98bを、直径6mmのステンレス製のローラ92を介して、引張り試験機(図示せず)の試料取り付け部に挟持する。
(手順4)挟持された末端98bを、試験片91に対して垂直(矢印)方向に、速度50mm/分で引っ張り、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面、および第1のガス拡散層14と第1の触媒層12との界面のうち、先に剥離する方の界面の剥離強度を測定する。
90 ° peel test (II):
(Procedure 1) As shown in FIG. 3A, the
(Procedure 2) The single-sided
As the single-sided
(Procedure 3) As shown in FIG. 3B, the entire surface of the solid
The double-
And the
(Procedure 4) The clamped
90°剥離試験(II)は、手順1により作製された3枚の試験片91について行う。
「90°剥離強度」は、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面、および第1のガス拡散層14と第1の触媒層12との界面のうち、先に剥離する方の界面が剥離するまでの強度を、ロードセルを介して測定してパソコンに記録し、測定された強度の中で、該強度の値が安定している部分、すなわち剥離強度測定の開始時と終了時の値を除いた部分について平均値を求めてそれを剥離強度とし、剥離強度の3回の平均値を算出し、この平均値を、試験片91の幅20mmで除して求められる。
The 90 ° peel test (II) is performed on the three
The “90 ° peel strength” is the first of the interface between the solid
すでに、第1の触媒層12が、固体高分子電解質膜30および第1のガス拡散層14といずれも接合している膜電極接合体1において、前記の90°剥離強度を測定する場合は、たとえば以下の測定方法により測定できる。
まず、膜電極接合体1から幅20mm×長さ200mmのサンプルを切り出し、測定しない側の第2のガス拡散層24を剥がす。そして、第2のガス拡散層24を剥がした側の面をアルミ板94に両面テープ96で貼り付ける。
なお、用いる両面テープ96は、サンプルの固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面の剥離強度、および第1の触媒層12と第1のガス拡散層14との界面の剥離強度よりも充分に高い粘着強度を有するものを用いる。
次に、90°剥離試験(II)の手順2と同様にして、第1のガス拡散層14の表面に、片面粘着テープ98を粘着させる。次いで、90°剥離試験(II)の手順3に準じて、片面粘着テープ98の末端98bを引張り試験機の試料取り付け部に挟持する。そして、90°剥離試験(II)の手順4に準じて、挟持された末端98bを、固体高分子電解質膜30に対して垂直(矢印)方向に、速度50mm/分で引っ張り、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12との界面、および第1のガス拡散層14と第1の触媒層12との界面のうち、先に剥離する方の界面の剥離強度を測定する。
When the 90 ° peel strength is measured in the membrane / electrode assembly 1 in which the
First, a sample having a width of 20 mm and a length of 200 mm is cut out from the membrane electrode assembly 1 and the second
The double-
Next, the single-sided
(ガス拡散層)
膜電極接合体1において、第1のガス拡散層14は、下記(手順1)〜(手順4)により求められる、80℃の温水に浸漬した際の寸法変化率が10%未満であり、5%未満であることが好ましい。
該寸法変化率が10%未満であれば、膜電極接合体1が湿潤または乾燥した環境に曝された際、固体高分子電解質膜30の特に平面方向への変形を抑制する機能が発揮される。特に、該寸法変化率が5%未満であると、固体高分子電解質膜30の機械的な耐久性能がさらに向上する。一方、該寸法変化率が10%以上では、固体高分子電解質膜30の変形を抑制する効果が充分ではなく、機械的な劣化による固体高分子電解質膜30の破損を抑制することができない。
また、膜電極接合体1においては、第2のガス拡散層24の該寸法変化率も10%未満であることが好ましい。
(Gas diffusion layer)
In the membrane electrode assembly 1, the first
If the dimensional change rate is less than 10%, the function of suppressing the deformation of the solid
In the membrane electrode assembly 1, the dimensional change rate of the second
第1のガス拡散層14の寸法変化率は、下記(手順1)〜(手順4)により求める。
(手順1)第1のガス拡散層14について、温度25℃、相対湿度50%の雰囲気下に16時間以上置いた後、寸法(a)を計測する。
(手順2)次に、該ガス拡散層14を80℃の温水に16時間浸漬する。
(手順3)その後、該ガス拡散層14を温水に浸漬した状態で室温まで冷却し、水中から取り出して寸法(b)を計測する。
(手順4)下式から寸法変化率を算出する。
寸法変化率(%)=[寸法(b)−寸法(a)]/寸法(a)×100
The dimensional change rate of the first
(Procedure 1) The first
(Procedure 2) Next, the
(Procedure 3) Thereafter, the
(Procedure 4) The dimensional change rate is calculated from the following equation.
Dimensional change rate (%) = [dimension (b) −dimension (a)] / dimension (a) × 100
第1のガス拡散層14および第2のガス拡散層24(以下、まとめてガス拡散層とも記す。)の材料としては、特に限定がなく、カーボンファイバーの織布、カーボンぺーパー、カーボンフェルト等の導電性材料が挙げられる。
ガス拡散層の厚さは、100〜400μmが好ましく、140〜350μmがより好ましい。
The material of the first
The thickness of the gas diffusion layer is preferably 100 to 400 μm, and more preferably 140 to 350 μm.
ガス拡散層は、該導電性材料からなる層の表面に、カーボンを主成分とする多孔層(表面処理層)を有していてもよい。
該多孔層は、第1の触媒層12および第2の触媒層22の撥水性を向上できることから、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系の樹脂成分を含むことが好ましい。該多孔層は、第1の触媒層12および第2の触媒層22と密着させて用いることが好ましい。
The gas diffusion layer may have a porous layer (surface treatment layer) mainly composed of carbon on the surface of the layer made of the conductive material.
Since the porous layer can improve the water repellency of the
(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜30は、プロトン伝導性ポリマーを含む膜である。
固体高分子電解質膜30においては、温度80℃、相対湿度40%の雰囲気下における導電率が0.05S/cm以上であることが必要であり、0.07S/cm以上であることが好ましい。該導電率が0.05S/cm以上であれば、高温、低加湿環境下で発電を行う場合であっても、膜電極接合体1は高い発電性能を発現できる。
(Solid polymer electrolyte membrane)
The solid
In the solid
固体高分子電解質膜30の導電率は、下記方法により求める。
5mm幅のフィルム(固体高分子電解質膜30)に、5mm間隔で4端子電極が配置された基板を密着させ、公知の4端子法により、温度80℃、相対湿度40%の恒温恒湿条件下にて交流10kHz、1Vの電圧でフィルムの抵抗を測定し、該結果から導電率を算出する。
The conductivity of the solid
A substrate on which 4 terminal electrodes are arranged at intervals of 5 mm is brought into close contact with a 5 mm wide film (solid polymer electrolyte membrane 30), and a constant temperature and humidity condition at a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 40% by a known 4 terminal method. Then, the resistance of the film is measured at a voltage of 10 kHz AC and 1 V, and the conductivity is calculated from the result.
固体高分子電解質膜30においては、80℃の温水に浸漬した際の含水率が180質量%未満であることが好ましく、150質量%未満であることがより好ましい。
固体高分子電解質膜30の導電性を高めるためには、プロトン伝導性ポリマーのイオン交換容量を高くすることが有効である。しかし、一般的に、プロトン伝導性ポリマーのイオン交換容量を上げていくと、温水に浸漬した際の含水率が高くなり、含水時の寸法変化率が大きくなる。そのため、湿潤と乾燥とを繰り返す湿度変化に対する機械的な耐久性能は低下する傾向がある。該含水率が180質量%未満であれば、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能がより向上する。
In the solid
In order to increase the conductivity of the solid
固体高分子電解質膜30の含水率は、下記方法により求める。
固体高分子電解質膜30を80℃の温水中に16時間浸漬した後、温水に浸漬したままの状態で固体高分子電解質膜30を室温まで冷却する。その後、水中より固体高分子電解質膜30を取り出し、固体高分子電解質膜30表面に付着した水滴をふき取り、直ちに含水時の質量を測定する。ついで、該固体高分子電解質膜30をグローブボックスに入れ、乾燥窒素を流した雰囲気下に24時間以上放置し、乾燥させる。そして、グローブボックス中で固体高分子電解質膜30の乾燥質量を測定する。
前記の含水時の質量と乾燥質量との差が、固体高分子電解質膜30が含水時に吸収する水の質量となる。そして、下式より固体高分子電解質膜30の含水率を求める。
含水率(%)=(固体高分子電解質膜30が含水時に吸収する水の質量/固体高分子電解質膜30の乾燥質量)×100。
The water content of the solid
After immersing the solid
The difference between the water-containing mass and the dry mass is the mass of water absorbed by the solid
Moisture content (%) = (mass of water absorbed when the solid
該プロトン伝導性ポリマーとしては、イオン性基を有するフッ素系ポリマー、イオン性基を有する炭化水素系ポリマー等が挙げられ、化学的な耐久性の点から、イオン性基を有するフッ素系ポリマーが好ましい。イオン性基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンメチド基等が挙げられる。 Examples of the proton conductive polymer include a fluorine-based polymer having an ionic group, a hydrocarbon-based polymer having an ionic group, and the like. From the viewpoint of chemical durability, a fluorine-based polymer having an ionic group is preferable. . Examples of the ionic group include a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfonemethide group.
イオン性基を有するフッ素系ポリマーとしては、化合物(1)に基づく繰り返し単位を有するポリマーを加水分解、酸型化して得られるスルホン酸基を有するポリマー(以下、ポリマーHと記す。)、基(α)を有する繰り返し単位を有するポリマー(以下、ポリマーQと記す。)が好ましく、ポリマーQがより好ましい。
CF2=CF(OCF2CFX1)m−Op−(CF2)n−SO2F ・・・(1)。
As the fluorine-based polymer having an ionic group, a polymer having a sulfonic acid group (hereinafter referred to as polymer H) obtained by hydrolyzing and acidifying a polymer having a repeating unit based on the compound (1), a group ( A polymer having a repeating unit having α) (hereinafter referred to as polymer Q) is preferred, and polymer Q is more preferred.
CF 2 = CF (OCF 2 CFX 1) m -O p - (CF 2) n -SO 2 F ··· (1).
ただし、式中の記号は下記意味を示す。
式(1)中、X1はフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0または1である。
基(α)中、Q1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Q2は、単結合またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Rf1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、aは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Yは、フッ素原子または1価のパーフルオロ有機基である。
However, the symbol in a formula shows the following meaning.
In Formula (1), X 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, and p is 0 or 1.
In the group (α), Q 1 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 2 is a perfluoro which may have a single bond or an etheric oxygen atom. An alkylene group, R f1 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, and a is a group in which X is an oxygen atom. 0 in the case, 1 in the case where X is a nitrogen atom, 2 in the case where X is a carbon atom, and Y is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group.
ポリマーH:
化合物(1)としては、化合物(11)〜(14)が好ましい。
CF2=CFO(CF2)qSO2F ・・・(11)、
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)rSO2F ・・・(12)、
CF2=CF(CF2)sSO2F ・・・(13)、
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2SO2F ・・・(14)。
ただし、qは、1〜8の整数であり、rは、1〜8の整数であり、sは、1〜8の整数であり、tは、1〜5の整数である。
Polymer H:
As the compound (1), compounds (11) to (14) are preferable.
CF 2 = CFO (CF 2 ) q SO 2 F (11),
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) r SO 2 F (12),
CF 2 = CF (CF 2 ) s SO 2 F (13),
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 SO 2 F ··· (14).
However, q is an integer of 1-8, r is an integer of 1-8, s is an integer of 1-8, and t is an integer of 1-5.
ポリマーHは、さらに、後述する他のモノマーに基づく繰り返し単位を有していてもよい。他のモノマーに基づく繰り返し単位のうち、化学的な耐久性の点から、パーフルオロモノマーに基づく繰り返し単位が好ましく、化学的な耐久性および機械的強度の点から、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位がより好ましい。
ポリマーHとしては、化学的な耐久性の点から、パーフルオロカーボンポリマーが好ましい。該パーフルオロカーボンポリマーは、エーテル性の酸素原子を有していてもよい。
The polymer H may further have a repeating unit based on another monomer described later. Among the repeating units based on other monomers, a repeating unit based on a perfluoromonomer is preferable from the viewpoint of chemical durability, and a repeating unit based on tetrafluoroethylene is preferable from the viewpoint of chemical durability and mechanical strength. More preferred.
The polymer H is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability. The perfluorocarbon polymer may have an etheric oxygen atom.
ポリマーQ:
基(α)中、Q1、Q2のパーフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、パーフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
パーフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
パーフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が多すぎると、含フッ素モノマーの沸点が高くなり、蒸留精製が難しくなる。また、炭素数が多すぎると、ポリマーQのイオン交換容量が低下する。
Polymer Q:
In the group (α), when the perfluoroalkylene group of Q 1 and Q 2 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be 1 or 2 or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkylene group may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. When there are too many carbon numbers, the boiling point of a fluorine-containing monomer will become high and distillation purification will become difficult. Moreover, when there are too many carbon numbers, the ion exchange capacity of the polymer Q will fall.
Q2は、エーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。Q2がエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であれば、Q2が単結合である場合に比べ、長期にわたって固体高分子形燃料電池を運転した際に、出力電圧の安定性に優れる。
Q1、Q2の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom. When Q 2 is a perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom, the polymer electrolyte fuel cell can be operated over a longer period than when Q 2 is a single bond. The output voltage is stable.
At least one of Q 1 and Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom. Since the fluorine-containing monomer having a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom can be synthesized without undergoing a fluorination reaction with a fluorine gas, the yield is good and the production is easy.
−SO2X(SO2Rf1)a −H+基としては、スルホン酸基(−SO3 −H+基)、スルホンイミド基(−SO2N(SO2Rf1)−H+基)、スルホンメチド基(−SO2C(SO2Rf1)2 −H+基)が挙げられる。
Rf1のパーフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。Rf1の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。Rf1としては、パーフルオロメチル基、パーフルオロエチル基等が好ましい。
スルホンメチド基の場合、2つのRf1は、同じ基であってもよく、異なる基であってもよい。
Yとしては、フッ素原子、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖状のパーフルオロアルキル基が好ましい。
The H + group, a sulfonic acid group - -SO 2 X (SO 2 R f1) a (-SO 3 - H + group), a sulfonimide group (-SO 2 N (SO 2 R f1) - H + group) , sulfonmethide group (-SO 2 C (SO 2 R f1) 2 - H + group).
The perfluoroalkyl group for R f1 may be linear or branched, and is preferably linear. The number of carbon atoms of R f1 is 1 to 6 preferably 1 to 4 is more preferred. R f1 is preferably a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group, or the like.
In the case of a sulfonemethide group, the two R f1 groups may be the same group or different groups.
Y is preferably a fluorine atom or a linear perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom.
ポリマーQは、さらに、後述する他のモノマーに基づく繰り返し単位を有していてもよい。他のモノマーに基づく繰り返し単位のうち、化学的な耐久性の点から、パーフルオロモノマーに基づく繰り返し単位が好ましく、化学的な耐久性および機械的強度の点から、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位がより好ましい。
ポリマーQとしては、化学的な耐久性の点から、パーフルオロカーボンポリマーが好ましい。該パーフルオロカーボンポリマーは、エーテル性の酸素原子を有していてもよい。
The polymer Q may further have repeating units based on other monomers described later. Among the repeating units based on other monomers, a repeating unit based on a perfluoromonomer is preferable from the viewpoint of chemical durability, and a repeating unit based on tetrafluoroethylene is preferable from the viewpoint of chemical durability and mechanical strength. More preferred.
The polymer Q is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability. The perfluorocarbon polymer may have an etheric oxygen atom.
ポリマーQは、たとえば、下記工程を経て製造できる。
(I)基(β)を有するモノマー(以下、化合物(m1)と記す。)および必要に応じて他のモノマーを重合し、−SO2F基を有する前駆体ポリマー(以下、ポリマーPと記す。)を得る工程。
The polymer Q can be manufactured through the following steps, for example.
(I) A monomer having a group (β) (hereinafter referred to as a compound (m1)) and another monomer as required, and a precursor polymer having a —SO 2 F group (hereinafter referred to as a polymer P). Step to obtain.
(II)必要に応じて、ポリマーPとフッ素ガスとを接触させ、ポリマーPの不安定末端基をフッ素化する工程。
(III)ポリマーPの−SO2F基を、スルホン酸基、スルホンイミド基、またはスルホンメチド基に変換し、ポリマーQを得る工程。
(II) A step of bringing the polymer P and fluorine gas into contact with each other as necessary to fluorinate unstable terminal groups of the polymer P.
(III) A step of obtaining a polymer Q by converting the —SO 2 F group of the polymer P into a sulfonic acid group, a sulfonimide group, or a sulfonemethide group.
(I)工程:
化合物(m1)は、たとえば、後述する<プロトン伝導性ポリマーの合成(1)>において示す合成ルートによって得ることができる。
(I) Process:
Compound (m1) can be obtained, for example, by the synthesis route shown in <Synthesis of Proton Conducting Polymer (1)> described later.
他のモノマーとしては、たとえば、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニル、エチレン、CF2=CFORf2、CH2=CHRf3、CH2=CHCH2Rf3等が挙げられる。ただし、Rf2は、エーテル性の酸素原子を含んでもよい炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基であり、Rf3は、炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基である。
他のモノマーのうち、化学的な耐久性の点から、パーフルオロモノマーが好ましく、テトラフルオロエチレンがより好ましい。
Other monomers include, for example, tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride, hexafluoropropylene, trifluoroethylene, vinyl fluoride, ethylene, CF 2 = CFOR f2 , CH 2 = CHR f3 , CH 2 = CHCH 2 R f3, and the like. However, Rf2 is a C1-C12 perfluoroalkyl group which may contain an etheric oxygen atom, and Rf3 is a C1-C12 perfluoroalkyl group.
Of the other monomers, perfluoromonomer is preferable and tetrafluoroethylene is more preferable from the viewpoint of chemical durability.
重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が挙げられる。
重合は、ラジカルが生起する条件で行われる。ラジカルを生起させる方法としては、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、開始剤を添加する方法等が挙げられる。
Examples of the polymerization method include known polymerization methods such as a bulk polymerization method, a solution polymerization method, a suspension polymerization method, and an emulsion polymerization method.
Polymerization is performed under conditions where radicals occur. Examples of the method for generating radicals include a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, γ rays, and electron beams, a method of adding an initiator, and the like.
重合温度は、通常、20〜150℃である。
開始剤としては、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられ、不安定末端基が少ない前駆体ポリマーPが得られる点から、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類等のパーフルオロ化合物が好ましい。
The polymerization temperature is usually 20 to 150 ° C.
Examples of the initiator include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkyl peroxydicarbonates, diacyl peroxides, peroxyesters, azo compounds, persulfates, and the like. Perfluoro compounds such as bis (fluoroacyl) peroxides are preferred from the viewpoint of obtaining a precursor polymer P with few unstable terminal groups.
溶液重合法にて用いる溶媒としては、ポリフルオロトリアルキルアミン化合物、パーフルオロアルカン、ハイドロフルオロアルカン、クロロフルオロアルカン、分子鎖末端に二重結合を有しないフルオロオレフィン、ポリフルオロシクロアルカン、ポリフルオロ環状エーテル化合物、ヒドロフルオロエーテル類、フッ素含有低分子量ポリエーテル、tert−ブタノール等が挙げられる。 Solvents used in the solution polymerization method include polyfluorotrialkylamine compounds, perfluoroalkanes, hydrofluoroalkanes, chlorofluoroalkanes, fluoroolefins that do not have double bonds at the molecular chain ends, polyfluorocycloalkanes, and polyfluorocyclics. Examples include ether compounds, hydrofluoroethers, fluorine-containing low molecular weight polyethers, and tert-butanol.
(II)工程:
不安定末端基とは、連鎖移動反応によって形成される基、ラジカル開始剤に基づく基等であり、具体的には、−COOH基、−CF=CF2基、−COF基、−CF2H基等である。不安定末端基をフッ素化することにより、ポリマーQの分解が抑えられる。
(II) Process:
The unstable terminal group is a group formed by a chain transfer reaction, a group based on a radical initiator, or the like. Specifically, a —COOH group, —CF═CF 2 group, —COF group, —CF 2 H Group. By fluorinating the unstable terminal groups, the decomposition of the polymer Q can be suppressed.
フッ素ガスは、窒素、ヘリウム、二酸化炭素等の不活性ガスで希釈して用いてもよく、希釈せずにそのまま用いてもよい。
ポリマーPとフッ素ガスとを接触させる際の温度は、室温〜300℃が好ましく、50〜250℃がより好ましく、100〜220℃がさらに好ましく、150〜200℃が特に好ましい。
ポリマーPとフッ素ガスとの接触時間は、1分〜1週間が好ましく、1〜50時間がより好ましい。
The fluorine gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen, helium or carbon dioxide, or may be used as it is without being diluted.
The temperature at which the polymer P and the fluorine gas are brought into contact is preferably room temperature to 300 ° C, more preferably 50 to 250 ° C, further preferably 100 to 220 ° C, and particularly preferably 150 to 200 ° C.
The contact time between the polymer P and the fluorine gas is preferably 1 minute to 1 week, and more preferably 1 to 50 hours.
(III)工程:
たとえば、−SO2F基をスルホン酸基に変換する場合は、(III−1)工程を行い、−SO2F基をスルホンイミド基に変換する場合は、(III−2)工程を行う。
(III−1)ポリマーPの−SO2F基を加水分解してスルホン酸塩とし、スルホン酸塩を酸型化してスルホン酸基に変換する工程。
(III−2)ポリマーPの−SO2F基をスルホンイミド化してスルホンイミド基に変換する工程。
(III) Process:
For example, when converting a —SO 2 F group into a sulfonic acid group, the step (III-1) is performed. When converting a —SO 2 F group into a sulfonimide group, the step (III-2) is performed.
(III-1) A step of hydrolyzing the —SO 2 F group of the polymer P to form a sulfonate, converting the sulfonate into an acid form and converting it to a sulfonate group.
(III-2) A step of sulfonating the —SO 2 F group of the polymer P to convert it to a sulfonimide group.
(III−1)工程:
加水分解は、たとえば、溶媒中にてポリマーPと塩基性化合物とを接触させて行う。
塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。溶媒としては、水、水と極性溶媒との混合溶媒等が挙げられる。極性溶媒としては、アルコール類(メタノール、エタノール等)、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
酸型化は、たとえば、−SO2F基が加水分解されたポリマーPを、塩酸、硫酸等の水溶液に接触させて行う。
加水分解および酸型化は、通常、0〜120℃にて行う。
(III-1) Step:
The hydrolysis is performed, for example, by bringing the polymer P and the basic compound into contact in a solvent.
Examples of the basic compound include sodium hydroxide and potassium hydroxide. Examples of the solvent include water, a mixed solvent of water and a polar solvent, and the like. Examples of the polar solvent include alcohols (methanol, ethanol, etc.), dimethyl sulfoxide and the like.
The acidification is performed, for example, by bringing the polymer P in which —SO 2 F group is hydrolyzed into contact with an aqueous solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid.
Hydrolysis and acidification are usually performed at 0 to 120 ° C.
(III−2)工程:
スルホンイミド化としては、米国特許第5463005号明細書に記載の方法、Inorg.Chem.32(23)、5007頁(1993年)に記載の方法等、公知の方法が挙げられる。
(III-2) Step:
As the sulfonimide, a method described in US Pat. No. 5,463,005, Inorg. Chem. 32 (23), page 5007 (1993), and the like.
炭化水素系ポリマーとしては、スルホン化ポリアリーレン、スルホン化ポリベンゾオキサゾール、スルホン化ポリベンゾチアゾール、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリフェニレンスルホン、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリフェニレンスルホキシド、スルホン化ポリフェニレンサルファイド、スルホン化ポリフェニレンスルフィドスルホン、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルケトンケトン、スルホン化ポリイミド等が挙げられる。 Hydrocarbon polymers include sulfonated polyarylene, sulfonated polybenzoxazole, sulfonated polybenzothiazole, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polysulfone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, and sulfonated polyphenylene. Examples include sulfone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyphenylene sulfoxide, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polyether ketone ketone, and sulfonated polyimide. .
固体高分子電解質膜30の厚さは、50μm以下が好ましく、5〜30μmが特に好ましい。固体高分子電解質膜30の厚さを50μm以下、特に30μm以下とすることにより、低加湿環境下での固体高分子形燃料電池の発電性能の低下がより抑えられる。固体高分子電解質膜30の厚さを5μm以上とすることにより、短絡が起きることがない。
The thickness of the solid
固体高分子電解質膜30は、必要に応じて補強材を含んでいてもよい。
補強材としては、多孔体、繊維、織布、不織布等が挙げられる。
補強材の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド等が挙げられる。
The solid
Examples of the reinforcing material include porous bodies, fibers, woven fabrics, and nonwoven fabrics.
Examples of the reinforcing material include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, and polyimide.
(触媒層)
第1の触媒層12および第2の触媒層22(以下、まとめて触媒層とも記す。)は、電極触媒およびプロトン伝導性ポリマーを含む層である。
(Catalyst layer)
The
電極触媒としては、カーボン担体に、白金または白金合金が担持された担持触媒が好適に挙げられる。
カーボン担体としては、活性炭、カーボンブラック等が挙げられる。
カーボン担体の比表面積は、200m2/g以上であることが好ましい。カーボン担体の比表面積は、BET比表面積装置により、カーボン表面への窒素吸着により測定する。
また、カーボン担体の化学的耐久性能を向上させるために、熱処理等によりグラファイト化したものが好ましい。
A preferred example of the electrode catalyst is a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support.
Examples of the carbon carrier include activated carbon and carbon black.
The specific surface area of the carbon support is preferably 200 m 2 / g or more. The specific surface area of the carbon support is measured by nitrogen adsorption on the carbon surface with a BET specific surface area apparatus.
Moreover, in order to improve the chemical durability of the carbon support, those graphitized by heat treatment or the like are preferable.
白金合金としては、白金を除く白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、金、銀、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびスズからなる群から選ばれる1種以上の金属と、白金との合金が好ましい。該白金合金には、白金と合金化される金属と、白金との金属間化合物が含まれていてもよい。
白金または白金合金の担持量は、電極触媒(100質量%)のうち、10〜70質量%が好ましい。
Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), gold, silver, chromium, iron, titanium, manganese, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc, An alloy of platinum and one or more metals selected from the group consisting of tin and platinum is preferable. The platinum alloy may contain a metal alloyed with platinum and an intermetallic compound of platinum.
The supported amount of platinum or platinum alloy is preferably 10 to 70% by mass in the electrode catalyst (100% by mass).
プロトン伝導性ポリマーとしては、固体高分子電解質膜30に含まれるプロトン伝導性ポリマーと同様のものが挙げられる。
Examples of the proton conductive polymer include those similar to the proton conductive polymer contained in the solid
プロトン伝導性ポリマーがフッ素系ポリマーの場合、電極触媒とフッ素系ポリマーとの比率(電極触媒/プロトン伝導性ポリマー)は、電極の導電性および撥水性の点から、4/6〜9.5/0.5(質量比)が好ましく、6/4〜8/2が特に好ましい。
触媒層に含まれる白金量は、電極反応を効率よく行うための最適な厚みの点から、0.01〜0.5mg/cm2が好ましく、0.05〜0.35mg/cm2がより好ましい。
When the proton conductive polymer is a fluorine-based polymer, the ratio of the electrode catalyst to the fluorine-based polymer (electrode catalyst / proton conductive polymer) is 4/6 to 9.5 / from the viewpoint of electrode conductivity and water repellency. 0.5 (mass ratio) is preferable, and 6/4 to 8/2 is particularly preferable.
Amount of platinum contained in the catalyst layer, from the viewpoint of optimum thickness for conducting an electrode reaction efficiently, preferably 0.01 to 0.5 / cm 2, more preferably 0.05~0.35mg / cm 2 .
触媒層の厚さは、触媒層中のガス拡散を容易にし、固体高分子形燃料電池の発電性能を向上させる点から、20μm以下が好ましく、1〜15μmがより好ましい。また、触媒層の厚さは、均一であることが好ましい。触媒層の厚さを薄くすると、単位面積あたりに存在する電極触媒量が少なくなって反応活性が低くなるおそれがあるが、該場合は電極触媒として白金または白金合金が高担持率で担持された担持触媒を用いれば、薄くても電極触媒量が不足することなく電極の反応活性を高く維持できる。 The thickness of the catalyst layer is preferably 20 μm or less and more preferably 1 to 15 μm from the viewpoint of facilitating gas diffusion in the catalyst layer and improving the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell. Moreover, it is preferable that the thickness of a catalyst layer is uniform. If the thickness of the catalyst layer is reduced, the amount of the electrode catalyst present per unit area may be reduced and the reaction activity may be lowered. If the supported catalyst is used, the reaction activity of the electrode can be maintained high without a shortage of the amount of the electrode catalyst even if it is thin.
触媒層は、フラッディングの抑制効果が高まる点から、撥水化剤を含んでいてもよい。撥水化剤としては、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。撥水化剤としては、触媒層を撥水化処理しやすい点から、溶媒に溶解できるフッ素系ポリマーが好ましい。
撥水化剤の量は、触媒層(100質量%)中、0.01〜30質量%が好ましい。
The catalyst layer may contain a water repellent agent from the viewpoint that the effect of suppressing flooding is enhanced. Examples of the water repellent include a copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene, a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoroalkyl vinyl ether, and polytetrafluoroethylene. As the water repellent, a fluorine-based polymer that can be dissolved in a solvent is preferable because the catalyst layer can be easily subjected to a water repellent treatment.
The amount of the water repellent agent is preferably 0.01 to 30% by mass in the catalyst layer (100% by mass).
以上説明した膜電極接合体1においては、固体高分子電解質膜30が、温度80℃、相対湿度40%の雰囲気下における導電率が0.05S/cm以上であり、固体高分子電解質膜30と第1のガス拡散層14との間の90°剥離強度が0.03N/cm以上であり、かつ、第1のガス拡散層14を80℃の温水に浸漬した際の寸法変化率が10%未満である。
膜電極接合体1は、固体高分子電解質膜30の導電率が0.05S/cm以上であるため、導電性が良好であり、高い発電性能を発現できる。
膜電極接合体1が様々な湿度環境に曝されると、固体高分子電解質膜30は、本来、該湿度環境に応じて水を含み、平面方向、厚み方向に向けて等方に寸法が変化する。湿度環境が湿潤と乾燥とを繰り返すことにより、固体高分子電解質膜30は膨潤と収縮とを繰り返し、特に平面方向の該繰り返しが機械的な疲労となって破断に至るおそれがある。
膜電極接合体1における第1のガス拡散層14は、80℃の温水に浸漬した際の寸法変化率が10%未満であるため、湿度環境が変わっても寸法変化を起こしにくいものである。そこで、該第1のガス拡散層14と固体高分子電解質膜30との間の90°剥離強度を0.03N/cm以上とすることにより、第1のガス拡散層14と固体高分子電解質膜30とが強固に接合されるため、固体高分子電解質膜30の特に平面方向の変形が抑制される。そして、固体高分子電解質膜30の変形が抑制されるため、第1の電極10と固体高分子電解質膜30との剥離が起こらない。よって、本発明の膜電極接合体1によれば、低加湿環境下においても高い発電性能を発現できると共に、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能を飛躍的に向上させることができる。
In the membrane electrode assembly 1 described above, the solid
Since the membrane electrode assembly 1 has a solid
When the membrane / electrode assembly 1 is exposed to various humidity environments, the solid
The first
なお、本発明の膜電極接合体は、図4に示すように、第1の触媒層12と第1のガス拡散層14との間、および第2の触媒層22と第2のガス拡散層24との間に、それぞれ中間層84を有するものであってもよい。中間層84を有することにより、ガス拡散層と触媒層との接合強度が高まり、それらの密着性がより高まって本発明の効果がさらに向上する。
中間層84は、第1の電極10および第2の電極20のいずれか一方の電極側にのみ設けられていてもよい。
In addition, as shown in FIG. 4, the membrane electrode assembly of the present invention is provided between the
The
中間層84としては、たとえば、プロトン伝導性ポリマーと炭素材料からなる層が挙げられる。プロトン伝導性ポリマーは、触媒層との密着性を向上させる機能を持ち、炭素材料は、ガス拡散層と触媒層との導電性を確保する機能を持つ。
該プロトン伝導性ポリマーとしては、特に限定されず、前記の固体高分子電解質膜30および触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーと同様のものが挙げられる。このように、特に触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーと同様のものを含有する中間層84を設けることにより、触媒層とガス拡散層との接合強度をより高めることができる。
Examples of the
The proton conductive polymer is not particularly limited, and examples thereof include the same proton conductive polymers as those contained in the solid
該炭素材料としては、炭素繊維が特に好ましく、微細でかつ電子伝導性を有する点から、カーボンナノファイバーが好ましい。カーボンナノファイバーとしては、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ(シングルウォール、ダブルウォール、マルチウォール、カップ積層型等)等が挙げられる。
炭素繊維の繊維径は、50〜200nmであることが好ましく、繊維長は、1〜50μmであることが好ましい。該炭素繊維を用いることにより、中間層84と触媒層との界面において、触媒層に含まれる電子伝導性物質(白金または白金合金、およびカーボン担体)に絡まり、該電子伝導性物質の点接触による導電パスに加えて新たな導電パスが発現するため、触媒層の電子伝導性が向上する。また、該炭素繊維は、該炭素繊維を含む塗工液を塗工する際、互いに絡み合って空隙を形成しやすく、該空隙がガスチャンネルとして機能する。
As the carbon material, carbon fiber is particularly preferable, and carbon nanofiber is preferable because it is fine and has electron conductivity. Examples of the carbon nanofiber include vapor grown carbon fiber, carbon nanotube (single wall, double wall, multiwall, cup laminated type, etc.) and the like.
The fiber diameter of the carbon fiber is preferably 50 to 200 nm, and the fiber length is preferably 1 to 50 μm. By using the carbon fiber, at the interface between the
炭素材料とプロトン伝導性ポリマーとの比率(炭素材料/プロトン伝導性ポリマー)は、1/0.1〜1/5(質量比)が好ましく、1/0.2〜1/1がより好ましい。該範囲とすることにより、炭素材料の分散性、中間層84とガス拡散層との密着性、中間層84のガス拡散性および排水性が良好となる。
The ratio of the carbon material to the proton conductive polymer (carbon material / proton conductive polymer) is preferably 1 / 0.1 to 1/5 (mass ratio), more preferably 1 / 0.2 to 1/1. By setting this range, the dispersibility of the carbon material, the adhesion between the
中間層84の厚さは、2〜20μmが好ましい。該範囲とすることにより、中間層84とガス拡散層との密着性が良好となり、また、ガス拡散層と触媒層との接触抵抗が充分小さくでき、また、膜電極接合体1を薄くできる。
The thickness of the
固体高分子形燃料電池においては、カソード側の触媒層内では水(水蒸気)が生成し、該水は触媒層と隣接して配置されるガス拡散層を通って系外に排出される。触媒層とガス拡散層との間に、炭素繊維を主体とする中間層84を設けることにより、水が毛細管現象によって触媒層から中間層84へと速やかに移動し、固体高分子形燃料電池運転時のフラッディングの問題が解消されやすくなる。
In the polymer electrolyte fuel cell, water (water vapor) is generated in the catalyst layer on the cathode side, and the water is discharged out of the system through a gas diffusion layer disposed adjacent to the catalyst layer. By providing the
<固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法>
本発明の膜電極接合体1の製造方法は、第1のガス拡散層14上に形成された第1の触媒層12と前記固体高分子電解質膜30とを接合する方法、または、固体高分子電解質膜30上に形成された第1の触媒層12と第1のガス拡散層14とを接合する方法である。
<Method for Producing Membrane Electrode Assembly for Solid Polymer Fuel Cell>
The manufacturing method of the membrane electrode assembly 1 of the present invention includes a method of bonding the
膜電極接合体1の製造方法としては、具体的には以下の方法が挙げられる。
(I)第1のガス拡散層14上に形成された第1の触媒層12、および第2のガス拡散層24上に形成された第2の触媒層22と、固体高分子電解質膜30とをそれぞれ接合する方法。
(II)固体高分子電解質膜30上にそれぞれ形成された第1の触媒層12および第2の触媒層22と、第1のガス拡散層14および第2のガス拡散層24とをそれぞれ接合する方法。
Specifically as a manufacturing method of the membrane electrode assembly 1, the following method is mentioned.
(I) the
(II) The
[(I)の方法]
(I)の方法としては、たとえば、以下の(I−1)〜(I−4)工程を有する方法が挙げられる。図5を参照しながら説明する。
(I−1)別途用意した基材(以下、「剥離基材」という。)の表面に固体高分子電解質膜30を形成する工程。
(I−2)第1のガス拡散層14および第1の触媒層12からなる第1の中間体50(すなわち、第1の電極10)を作製する工程。
(I−3)第2のガス拡散層24および第2の触媒層22からなる第2の中間体60(すなわち、第2の電極20)を作製する工程。
(I−4)第1のガス拡散層14と固体高分子電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置し、かつ、第2のガス拡散層24と固体高分子電解質膜30との間に第2の触媒層22が位置するように、第1の中間体50と固体高分子電解質膜30と第2の中間体60とを接合し、膜電極接合体1とする工程。
[Method (I)]
Examples of the method (I) include a method having the following steps (I-1) to (I-4). This will be described with reference to FIG.
(I-1) A step of forming the solid
(I-2) The process of producing the 1st intermediate body 50 (namely, 1st electrode 10) which consists of the 1st
(I-3) The process of producing the 2nd intermediate body 60 (namely, 2nd electrode 20) which consists of the 2nd
(I-4) The
(I−1)工程:
固体高分子電解質膜30は、剥離基材の表面に、プロトン伝導性ポリマーを含む液状組成物を塗工して、乾燥させることにより形成できる。特に、固体高分子電解質膜30は、剥離基材の表面に、プロトン伝導性ポリマーが分散媒に分散された液状組成物をキャストして形成されることが好ましく、該キャストした後にさらに熱処理して形成されることがより好ましい。これにより、薄膜で、かつ、均一な厚さを有する固体高分子電解質膜30が得られやすくなる。
(I-1) Process:
The solid
剥離基材としては、樹脂フィルムが挙げられる。
樹脂フィルムの材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の非フッ素系樹脂;ポリテトラフルオロエチレン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、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−ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂が挙げられる。
非フッ素系樹脂フィルムは、離型剤で表面処理されていることが好ましい。
A resin film is mentioned as a peeling base material.
Resin film materials include non-fluorinated resins such as polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, and polyimide; polytetrafluoroethylene, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoro Examples thereof include fluorine-containing resins such as ethylene-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymers and polyvinylidene fluoride.
The non-fluorinated resin film is preferably surface-treated with a release agent.
液状組成物は、プロトン伝導性ポリマーを、溶媒に溶解、または分散媒に分散させることにより調製される。
液状組成物としては、プロトン伝導性ポリマーが分散媒に分散された分散液であることが好ましい。
分散媒としては、水酸基を有する有機溶媒および水を含む分散媒が好ましい。
水酸基を有する有機溶媒としては、主鎖の炭素数が1〜4のアルコールが好ましく、たとえば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、tert−ブタノール、n−ブタノール等が挙げられる。水酸基を有する有機溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
分散媒は、含フッ素溶媒を含んでいてもよい。
含フッ素溶媒としては、たとえば、下記化合物が挙げられる。
ヒドロフルオロカーボン:2H−パーフルオロプロパン、1H,4H−パーフルオロブタン、2H,3H−パーフルオロペンタン、3H,4H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)、2H,5H−パーフルオロヘキサン、3H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)等。
フルオロカーボン:パーフルオロ(1,2−ジメチルシクロブタン)、パーフルオロクタン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロヘキサン等。
ヒドロクロロフルオロカーボン:1,1−ジクロロ−1−フルオロエタン、1,1,1−トリフルオロ−2,2−ジクロロエタン、3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン等。
フルオロエーテル:1H,4H,4H−パーフルオロ(3−オキサペンタン)、3−メトキシ−1,1,1,2,3,3−ヘキサフルオロプロパン等。
含フッ素アルコール:2,2,2−トリフルオロエタノール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール等。
The liquid composition is prepared by dissolving the proton conductive polymer in a solvent or dispersing it in a dispersion medium.
The liquid composition is preferably a dispersion in which a proton conductive polymer is dispersed in a dispersion medium.
As the dispersion medium, a dispersion medium containing an organic solvent having a hydroxyl group and water is preferable.
The organic solvent having a hydroxyl group is preferably an alcohol having 1 to 4 carbon atoms in the main chain, and examples thereof include methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, tert-butanol, and n-butanol. The organic solvent which has a hydroxyl group may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for it.
The dispersion medium may contain a fluorine-containing solvent.
Examples of the fluorine-containing solvent include the following compounds.
Hydrofluorocarbon: 2H-perfluoropropane, 1H, 4H-perfluorobutane, 2H, 3H-perfluoropentane, 3H, 4H-perfluoro (2-methylpentane), 2H, 5H-perfluorohexane, 3H-perfluoro (2-methylpentane) and the like.
Fluorocarbon: perfluoro (1,2-dimethylcyclobutane), perfluorooctane, perfluoroheptane, perfluorohexane and the like.
Hydrochlorofluorocarbon: 1,1-dichloro-1-fluoroethane, 1,1,1-trifluoro-2,2-dichloroethane, 3,3-dichloro-1,1,1,2,2-pentafluoropropane, 1,3-dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane and the like.
Fluoroether: 1H, 4H, 4H-perfluoro (3-oxapentane), 3-methoxy-1,1,1,2,3,3-hexafluoropropane and the like.
Fluorine-containing alcohol: 2,2,2-trifluoroethanol, 2,2,3,3,3-pentafluoro-1-propanol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol, etc. .
液状組成物中の水酸基を有する有機溶媒の割合は、分散媒(100質量%)のうち、1〜90質量%が好ましく、1〜60質量%がより好ましい。
液状組成物中の水の割合は、分散媒(100質量%)のうち、10〜99質量%が好ましく、40〜99質量%がより好ましい。水の割合を増やすことにより、分散媒に対するプロトン伝導性ポリマーの分散性を向上できる。
液状組成物中のプロトン伝導性ポリマーの割合は、液状組成物(100質量%)のうち、1〜50質量%が好ましく、3〜30質量%がより好ましい。
The proportion of the organic solvent having a hydroxyl group in the liquid composition is preferably 1 to 90% by mass and more preferably 1 to 60% by mass in the dispersion medium (100% by mass).
The proportion of water in the liquid composition is preferably from 10 to 99 mass%, more preferably from 40 to 99 mass%, in the dispersion medium (100 mass%). By increasing the proportion of water, the dispersibility of the proton conductive polymer in the dispersion medium can be improved.
1-50 mass% is preferable among liquid compositions (100 mass%), and, as for the ratio of the proton conductive polymer in a liquid composition, 3-30 mass% is more preferable.
液状組成物の調製方法としては、大気圧下、またはオートクレーブ等で密閉した状態下において、分散媒中のプロトン伝導性ポリマーにせん断を加える方法が挙げられる。
調製温度は、0〜250℃が好ましく、20〜150℃がより好ましい。必要に応じて、超音波等のせん断を付与してもよい。
Examples of the method for preparing the liquid composition include a method in which shear is applied to the proton conductive polymer in the dispersion medium under atmospheric pressure or in a state sealed with an autoclave or the like.
The preparation temperature is preferably 0 to 250 ° C, more preferably 20 to 150 ° C. You may provide shearing, such as an ultrasonic wave, as needed.
塗工方法は、特に限定されず、バッチ式の方法または連続式の方法が挙げられる。
バッチ式の方法としては、バーコータ法、スピンコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
連続式の方法としては、後計量法、前計量法が挙げられる。後計量法は、過剰の塗工液を塗工し、後から所定の膜圧となるように塗工液を除去する方法である。前計量法は、所定の膜厚を得るのに必要な量の塗工液を塗工する方法である。
後計量法としては、エアドクタコータ法、ブレードコータ法、ロッドコータ法、ナイフコータ法、スクイズコータ法、含浸コータ法、コンマコータ法等があげられる。
前計量法としては、ダイコータ法、リバースロールコータ法、トランスファロールコータ法、グラビアコータ法、キスロールコータ法、キャストコータ法、スプレイコータ法、カーテンコータ法、カレンダコータ法、押出コータ法等が挙げられる。
均一な固体高分子電解質膜30を形成するためには、スクリーン印刷法またはダイコータ法が好ましく、経済性を考慮すると連続式のダイコータ法がより好ましい。
The coating method is not particularly limited, and examples thereof include a batch method and a continuous method.
Examples of the batch method include a bar coater method, a spin coat method, and a screen printing method.
Examples of the continuous method include a post-measuring method and a pre-measuring method. The post-measuring method is a method in which an excess coating solution is applied and the coating solution is removed so that a predetermined film pressure is obtained later. The pre-weighing method is a method of applying a coating liquid in an amount necessary to obtain a predetermined film thickness.
Examples of the post-measuring method include an air doctor coater method, a blade coater method, a rod coater method, a knife coater method, a squeeze coater method, an impregnation coater method, and a comma coater method.
Examples of the pre-weighing method include die coater method, reverse roll coater method, transfer roll coater method, gravure coater method, kiss roll coater method, cast coater method, spray coater method, curtain coater method, calendar coater method, extrusion coater method, etc. It is done.
In order to form the uniform solid
液状組成物を塗工した後の乾燥温度は、70〜170℃が好ましい。
熱処理の温度は、130〜220℃が好ましい。熱処理の温度が低すぎると、プロトン伝導性ポリマーの種類によっては、ポリマー骨格が安定せず、本来の含水率より高い含水率になるおそれがある。熱処理の温度が高すぎると、イオン性基の熱分解が始まり、本来の含水率より低い含水率になるおそれがある。
The drying temperature after coating the liquid composition is preferably 70 to 170 ° C.
As for the temperature of heat processing, 130-220 degreeC is preferable. If the temperature of the heat treatment is too low, depending on the type of proton conductive polymer, the polymer skeleton may not be stable, and the moisture content may be higher than the original moisture content. If the temperature of the heat treatment is too high, thermal decomposition of the ionic group starts and there is a possibility that the moisture content is lower than the original moisture content.
(I−2)工程:
第1のガス拡散層14上に第1の触媒層12を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、第1のガス拡散層14上に、電極触媒とプロトン伝導性ポリマーとを含む第1の触媒層形成用塗布液を塗工し乾燥して形成する方法が好ましく、該触媒層形成用塗布液を塗工し乾燥した後に熱処理して形成する方法がより好ましい。
これにより、第1のガス拡散層14と第1の触媒層12とを高い接合強度で接合できるため、固体高分子電解質膜30の変形が抑制され、本発明の効果がより得られやすくなる。
(I-2) Step:
The method for forming the
Thereby, since the 1st
第1のガス拡散層14としては、カーボンファイバーの織布、カーボンぺーパー、カーボンフェルト等の導電性材料をそのまま用いることができる。
第1のガス拡散層14の表面にカーボンを主成分とする多孔層(表面処理層)を有している場合、該多孔層は、第1の触媒層12側に配置されることが好ましい。
As the first
When the surface of the first
第1の触媒層形成用塗布液は、電極触媒およびプロトン伝導性ポリマーを分散媒に分散させた分散液である。
分散媒としては、前記液状組成物における分散媒と同様のものが挙げられる。
該触媒層形成用塗布液は、たとえば、前記液状組成物と、電極触媒の分散液とを混合することにより調製できる。
該触媒層形成用塗布液の粘度は、第1の触媒層12の形成方法によって異なるため、数十cP程度の分散液であってもよく、20000cP程度のペースト状の分散液であってもよい。
また、該触媒層形成用塗布液は、粘度を調節するために、増粘剤を含んでいてもよい。該増粘剤としては、エチルセルロース、メチルセルロース、セロソルブ系増粘剤、フッ素系溶剤(5フッ化プロパノール、フロン等)が挙げられる。
The first catalyst layer forming coating solution is a dispersion in which an electrode catalyst and a proton conductive polymer are dispersed in a dispersion medium.
Examples of the dispersion medium include those similar to the dispersion medium in the liquid composition.
The coating liquid for forming the catalyst layer can be prepared, for example, by mixing the liquid composition and the electrode catalyst dispersion.
Since the viscosity of the coating solution for forming the catalyst layer varies depending on the method of forming the
Further, the catalyst layer forming coating solution may contain a thickener in order to adjust the viscosity. Examples of the thickener include ethyl cellulose, methyl cellulose, cellosolve thickener, and fluorinated solvents (pentafluoropropanol, chlorofluorocarbon, etc.).
塗工方法は、特に限定されず、前記固体高分子電解質膜30における液状組成物の塗工方法と同様の方法が用いられる。
乾燥温度は、70〜170℃が好ましい。
熱処理温度は、130〜220℃が好ましい。熱処理の温度が低すぎると、プロトン伝導性ポリマーの種類によっては、ポリマー骨格が安定せず、本来の含水率より高い含水率になるおそれがある。また、熱処理の温度が高すぎると、イオン性基の熱分解が始まり、本来の含水率より低い含水率になるおそれがある。しかし、熱処理の温度によっては、触媒のカーボン担体が酸化分解するおそれがある。よって、熱処理は、窒素雰囲気下、減圧下、またはプレス等の圧力で触媒層中の酸素を減らした環境下で行うことが好ましい。また、酸化分解を抑制するために、カーボン担体として、熱処理等でグラファイト化されたカーボン担体を用いてもよい。
The coating method is not particularly limited, and the same method as the coating method of the liquid composition in the solid
The drying temperature is preferably 70 to 170 ° C.
The heat treatment temperature is preferably 130 to 220 ° C. If the temperature of the heat treatment is too low, depending on the type of proton conductive polymer, the polymer skeleton may not be stable, and the moisture content may be higher than the original moisture content. On the other hand, if the temperature of the heat treatment is too high, thermal decomposition of the ionic group starts, and the moisture content may be lower than the original moisture content. However, depending on the temperature of the heat treatment, the carbon support of the catalyst may be oxidatively decomposed. Accordingly, the heat treatment is preferably performed in a nitrogen atmosphere, under reduced pressure, or in an environment in which oxygen in the catalyst layer is reduced by pressure such as pressing. In order to suppress oxidative decomposition, a carbon support graphitized by heat treatment or the like may be used as the carbon support.
(I−3)工程:
第2のガス拡散層24上に第2の触媒層22を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、第2のガス拡散層24上に、電極触媒とプロトン伝導性ポリマーとを含む第2の触媒層形成用塗布液を塗工し乾燥して形成する方法が好ましく、該触媒層形成用塗布液を塗工し乾燥した後に熱処理して形成する方法がより好ましい。
これにより、第2のガス拡散層24と第2の触媒層22とを高い接合強度で接合できるため、固体高分子電解質膜30の変形が抑制され、本発明の効果がより得られやすくなる。
具体的な作製方法は、(I−2)工程において、第1の触媒層形成用塗布液を第2の触媒層形成用塗布液に変更する以外は、(I−2)工程と同様の作製方法とすればよい。
(I-3) Step:
A method for forming the
Thereby, since the 2nd
The specific production method is the same as that in the step (I-2) except that in the step (I-2), the first catalyst layer forming coating solution is changed to the second catalyst layer forming coating solution. It should be a method.
(I−4)工程:
接合方法としては、熱プレス法、熱ロールプレス、超音波融着等が挙げられ、面内の均一性の点から、熱プレス法が好ましい。
プレス機内のプレス板の温度は、100〜150℃が好ましく、プレス圧力は、0.5〜2.0MPaが好ましい。
(I-4) Step:
Examples of the bonding method include a hot press method, a hot roll press, ultrasonic fusion, and the like, and the hot press method is preferable from the viewpoint of in-plane uniformity.
The temperature of the press plate in the press machine is preferably 100 to 150 ° C., and the press pressure is preferably 0.5 to 2.0 MPa.
[(II)の方法]
(II)の方法としては、たとえば、以下の(II−1)〜(II−4)工程を有する方法が挙げられる。図6を参照しながら説明する。
(II−1)別途用意した剥離基材の表面に固体高分子電解質膜30を形成する工程。
(II−2)固体高分子電解質膜30の一方の面に第1の触媒層12を形成して、固体高分子電解質膜30および第1の触媒層12からなる第1の中間体50を作製する工程。
(II−3)第1の中間体50から剥離基材を剥離し、第1の触媒層12とは反対側の固体高分子電解質膜30の面に第2の触媒層22を形成して、第1の触媒層12、固体高分子電解質膜30、および第2の触媒層22からなる第2の中間体60を作製する工程。
(II−4)第1のガス拡散層14と固体高分子電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置し、かつ、第2のガス拡散層24と固体高分子電解質膜30との間に第2の触媒層22が位置するように、第1のガス拡散層14と第2の中間体60と第2のガス拡散層24とを接合し、膜電極接合体1とする工程。
[Method (II)]
Examples of the method (II) include a method having the following steps (II-1) to (II-4). This will be described with reference to FIG.
(II-1) A step of forming the solid
(II-2) The
(II-3) peeling the release substrate from the first intermediate 50, forming the
(II-4) The
(II−1)工程:
(I−1)工程と同様にして行えばよい。
(II-1) Step:
What is necessary is just to carry out like the (I-1) process.
(II−2)工程:
固体高分子電解質膜30の一方の面に第1の触媒層12を形成する方法としては、特に限定されず、たとえば以下の方法により形成できる。
1)第1の触媒層形成用塗布液を適当な剥離基材上に塗工し、乾燥、熱処理した後に、固体高分子電解質膜30上に転写する方法。
2)第1の触媒層形成用塗布液を固体高分子電解質膜30上に塗工し、乾燥、熱処理する方法。
前記2つの方法において、第1の触媒層形成用塗布液を塗工した後の乾燥温度、並びに熱処理の温度および条件は、(I−2)工程と同様の温度および条件とすればよい。
特に、2)の方法は、固体高分子電解質膜30と第1の触媒層12とを高い接合強度で接合できるため、固体高分子電解質膜30の変形が抑制され、本発明の効果がより得られやすくなるため、好ましい。
(II-2) Step:
The method for forming the
1) A method in which the first catalyst layer forming coating solution is applied onto an appropriate release substrate, dried and heat-treated, and then transferred onto the solid
2) A method in which the first catalyst layer forming coating solution is applied onto the solid
In the two methods, the drying temperature after applying the first catalyst layer forming coating solution and the temperature and conditions of the heat treatment may be the same as those in the step (I-2).
Particularly, in the method 2), since the solid
(II−3)工程:
第2の中間体60は、第1の中間体50から剥離基材を剥離し、第1の触媒層12とは反対側の固体高分子電解質膜30の面に第2の触媒層22を形成することにより作製される。
固体高分子電解質膜30の面に第2の触媒層22を形成する方法および条件は、(II−2)工程において、第1の触媒層形成用塗布液を第2の触媒層形成用塗布液に変更する以外は、(II−2)工程と同様の方法および条件とすればよい。
なお、(II−2)工程において1)の方法を用いる場合、第1の中間体50を経ずに、固体高分子電解質膜30から剥離基材を剥離し、固体高分子電解質膜30のそれぞれの面に、第1の触媒層12と第2の触媒層22を同時に転写して第2の中間体60を直接作製することもできる。
また、(II−2)工程において、固体高分子電解質膜30の一方の面に第2の触媒層22を先に形成し、(II−3)工程において、第2の触媒層22とは反対側の固体高分子電解質膜30の面に第1の触媒層12を後で形成してもよい。
(II-3) Step:
The second intermediate 60 peels the release substrate from the first intermediate 50 and forms the
The method and conditions for forming the
When the method 1) is used in the step (II-2), the release substrate is peeled off from the solid
In the step (II-2), the
(II−4)工程:
第1のガス拡散層14および第2のガス拡散層24の作製方法は、(I−2)工程と同様の方法、条件とすればよい。
また、接合方法および条件は、(I−4)工程と同様の方法、条件とすればよい。
(II-4) Step:
The manufacturing method of the first
The joining method and conditions may be the same methods and conditions as in step (I-4).
また、本発明の製造方法により製造される膜電極接合体においては、ガス拡散層と触媒層との接合強度を高めて両者の密着性をより向上させるため、図4に示すように、ガス拡散層と触媒層との間に中間層84を設けることができる。特に、ガス拡散層と触媒層とを熱プレス等により貼り合わせる際、該中間層84を設けることが好ましい。
図4に示す膜電極接合体は、前記の製造方法((I−2)、(I−3)または(II−4))において、たとえば、予めガス拡散層の触媒層側の面に中間層84を設けた、ガス拡散層と中間層84とからなる積層体を用いることにより製造できる。
中間層84は、たとえば、炭素粒子または炭素繊維と、前記液状組成物とを混合して調製される中間層形成用塗布液を、ガス拡散層上に塗工して乾燥することにより形成できる。
Further, in the membrane electrode assembly manufactured by the manufacturing method of the present invention, in order to increase the bonding strength between the gas diffusion layer and the catalyst layer and improve the adhesion between them, as shown in FIG. An
The membrane / electrode assembly shown in FIG. 4 is obtained by, for example, previously forming an intermediate layer on the surface of the gas diffusion layer on the catalyst layer side in the production method ((I-2), (I-3) or (II-4)). 84, and can be manufactured by using a laminate composed of a gas diffusion layer and an
The
<固体高分子形燃料電池>
本発明の膜電極接合体1の両面に、たとえばガスの流路となる溝100が形成されたセパレータ80を配置することにより、図7に示すような固体高分子形燃料電池が得られる。
セパレータ80としては、金属製セパレータ、カーボン製セパレータ、黒鉛と樹脂を混合した材料からなるセパレータ等、各種導電性材料からなるセパレータが挙げられる。
該固体高分子形燃料電池においては、カソードに酸素を含むガス、アノードに水素を含むガスを供給することにより、発電が行われる。また、アノードにメタノールを供給して発電を行うメタノール燃料電池にも、本発明の膜電極接合体1を適用できる。
<Solid polymer fuel cell>
By disposing, for example,
Examples of the
In the polymer electrolyte fuel cell, power is generated by supplying a gas containing oxygen to the cathode and a gas containing hydrogen to the anode. The membrane electrode assembly 1 of the present invention can also be applied to a methanol fuel cell that generates power by supplying methanol to the anode.
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。
例1、3、4は実施例であり、例2、5、6は比較例である。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Examples 1, 3, and 4 are examples, and examples 2, 5, and 6 are comparative examples.
(イオン交換容量)
ポリマーのイオン交換容量は、下記方法により求めた。
ポリマーを、水およびメタノールを溶媒とする一定濃度の水酸化ナトリウム溶液に浸漬して加水分解し、該溶液を逆滴定することによりイオン交換容量を求めた。
(Ion exchange capacity)
The ion exchange capacity of the polymer was determined by the following method.
The polymer was immersed in a fixed concentration sodium hydroxide solution using water and methanol as a solvent for hydrolysis, and the ion exchange capacity was determined by back titrating the solution.
(TQ値)
TQ値(単位:℃)は、ポリマーの分子量の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマーの溶融押出しを行った際の押出し量が100mm3/秒となる温度である。
フローテスタCFT−500A(島津製作所社製)を用い、温度を変えてポリマーの押出し量を測定し、押出し量が100mm3/秒となるTQ値を求めた。
(TQ value)
The TQ value (unit: ° C.) is an index of the molecular weight of the polymer, and the extrusion amount when the polymer is melt-extruded under the condition of the extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm is 100 mm. The temperature is 3 / sec.
Using a flow tester CFT-500A (manufactured by Shimadzu Corporation), the extrusion amount of the polymer was measured while changing the temperature, and the TQ value at which the extrusion amount was 100 mm 3 / second was determined.
(導電率)
ポリマーの導電率は、下記方法により求めた。
ポリマーからなる5mm幅のフィルムに、5mm間隔で4端子電極が配置された基板を密着させ、公知の4端子法により、温度80℃、相対湿度40%の恒温恒湿条件下にて交流10kHz、1Vの電圧でフィルムの抵抗を測定し、該結果から導電率を算出した。
(conductivity)
The conductivity of the polymer was determined by the following method.
A substrate on which 4 terminal electrodes are arranged at intervals of 5 mm is adhered to a 5 mm width film made of a polymer, and an alternating current of 10 kHz under a constant temperature and humidity condition of a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 40% by a known 4 terminal method, The resistance of the film was measured at a voltage of 1 V, and the conductivity was calculated from the result.
(含水率)
ポリマーの含水率は、下記方法により求めた。
ポリマーを80℃の温水中に16時間浸漬した後、温水ごとポリマーを室温まで冷却した。水中よりポリマーを取り出し、表面に付着した水滴をふき取り、直ちにポリマーの含水時の質量を測定した。ついで、該ポリマーをグローブボックス中に入れ、乾燥窒素を流した雰囲気中に24時間以上放置し、ポリマーを乾燥させた。そして、グローブボックス中でポリマーの乾燥質量を測定した。ポリマーの含水時の質量と乾燥質量との差から、ポリマーが含水時に吸収する水の質量を求めた。そして、下式よりポリマーの含水率を求めた。
含水率=(ポリマーが含水時に吸収する水の質量/ポリマーの乾燥質量)×100
(Moisture content)
The water content of the polymer was determined by the following method.
After the polymer was immersed in warm water at 80 ° C. for 16 hours, the polymer was cooled to room temperature together with the warm water. The polymer was taken out from the water, water droplets adhering to the surface were wiped off, and the mass of the polymer when it was wet was measured immediately. Then, the polymer was put in a glove box and left in an atmosphere of flowing dry nitrogen for 24 hours or more to dry the polymer. And the dry mass of the polymer was measured in the glove box. From the difference between the weight of the polymer when wet and the dry weight, the weight of water absorbed by the polymer when wet was determined. And the moisture content of the polymer was calculated | required from the following Formula.
Moisture content = (mass of water absorbed when polymer is hydrated / dry mass of polymer) × 100
〔90°剥離試験〕
固体高分子電解質膜と、カソードまたはアノードのガス拡散層との間の90°剥離強度は、膜電極接合体の製造方法に応じて、前記の90°剥離試験(I)または90°剥離試験(II)を行って求めた。
両面テープには、NW−20(商品名:ナイスタック、ニチバン製)を用いた。
片面テープには、カプトン粘着テープ(商品名:カプトン粘着テープ No.6564S #25、寺岡製作所製)を用いた。
引張り試験機には、RTE−1210(製品名:万能試験機(テンシロン)、オリエンテック社製)を用いた。
[90 ° peel test]
The 90 ° peel strength between the solid polymer electrolyte membrane and the cathode or anode gas diffusion layer depends on the 90 ° peel test (I) or 90 ° peel test ( Determined by performing II).
NW-20 (trade name: Nystack, manufactured by Nichiban) was used as the double-sided tape.
For the single-sided tape, Kapton adhesive tape (trade name: Kapton adhesive tape No. 6564S # 25, manufactured by Teraoka Seisakusho) was used.
As the tensile tester, RTE-1210 (product name: universal tester (Tensilon), manufactured by Orientec Co., Ltd.) was used.
〔ガス拡散層の寸法変化率〕
ガス拡散層の寸法変化率は、下記(手順1)〜(手順4)により求めた。
(手順1)ガス拡散層について、温度25℃、相対湿度50%の雰囲気下に16時間以上置いた後、寸法(a)を計測した。
(手順2)次に、該ガス拡散層を80℃の温水に16時間浸漬した。
(手順3)その後、該ガス拡散層を温水に浸漬した状態で室温まで冷却し、水中から取り出して寸法(b)を計測した。
(手順4)下式から寸法変化率を算出した。
寸法変化率(%)=[寸法(b)−寸法(a)]/寸法(a)×100
[Dimensional change rate of gas diffusion layer]
The dimensional change rate of the gas diffusion layer was determined by the following (Procedure 1) to (Procedure 4).
(Procedure 1) The gas diffusion layer was placed in an atmosphere at a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50% for 16 hours or more, and then the dimension (a) was measured.
(Procedure 2) Next, the gas diffusion layer was immersed in warm water at 80 ° C. for 16 hours.
(Procedure 3) Thereafter, the gas diffusion layer was cooled to room temperature in a state of being immersed in warm water, taken out from the water, and dimension (b) was measured.
(Procedure 4) The dimensional change rate was calculated from the following equation.
Dimensional change rate (%) = [dimension (b) −dimension (a)] / dimension (a) × 100
〔発電特性〕
発電特性の試験は、下記方法により行った。
膜電極接合体を発電用セルに組み込み、膜電極接合体の温度を80℃に維持し、アノードに水素(利用率50%)、カソードに空気(利用率50%)を、それぞれ200kPa(絶対圧力)に加圧して供給した。ガスの加湿度を、水素を相対湿度50%、空気を相対湿度0%にし、電流密度が1.0A/cm2のときのセル電圧をそれぞれ記録した。
[Power generation characteristics]
The power generation characteristics were tested by the following method.
The membrane / electrode assembly is incorporated into a power generation cell, the temperature of the membrane / electrode assembly is maintained at 80 ° C., hydrogen (
〔湿潤−乾燥サイクル試験〕
湿潤−乾燥サイクル試験は、前記非特許文献1に記載の方法に準じ、下記方法により行った。
膜電極接合体を発電用セル(電極面積25cm2)に組み込み、セル温度80℃、アノードおよびカソードにそれぞれ窒素を1L/minで供給した。その際に、ガスの加湿度をアノードおよびカソード共に相対湿度150%にして2分間供給した後、相対湿度0%にして2分間供給する工程を1サイクルとして繰り返した。100サイクルごとに、アノードとカソードとの間に圧力差を生じさせ、物理的なガスリークの有無を判定した。ガスリークが生じ、かつ、ガスクロスオーバー速度が10sccm以上になった時点を寿命と判断した。該時点におけるサイクル数を耐久性能の指標とした。
サイクル数が10000サイクル未満を×、10000サイクル以上20000サイクル未満を△、20000サイクル以上を○とした。
[Wet-dry cycle test]
The wet-dry cycle test was performed by the following method according to the method described in Non-Patent Document 1.
The membrane electrode assembly was incorporated into a power generation cell (electrode area 25 cm 2 ), and the cell temperature was 80 ° C., and nitrogen was supplied to the anode and cathode at 1 L / min. At that time, the process of supplying the gas with a relative humidity of 150% and supplying the humidified gas for 2 minutes at a relative humidity of 0% was repeated as one cycle. Every 100 cycles, a pressure difference was produced between the anode and the cathode, and the presence or absence of a physical gas leak was determined. The point of time when gas leak occurred and the gas crossover speed became 10 sccm or more was judged as the life. The number of cycles at that time was used as an index of durability performance.
When the number of cycles is less than 10,000 cycles, × is defined as 10000 cycles or more and less than 20000 cycles, and ○ is set as 20,000 cycles or more.
<プロトン伝導性ポリマーの合成(1)>
以下に示す合成ルートにより化合物(m11)を合成し、該化合物(m11)を用いてプロトン伝導性ポリマー(共重合体A)を合成した。
<Synthesis of proton conducting polymer (1)>
A compound (m11) was synthesized by the synthesis route shown below, and a proton conductive polymer (copolymer A) was synthesized using the compound (m11).
化合物(a1)の合成:
特開昭57−176973号公報の実施例2に記載の方法と同様にして、化合物(a1)を合成した。
Synthesis of compound (a1):
Compound (a1) was synthesized in the same manner as described in Example 2 of JP-A-57-176773.
化合物(c1)の合成:
ジムロート冷却管、温度計、滴下ロート、および撹拌翼付きガラス棒を備えた300cm3の4口丸底フラスコに、窒素雰囲気下、フッ化カリウム(森田化学社製、商品名:クロキャットF)1.6gおよびジメトキシエタン15.9gを入れた。ついで、丸底フラスコを氷浴で冷却して、滴下ロートより化合物(b1)49.1gを32分かけて、内温10℃以下で滴下した。滴下終了後、滴下ロートより化合物(a1)82.0gを15分かけて滴下した。内温上昇はほとんど観測されなかった。滴下終了後、内温を室温に戻して約90時間撹拌した。分液ロートで下層を回収した。回収量は127.6gであり、GC純度は55%であった。回収液を200cm3の4口丸底フラスコに移して、蒸留を実施した。減圧度1.0〜1.1kPa(絶対圧)の留分として化合物(c1)97.7gを得た。GC純度は98%であり、収率は80%であった。
Synthesis of compound (c1):
To a 300 cm 3 four-necked round bottom flask equipped with a Dimroth condenser, thermometer, dropping funnel, and glass rod with stirring blade, potassium fluoride (made by Morita Chemical Co., Ltd., trade name: Crocat F) 1 under a nitrogen atmosphere .6 g and 15.9 g of dimethoxyethane were added. Next, the round bottom flask was cooled in an ice bath, and 49.1 g of compound (b1) was added dropwise from the dropping funnel over 32 minutes at an internal temperature of 10 ° C. or lower. After the completion of dropping, 82.0 g of the compound (a1) was added dropwise over 15 minutes from the dropping funnel. Little increase in internal temperature was observed. After completion of the dropwise addition, the internal temperature was returned to room temperature and stirred for about 90 hours. The lower layer was collected with a separatory funnel. The recovered amount was 127.6 g and the GC purity was 55%. The recovered liquid was transferred to a 200 cm 3 4-neck round bottom flask and distilled. 97.7 g of compound (c1) was obtained as a fraction having a degree of vacuum of 1.0 to 1.1 kPa (absolute pressure). The GC purity was 98% and the yield was 80%.
化合物(d1)の合成:
200cm3のステンレス製オートクレーブに、フッ化カリウム(森田化学社製、商品名:クロキャットF)1.1gを入れた。脱気後、減圧下で、オートクレーブにジメトキシエタン5.3g、アセトニトリル5.3gおよび化合物(c1)95.8gを入れた。
ついで、オートクレーブを氷浴で冷却して、内温0〜5℃にて、ヘキサフルオロプロペンオキシド27.2gを27分かけて加えた後、撹拌しながら内温を室温に戻して一晩撹拌した。分液ロートで下層を回収した。回収量は121.9gであり、GC純度は63%であった。回収液の蒸留により沸点80〜84℃/0.67〜0.80kPa(絶対圧)の留分として化合物(d1)72.0gを得た。GC純度は98%であり、収率は56%であった。
Synthesis of compound (d1):
In a 200 cm 3 stainless steel autoclave, 1.1 g of potassium fluoride (Morita Chemical Co., Ltd., trade name: Crocat F) was added. After deaeration, under reduced pressure, 5.3 g of dimethoxyethane, 5.3 g of acetonitrile and 95.8 g of compound (c1) were placed in an autoclave.
Next, the autoclave was cooled in an ice bath, and 27.2 g of hexafluoropropene oxide was added over 27 minutes at an internal temperature of 0 to 5 ° C. Then, the internal temperature was returned to room temperature while stirring and stirred overnight. . The lower layer was collected with a separatory funnel. The recovered amount was 121.9 g, and the GC purity was 63%. The recovered liquid was distilled to obtain 72.0 g of compound (d1) as a fraction having a boiling point of 80 to 84 ° C./0.67 to 0.80 kPa (absolute pressure). The GC purity was 98% and the yield was 56%.
化合物(m11)の合成:
内径1.6cmのステンレス製管を用いて、長さ40cmのU字管を作製した。該U字管の一方にガラスウールを充填し、他方にステンレス製焼結金属を目皿としてガラスビーズを充填し、流動層型反応器を作製した。流動化ガスとして窒素ガスを用い、原料を、定量ポンプを用いて連続的に供給できるようにした。出口ガスはトラップ管を用いて液体窒素で捕集した。
Synthesis of compound (m11):
Using a stainless steel tube having an inner diameter of 1.6 cm, a U-shaped tube having a length of 40 cm was produced. One side of the U-shaped tube was filled with glass wool, and the other side was filled with glass beads using a stainless sintered metal as the eye plate to prepare a fluidized bed reactor. Nitrogen gas was used as the fluidizing gas, and the raw material could be continuously supplied using a metering pump. The outlet gas was collected with liquid nitrogen using a trap tube.
流動層型反応器を塩浴に入れ、反応温度を340℃に保持しながら、化合物(d1)/N2のモル比が1/20となるように、流動層型反応器に化合物(d1)34.6gを1.5時間かけて供給した。反応終了後、液体窒素トラップより27gの液体を得た。GC純度は84%であった。該液体の蒸留により沸点69℃/0.40kPa(絶対圧)の留分として化合物(m11)を得た。GC純度は98%であった。 The fluidized bed reactor is placed in a salt bath, and the compound (d1) is added to the fluidized bed reactor so that the molar ratio of the compound (d1) / N 2 is 1/20 while maintaining the reaction temperature at 340 ° C. 34.6 g was fed over 1.5 hours. After completion of the reaction, 27 g of liquid was obtained from a liquid nitrogen trap. The GC purity was 84%. Distillation of the liquid gave compound (m11) as a fraction having a boiling point of 69 ° C./0.40 kPa (absolute pressure). The GC purity was 98%.
化合物(m11)の19F−NMR(282.7MHz、溶媒CDCl3、基準:CFCl3)。
δ(ppm):45.5(1F),45.2(1F),−79.5(2F),−82.4(4F),−84.1(2F),−112.4(2F),−112.6(2F),−112.9(dd,J=82.4Hz,67.1Hz,1F),−121.6(dd,J=112.9Hz,82.4Hz,1F),−136.0(ddt,J=112.9Hz,67.1Hz,6.1Hz,1F),−144.9(1F)。
19 F-NMR (282.7 MHz, solvent CDCl 3 , standard: CFCl 3 ) of the compound (m11).
δ (ppm): 45.5 (1F), 45.2 (1F), -79.5 (2F), -82.4 (4F), -84.1 (2F), -112.4 (2F) , −112.6 (2F), −112.9 (dd, J = 82.4 Hz, 67.1 Hz, 1F), −121.6 (dd, J = 112.9 Hz, 82.4 Hz, 1F), − 136.0 (ddt, J = 112.9 Hz, 67.1 Hz, 6.1 Hz, 1F), -144.9 (1F).
プロトン伝導性ポリマーの合成:
30cm3のステンレス製オートクレーブに、化合物(m11)9.84g、溶媒である化合物(3−1)3.09gおよび開始剤である化合物(4−1)1.3gを入れ、液体窒素で冷却して脱気した。
CClF2CF2CHClF ・・・(3−1)、
(CH3)2C(CN)N=NC(CH3)2(CN) ・・・(4−1)。
Synthesis of proton conducting polymer:
In a 30 cm 3 stainless steel autoclave, 9.84 g of the compound (m11), 3.09 g of the compound (3-1) as a solvent and 1.3 g of the compound (4-1) as an initiator were cooled with liquid nitrogen. And deaerated.
CClF 2 CF 2 CHClF (3-1),
(CH 3 ) 2 C (CN) N = NC (CH 3 ) 2 (CN) (4-1).
内温を70℃に昇温し、オートクレーブにテトラフルオロエチレンを導入し、圧力を1.31MPaG(ゲージ圧)とした。温度、圧力を一定に保持して、5.7時間重合を行った。ついで、オートクレーブ内を冷却して重合を停止し、系内のガスをパージした。反応液を化合物(3−1)で希釈した後、化合物(3−2)を加え、ポリマーを凝集させ、ろ過した。
CH3CCl2F ・・・(3−2)。
The internal temperature was raised to 70 ° C., tetrafluoroethylene was introduced into the autoclave, and the pressure was 1.31 MPaG (gauge pressure). Polymerization was carried out for 5.7 hours while keeping the temperature and pressure constant. Subsequently, the inside of the autoclave was cooled to stop the polymerization, and the gas in the system was purged. After the reaction solution was diluted with compound (3-1), compound (3-2) was added, the polymer was aggregated and filtered.
CH 3 CCl 2 F (3-2).
化合物(3−1)中でポリマーを撹拌した後、化合物(3−2)を加え、ポリマーを再凝集し、ろ過した。ポリマーを80℃で一晩減圧乾燥し、テトラフルオロエチレンと化合物(m11)との共重合体であるプロトン伝導性ポリマー(以下、共重合体Aと記す。)を得た。共重合体Aの収量は1.2gであった。共重合体Aの特性を表1に示す。 After stirring the polymer in compound (3-1), compound (3-2) was added, and the polymer was re-agglomerated and filtered. The polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight to obtain a proton conductive polymer (hereinafter referred to as copolymer A) which is a copolymer of tetrafluoroethylene and the compound (m11). The yield of copolymer A was 1.2 g. The properties of copolymer A are shown in Table 1.
<プロトン伝導性ポリマーの合成(2)>
テトラフルオロエチレン(CF2=CF2)と化合物(2−1)とを共重合し、プロトン伝導性ポリマー(以下、共重合体Bと記す。)を得た。共重合体Bの特性を表1に示す。
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)2SO2F ・・・(2−1)。
<Synthesis of proton conductive polymer (2)>
Tetrafluoroethylene (CF 2 = CF 2 ) and compound (2-1) were copolymerized to obtain a proton conductive polymer (hereinafter referred to as copolymer B). The properties of copolymer B are shown in Table 1.
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) 2 SO 2 F ··· (2-1).
<液状組成物の調製(1)>
共重合体Aが下記〔酸型処理〕により酸型に変換されたポリマーに、エタノールと水と1−ブタノールの混合溶媒(エタノール/水/1−ブタノール=35/50/15質量比)を加え、固形分濃度を15質量%に調整し、オートクレーブを用いて125℃で8時間、撹拌した。その後、さらに水を添加して固形分濃度を9質量%に調整し、該ポリマーが分散媒に分散された液状組成物(以下、液状組成物SAと記す。)を調製した。分散媒の組成は、エタノール/水/1−ブタノール=21/70/9(質量比)であった。
〔酸型処理〕
まず、共重合体AのTQ温度にて、加圧プレス成形により共重合体Aを厚さ100〜200μmのフィルムに加工した。
ついで、該フィルムを、ジメチルスルホキシドの30質量%および水酸化カリウムの15質量%を含む水溶液に、80℃で16時間浸漬させることにより、該フィルム中の−SO2F基が加水分解され、−SO3K基に変換された。
ついで、該フィルムを、3モル/L塩酸水溶液に、50℃で2時間浸漬した。塩酸水溶液を交換し、同様の処理をさらに4回繰り返した。該フィルムをイオン交換水で充分に水洗し、該フィルム中の−SO3K基がスルホン酸基に変換されたフィルム状のポリマーを得た。
<Preparation of liquid composition (1)>
A mixed solvent of ethanol, water and 1-butanol (ethanol / water / 1-butanol = 35/50/15 mass ratio) is added to the polymer in which copolymer A is converted to the acid form by the following [acid type treatment]. The solid content concentration was adjusted to 15% by mass, and the mixture was stirred at 125 ° C. for 8 hours using an autoclave. Thereafter, water was further added to adjust the solid content concentration to 9% by mass to prepare a liquid composition (hereinafter referred to as a liquid composition SA) in which the polymer was dispersed in a dispersion medium. The composition of the dispersion medium was ethanol / water / 1-butanol = 21/70/9 (mass ratio).
[Acid type treatment]
First, the copolymer A was processed into a film having a thickness of 100 to 200 μm by pressure press molding at the TQ temperature of the copolymer A.
Next, the film was immersed in an aqueous solution containing 30% by mass of dimethyl sulfoxide and 15% by mass of potassium hydroxide at 80 ° C. for 16 hours, whereby —SO 2 F groups in the film were hydrolyzed, Converted to SO 3 K group.
Then, the film was immersed in a 3 mol / L hydrochloric acid aqueous solution at 50 ° C. for 2 hours. The hydrochloric acid aqueous solution was replaced, and the same treatment was repeated four more times. The film was sufficiently washed with ion-exchanged water to obtain a film-like polymer in which —SO 3 K groups in the film were converted to sulfonic acid groups.
<液状組成物の調製(2)>
共重合体Bが前記〔酸型処理〕により酸型に変換されたポリマーに、エタノールと水との混合溶媒(エタノール/水=40/60質量比)を加え、固形分濃度を25質量%に調整し、オートクレーブを用いて110℃で8時間、撹拌して液状組成物(以下、液状組成物SBと記す。)を調製した。
<Preparation of liquid composition (2)>
A mixed solvent of ethanol and water (ethanol / water = 40/60 mass ratio) is added to the polymer in which the copolymer B is converted to the acid form by the [acid type treatment], so that the solid content concentration is 25 mass%. The mixture was adjusted and stirred at 110 ° C. for 8 hours using an autoclave to prepare a liquid composition (hereinafter referred to as “liquid composition SB”).
<膜電極接合体の製造>。
(例1)
前記の製造方法(I)により膜電極接合体を製造した。
<Manufacture of membrane electrode assembly>.
(Example 1)
A membrane electrode assembly was produced by the production method (I).
(I−1)工程:
液状組成物SAを、厚さ100μmのエチレン/テトラフルオロエチレン共重合体からなるシート(商品名:アフレックス100N、旭硝子社製;以下、ETFEシートと記す。)上に、ダイコータを用いて塗工し、80℃で30分乾燥し、さらに190℃で30分の熱処理を施し、膜厚25μmの固体高分子電解質膜(導電率0.105S/cm)(以下、固体高分子電解質膜MA25と記す。)を形成した。
(I-1) Process:
The liquid composition SA is coated on a sheet (trade name: Aflex 100N, manufactured by Asahi Glass; hereinafter referred to as an ETFE sheet) made of an ethylene / tetrafluoroethylene copolymer having a thickness of 100 μm using a die coater. The film was dried at 80 ° C. for 30 minutes, and further subjected to heat treatment at 190 ° C. for 30 minutes to obtain a solid polymer electrolyte membrane having a film thickness of 25 μm (conductivity: 0.105 S / cm) (hereinafter referred to as solid polymer electrolyte membrane MA25). .) Was formed.
(I−2)工程:
熱処理を施したカーボンブラック粉末に白金が質量比で50質量%担持された触媒20gを、水70gに添加し、超音波を10分かけて均一に分散させた。これに、液状組成物SAを80g添加し、さらに100gのエタノールを添加して固形分濃度を10質量%とし、これを触媒層形成用塗布液(以下、塗布液CAと記す。)とした。
(I-2) Step:
20 g of a catalyst in which 50% by mass of platinum was supported by mass ratio on the heat-treated carbon black powder was added to 70 g of water, and ultrasonic waves were uniformly dispersed over 10 minutes. To this, 80 g of liquid composition SA was added, and 100 g of ethanol was further added to adjust the solid content concentration to 10% by mass. This was used as a coating solution for forming a catalyst layer (hereinafter referred to as coating solution CA).
表面がカーボンブラック粒子とポリテトラフルオロエチレンとを含む分散液により処理されたカーボンペーパー(商品名:H2315T10AC1、NOK社製)(以下、カーボンペーパーと記す。)からなるガス拡散層を用意した。
該ガス拡散層の寸法変化率は1%であった。該結果を表2に示す。
該ガス拡散層上に、塗布液CAを、白金量が0.2mg/cm2となるようにダイコータを用いて塗工し、80℃の乾燥器内で15分間乾燥し、さらに減圧雰囲気下(5mmHg)で190℃の熱処理を施し、触媒層中のプロトン伝導性ポリマーを安定化させて触媒層を形成し、第1の中間体を作製した。
A gas diffusion layer made of carbon paper (trade name: H2315T10AC1, manufactured by NOK) (hereinafter referred to as carbon paper) whose surface was treated with a dispersion containing carbon black particles and polytetrafluoroethylene was prepared.
The dimensional change rate of the gas diffusion layer was 1%. The results are shown in Table 2.
On the gas diffusion layer, the coating liquid CA was applied using a die coater so that the platinum amount was 0.2 mg / cm 2 , dried for 15 minutes in an oven at 80 ° C., and further under a reduced pressure atmosphere ( A heat treatment at 190 ° C. was performed at 5 mmHg) to stabilize the proton conductive polymer in the catalyst layer to form a catalyst layer, thereby producing a first intermediate.
(I−3)工程:
(I−2)工程と同じ方法により、第2の中間体を作製した。
(I-3) Step:
A second intermediate was produced by the same method as in step (I-2).
(I−4)工程:
固体高分子電解質膜MA25からETFEシートを剥離した。
カソード側およびアノード側のいずれもガス拡散層と固体高分子電解質膜との間に触媒層が位置するように、第1の中間体と第2の中間体との間に固体高分子電解質膜MA25を挟み込み、これを、あらかじめ140℃に加熱したプレス機の中に入れ、1.5MPaのプレス圧で5分間熱プレスし、電極面積が25cm2の膜電極接合体を得た。
該膜電極接合体について、発電特性および湿潤−乾燥サイクル試験を実施した。その結果を表2に示す。
(I-4) Step:
The ETFE sheet was peeled from the solid polymer electrolyte membrane MA25.
The solid polymer electrolyte membrane MA25 is interposed between the first intermediate and the second intermediate so that the catalyst layer is located between the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane on both the cathode side and the anode side. Was put in a press machine preheated to 140 ° C. and hot-pressed for 5 minutes at a pressing pressure of 1.5 MPa to obtain a membrane electrode assembly having an electrode area of 25 cm 2 .
The membrane electrode assembly was subjected to power generation characteristics and a wet-dry cycle test. The results are shown in Table 2.
〔90°剥離試験に供する試験片の作製〕
90°剥離試験(II)の手順1、2に準じて試験片を作製した。
例1において得られる固体高分子電解質膜MA25および第1の中間体を用い、第1の中間体と固体高分子電解質膜MA25とを、ガス拡散層と固体高分子電解質膜MA25との間に触媒層が位置するように、例1の(I−4)工程と同様の方法および条件で接合させて、幅20mm×長さ150mmの試験片を作製した。この試験片について、90°剥離試験(II)を実施した。その結果を表2に示す。
[Preparation of specimen for 90 ° peel test]
A test piece was prepared according to procedures 1 and 2 of the 90 ° peel test (II).
Using the solid polymer electrolyte membrane MA25 obtained in Example 1 and the first intermediate, the first intermediate and the solid polymer electrolyte membrane MA25 are catalyzed between the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane MA25. A test piece having a width of 20 mm and a length of 150 mm was prepared by bonding the layers in the same manner and under the same conditions and conditions as in step (I-4) of Example 1. A 90 ° peel test (II) was performed on this test piece. The results are shown in Table 2.
(例2)
前記の製造方法(I)により膜電極接合体を製造した。
(Example 2)
A membrane electrode assembly was produced by the production method (I).
(I−1)工程:
液状組成物SBを、厚さ100μmのETFEシート上に、ダイコータを用いて塗工し、80℃で30分乾燥し、さらに150℃で30分の熱処理を施し、膜厚15μmの固体高分子電解質膜(導電率0.04S/cm)(以下、固体高分子電解質膜MB15と記す。)を形成した。
(I-1) Process:
The liquid composition SB was applied onto an ETFE sheet having a thickness of 100 μm using a die coater, dried at 80 ° C. for 30 minutes, further subjected to heat treatment at 150 ° C. for 30 minutes, and a solid polymer electrolyte having a thickness of 15 μm. A film (conductivity 0.04 S / cm) (hereinafter referred to as solid polymer electrolyte membrane MB15) was formed.
(I−2)〜(I−4)工程:
例1において、固体高分子電解質膜MA25を固体高分子電解質膜MB15に変更した以外は、例1と同様にして膜電極接合体を得た。
該膜電極接合体について、発電特性および湿潤−乾燥サイクル試験を実施した。その結果を表2に示す。
Steps (I-2) to (I-4):
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solid polymer electrolyte membrane MA25 was changed to the solid polymer electrolyte membrane MB15 in Example 1.
The membrane electrode assembly was subjected to power generation characteristics and a wet-dry cycle test. The results are shown in Table 2.
〔90°剥離試験に供する試験片の作製〕
90°剥離試験(II)の手順1、2に準じて試験片を作製した。
すなわち、例1において、固体高分子電解質膜MA25を固体高分子電解質膜MB15に変更した以外は、例1と同様にして試験片を作製した。この試験片について、90°剥離試験(II)を実施した。その結果を表2に示す。
[Preparation of specimen for 90 ° peel test]
A test piece was prepared according to procedures 1 and 2 of the 90 ° peel test (II).
That is, a test piece was produced in the same manner as in Example 1 except that the solid polymer electrolyte membrane MA25 was changed to the solid polymer electrolyte membrane MB15 in Example 1. A 90 ° peel test (II) was performed on this test piece. The results are shown in Table 2.
(例3)
前記の製造方法(II)により膜電極接合体を製造した。
(Example 3)
A membrane electrode assembly was produced by the production method (II).
(II−1)工程:
例1と同じ方法により、固体高分子電解質膜MA25を形成した。
(II-1) Step:
In the same manner as in Example 1, solid polymer electrolyte membrane MA25 was formed.
(II−2)〜(II−3)工程:
例1と同じ方法により、塗布液CAを調製した。
Steps (II-2) to (II-3):
A coating solution CA was prepared by the same method as in Example 1.
該塗布液CAを、別途用意したETFEシート上に、白金量が0.2mg/cm2となるようにダイコータを用いて塗工し、80℃の乾燥器内で15分間乾燥し、さらに減圧雰囲気下(5mmHg)で190℃の熱処理を施し、触媒層中のプロトン伝導性ポリマーを安定化させて2枚の触媒層(以下、触媒層EAと記す。)を形成した。 The coating solution CA is coated on a separately prepared ETFE sheet using a die coater so that the amount of platinum is 0.2 mg / cm 2 , dried in an oven at 80 ° C. for 15 minutes, and further in a reduced pressure atmosphere A heat treatment at 190 ° C. was performed under (5 mmHg) to stabilize the proton conductive polymer in the catalyst layer to form two catalyst layers (hereinafter referred to as catalyst layer EA).
固体高分子電解質膜MA25からETFEシートを剥離した。
2枚の触媒層EAの間に固体高分子電解質膜MA25を挟み込み、これを、プレス温度140℃、プレス時間5分間、圧力1.5MPaの条件にて加熱プレスして固体高分子電解質膜MA25の両面にそれぞれ触媒層を接合した。
触媒層からETFEシートを剥離して、電極面積25cm2の第2の中間体(膜触媒層接合体)を作製した。
The ETFE sheet was peeled from the solid polymer electrolyte membrane MA25.
A solid polymer electrolyte membrane MA25 is sandwiched between two catalyst layers EA, and this is heated and pressed under the conditions of a press temperature of 140 ° C., a press time of 5 minutes, and a pressure of 1.5 MPa to form the solid polymer electrolyte membrane MA25. A catalyst layer was bonded to each side.
The ETFE sheet was peeled from the catalyst layer to produce a second intermediate (membrane / catalyst layer assembly) having an electrode area of 25 cm 2 .
(II−4)工程:
気相成長炭素繊維(商品名:VGCF−H、昭和電工社製;繊維径約150nm、繊維長10〜20μm)20gにエタノール27gおよび蒸留水153gを添加し、よく撹拌した。これに、液状組成物SBを140g添加してよく撹拌し、さらにホモジナイザーを用いて混合、粉砕させて中間層形成用塗布液FBを調製した。
例1と同じ方法により作製したカーボンペーパーの表面に中間層形成用塗布液FBを、固形分量が0.8mg/cm2となるようにダイコータを用いて塗工し、80℃の乾燥器内で15分間乾燥して、カーボンペーパーの表面に中間層が形成された積層体(以下、ガス拡散層GDBと記す。)2枚を作製した。
(II-4) Step:
27 g of ethanol and 153 g of distilled water were added to 20 g of vapor grown carbon fiber (trade name: VGCF-H, manufactured by Showa Denko KK; fiber diameter: about 150 nm, fiber length: 10 to 20 μm), and stirred well. To this, 140 g of the liquid composition SB was added and stirred well, and further mixed and pulverized using a homogenizer to prepare a coating liquid FB for forming an intermediate layer.
The intermediate layer forming coating solution FB was applied to the surface of the carbon paper produced by the same method as in Example 1 using a die coater so that the solid content was 0.8 mg / cm 2. The laminate was dried for 15 minutes to produce two laminates (hereinafter referred to as gas diffusion layers GDB) in which an intermediate layer was formed on the surface of carbon paper.
カソード側およびアノード側のいずれもガス拡散層GDBと触媒層との間に中間層が位置するように、2枚のガス拡散層GDBの間に第2の中間体を挟み込み、これを、プレス温度130℃、プレス時間2分間、圧力3MPaの条件にて加熱プレスして電極面積が25cm2の膜電極接合体を得た。
該膜電極接合体について、発電特性および湿潤−乾燥サイクル試験を実施した。その結果を表2に示す。
A second intermediate is sandwiched between the two gas diffusion layers GDB so that the intermediate layer is located between the gas diffusion layer GDB and the catalyst layer on both the cathode side and the anode side, A membrane electrode assembly having an electrode area of 25 cm 2 was obtained by heating and pressing at 130 ° C. for 2 minutes under a pressure of 3 MPa.
The membrane electrode assembly was subjected to power generation characteristics and a wet-dry cycle test. The results are shown in Table 2.
〔90°剥離試験に供する試験片の作製〕
90°剥離試験(I)の手順1、2に準じて試験片を作製した。
例3において得られる固体高分子電解質膜MA25、触媒層およびガス拡散層GDBを用い、固体高分子電解質膜MA25の一方の面に触媒層を例3の(II−2)〜(II−3)工程と同様の方法および条件で接合させて、試験片90を作製した。
該試験片90の末端から長手方向へ80mm分と、ガス拡散層GDBの末端から長手方向へ80mm分とを、ガス拡散層GDBと固体高分子電解質膜MA25との間に触媒層が位置するように接合させて、幅20mm×長さ220mmの試験片を作製した。この試験片について、90°剥離試験(I)を実施した。その結果を表2に示す。
[Preparation of specimen for 90 ° peel test]
Test pieces were prepared according to procedures 1 and 2 of the 90 ° peel test (I).
Using the solid polymer electrolyte membrane MA25 obtained in Example 3, the catalyst layer, and the gas diffusion layer GDB, a catalyst layer was formed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane MA25 in (II-2) to (II-3) of Example 3 The
The catalyst layer is positioned between the gas diffusion layer GDB and the solid polymer electrolyte membrane MA25 at 80 mm in the longitudinal direction from the end of the
(例4)
前記の製造方法(II)により膜電極接合体を製造した。
(Example 4)
A membrane electrode assembly was produced by the production method (II).
(II−1)工程:
例1と同じ方法により、固体高分子電解質膜MA25を形成した。
(II-1) Step:
In the same manner as in Example 1, solid polymer electrolyte membrane MA25 was formed.
(II−2)工程:
例1と同じ方法により、塗布液CAを調製した。
(II-2) Step:
A coating solution CA was prepared by the same method as in Example 1.
該固体高分子電解質膜MA25の一方の面に、塗布液CAを、白金量が0.2mg/cm2となるようにダイコータを用いて塗工し、80℃の乾燥器内で15分間乾燥し、さらに減圧雰囲気下(5mmHg)で190℃の熱処理を施し、触媒層中のプロトン伝導性ポリマーを安定化させて触媒層を形成し、第1の中間体を作製した。 The coating solution CA is applied to one surface of the solid polymer electrolyte membrane MA25 using a die coater so that the amount of platinum is 0.2 mg / cm 2, and is dried in an oven at 80 ° C. for 15 minutes. Further, a heat treatment at 190 ° C. was performed under a reduced pressure atmosphere (5 mmHg) to stabilize the proton conductive polymer in the catalyst layer to form a catalyst layer, thereby producing a first intermediate.
(II−3)工程:
第1の中間体からETFEシートを剥離した。
触媒層とは反対側の固体高分子電解質膜の面に、(II−2)工程と同様の温度および条件により触媒層を形成し、第2の中間体(膜触媒層接合体)を作製した。
(II-3) Step:
The ETFE sheet was peeled from the first intermediate.
A catalyst layer was formed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane opposite to the catalyst layer at the same temperature and conditions as in the step (II-2), and a second intermediate (membrane catalyst layer assembly) was produced. .
(II−4)工程:
例3と同じ方法により、2枚のガス拡散層GDBと第2の中間体とを接合して膜電極接合体を得た。
該膜電極接合体について、発電特性および湿潤−乾燥サイクル試験を実施した。その結果を表2に示す。
(II-4) Step:
In the same manner as in Example 3, two gas diffusion layers GDB and the second intermediate were joined to obtain a membrane electrode assembly.
The membrane electrode assembly was subjected to power generation characteristics and a wet-dry cycle test. The results are shown in Table 2.
〔90°剥離試験に供する試験片の作製〕
90°剥離試験(I)の手順1、2に準じて試験片を作製した。
例4において得られる第1の中間体およびガス拡散層GDBを用い、該第1の中間体の末端から長手方向へ80mm分と、ガス拡散層GDBの末端から長手方向へ80mm分とを、ガス拡散層GDBと固体高分子電解質膜MA25との間に触媒層が位置するように接合させて、幅20mm×長さ220mmの試験片を作製した。この試験片について、90°剥離試験(I)を実施した。その結果を表2に示す。
[Preparation of specimen for 90 ° peel test]
Test pieces were prepared according to procedures 1 and 2 of the 90 ° peel test (I).
Using the first intermediate and the gas diffusion layer GDB obtained in Example 4, 80 mm in the longitudinal direction from the end of the first intermediate and 80 mm in the longitudinal direction from the end of the gas diffusion layer GDB A test piece having a width of 20 mm and a length of 220 mm was prepared by joining the diffusion layer GDB and the solid polymer electrolyte membrane MA25 so that the catalyst layer was located. A 90 ° peel test (I) was performed on this test piece. The results are shown in Table 2.
(例5)
前記の製造方法(II)により膜電極接合体を製造した。
(Example 5)
A membrane electrode assembly was produced by the production method (II).
(II−1)〜(II−3)工程:
例3と同じ方法により、第2の中間体(膜触媒層接合体)を作製した。
Steps (II-1) to (II-3):
In the same manner as in Example 3, a second intermediate (membrane / catalyst layer assembly) was produced.
(II−4)工程:
例1と同じ方法により、カーボンペーパーからなるガス拡散層2枚を作製した。
2枚の該ガス拡散層の間に第2の中間体を挟み込み、例3と同じ方法により接合して膜電極接合体を得た。
該膜電極接合体について、発電特性および湿潤−乾燥サイクル試験を実施した。その結果を表2に示す。
(II-4) Step:
In the same manner as in Example 1, two gas diffusion layers made of carbon paper were produced.
A second intermediate was sandwiched between the two gas diffusion layers and joined in the same manner as in Example 3 to obtain a membrane electrode assembly.
The membrane electrode assembly was subjected to power generation characteristics and a wet-dry cycle test. The results are shown in Table 2.
〔90°剥離試験に供する試験片の作製〕
90°剥離試験(I)の手順1、2に準じて試験片を作製した。
すなわち、例3において、ガス拡散層GDBをカーボンペーパーのみに変更した以外は、例3と同様にして試験片を作製した。この試験片について、90°剥離試験(I)を実施した。その結果を表2に示す。
[Preparation of specimen for 90 ° peel test]
Test pieces were prepared according to procedures 1 and 2 of the 90 ° peel test (I).
That is, a test piece was prepared in the same manner as in Example 3 except that the gas diffusion layer GDB was changed to only carbon paper in Example 3. A 90 ° peel test (I) was performed on this test piece. The results are shown in Table 2.
(例6)
前記の製造方法(II)により膜電極接合体を製造した。
(Example 6)
A membrane electrode assembly was produced by the production method (II).
(II−1)工程:
例2と同じ方法により、固体高分子電解質膜MB15を形成した。
(II-1) Step:
In the same manner as in Example 2, solid polymer electrolyte membrane MB15 was formed.
(II−2)〜(II−4)工程:
例5において、固体高分子電解質膜MA25を固体高分子電解質膜MB15に変更した以外は、例5と同様にして膜電極接合体を得た。
該膜電極接合体について、発電特性および湿潤−乾燥サイクル試験を実施した。その結果を表2に示す。
Steps (II-2) to (II-4):
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 5 except that the solid polymer electrolyte membrane MA25 was changed to the solid polymer electrolyte membrane MB15 in Example 5.
The membrane electrode assembly was subjected to power generation characteristics and a wet-dry cycle test. The results are shown in Table 2.
〔90°剥離試験に供する試験片の作製〕
90°剥離試験(I)の手順1、2に準じて試験片を作製した。
すなわち、例5において、固体高分子電解質膜MA25を固体高分子電解質膜MB15に変更した以外は、例5と同様にして試験片を作製した。この試験片について、90°剥離試験(I)を実施した。その結果を表2に示す。
[Preparation of specimen for 90 ° peel test]
Test pieces were prepared according to procedures 1 and 2 of the 90 ° peel test (I).
That is, a test piece was produced in the same manner as in Example 5 except that the solid polymer electrolyte membrane MA25 was changed to the solid polymer electrolyte membrane MB15 in Example 5. A 90 ° peel test (I) was performed on this test piece. The results are shown in Table 2.
表2の結果から、本発明の膜電極接合体を用いることにより、低加湿環境下においても高い発電性能を発現できると共に、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能に優れていることがわかる。 From the results of Table 2, by using the membrane electrode assembly of the present invention, it is possible to express high power generation performance even in a low humidified environment, and it is excellent in durability performance in an environment where wetting and drying are repeated. Recognize.
本発明の膜電極接合体は、低加湿環境下においても高い発電性能を発現できると共に、湿潤と乾燥とを繰り返す環境下での耐久性能に優れることから、自動車等の移動体用電源、分散発電システム、家庭用コージェネレーションシステム等として用いられる固体高分子形燃料電池にきわめて有用である。 The membrane electrode assembly of the present invention can exhibit high power generation performance even in a low humidified environment and has excellent durability performance in an environment of repeated wetting and drying. This is extremely useful for polymer electrolyte fuel cells used as systems, household cogeneration systems, and the like.
1 膜電極接合体 10 第1の電極 12 第1の触媒層 14 第1のガス拡散層 20 第2の電極 22 第2の触媒層 24 第2のガス拡散層 30 固体高分子電解質膜 50 第1の中間体 60 第2の中間体 80 セパレータ 91 試験片
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
電極触媒とプロトン伝導性ポリマーを含む第2の触媒層および第2のガス拡散層を有する第2の電極と、
前記第1の触媒層と前記第2の触媒層との間に配置される固体高分子電解質膜とを備える固体高分子形燃料電池用膜電極接合体において、
前記固体高分子電解質膜が、温度80℃、相対湿度40%の雰囲気下における導電率が0.05S/cm以上であり、前記固体高分子電解質膜と前記第1のガス拡散層との間の90°剥離強度が0.03N/cm以上であり、かつ、前記第1のガス拡散層を80℃の温水に浸漬した際の寸法変化率が10%未満であることを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。 A first electrode having a first catalyst layer and a first gas diffusion layer comprising an electrode catalyst and a proton conducting polymer;
A second electrode having a second catalyst layer comprising an electrode catalyst and a proton conducting polymer and a second gas diffusion layer;
In a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane disposed between the first catalyst layer and the second catalyst layer,
The solid polymer electrolyte membrane has an electrical conductivity of 0.05 S / cm or more in an atmosphere at a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 40%, and is between the solid polymer electrolyte membrane and the first gas diffusion layer. Solid polymer having a 90 ° peel strength of 0.03 N / cm or more and a dimensional change rate of less than 10% when the first gas diffusion layer is immersed in hot water at 80 ° C. -Type fuel cell membrane electrode assembly.
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