JP2009021235A - Membrane-electrode-gas diffusion layer assembly and fuel cell having the same - Google Patents

Membrane-electrode-gas diffusion layer assembly and fuel cell having the same Download PDF

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伸 齋藤
Hiroyuki Kurita
寛之 栗田
Ryuma Kuroda
竜磨 黒田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly in which a hydrocarbon-based high polymer electrolyte is used for an electrolyte membrane and a catalyst layer, and a fuel cell capable of obtaining sufficient power generation performance in spite of a low humidity state can be formed. <P>SOLUTION: The membrane-electrode-gas diffusion layer assembly comprises: an electrolyte membrane formed by the hydrocarbon-based high polymer electrolyte; the catalyst layer arranged at least one side of the electrolyte membrane and including a catalyst material and the hydrocarbon-based high polymer electrolyte; and a gas diffusion layer arranged on the other side of the catalyst layer against the electrolyte membrane. A porous layer having a porous structure exists between the catalyst layer and the gas diffusion layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜−電極−ガス拡散層接合体及びこれを備える燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly and a fuel cell including the same.

燃料電池、特に、電解質に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、排出する物質が水のみであることから、環境負荷の少ないエネルギー源として自動車等への応用が期待されている。固体高分子型燃料電池は、一般に、イオン伝導性を有する高分子電解質からなる電解質膜の両側に、電極として機能する触媒層及びガス拡散層が順に配置された膜−電極−ガス拡散層接合体(以下、「MEGA」と略す)を備えた構成を有している。   Fuel cells, in particular polymer electrolyte fuel cells using a solid polymer electrolyte as an electrolyte, are expected to be applied to automobiles and the like as an energy source with a low environmental load because the only substance discharged is water. . In general, a polymer electrolyte fuel cell is a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly in which a catalyst layer functioning as an electrode and a gas diffusion layer are sequentially arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer electrolyte having ion conductivity. (Hereinafter abbreviated as “MEGA”).

高分子電解質膜としては、従来、フッ素系高分子電解質からなるもの(例えば、ナフィオン(デュポン社製、登録商標))が多く用いられている。また、通常高分子電解質膜に隣接して設けられる触媒層にも、プロトン伝導性を付与するために高分子電解質を含有させることが一般的である。この触媒層に含有させる高分子電解質としても、上記のようなフッ素系高分子電解質が主流であった。   Conventionally, a polymer electrolyte membrane made of a fluorine-based polymer electrolyte (for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont)) is often used. In general, the catalyst layer provided adjacent to the polymer electrolyte membrane also contains a polymer electrolyte in order to impart proton conductivity. As the polymer electrolyte to be contained in the catalyst layer, the above-described fluorine-based polymer electrolyte has been mainstream.

これに対し、近年では、フッ素系高分子電解質に代え、より安価な炭化水素系高分子電解質を適用することが試みられている。炭化水素系高分子電解質からなる電解質膜は、フッ素系のものに比して安価であり、耐熱性にも優れるという特徴を有している。また、従来、触媒層にフッ素系高分子電解質を含有させた場合には、燃料電池の長時間駆動により触媒層中のフッ素系高分子電解質の分解が生じ、これによってフッ素イオンが発生するおそれがあったが、このような問題を回避するため、触媒層にも炭化水素系高分子電解質を適用することが検討されている(例えば、特許文献1参照)。
特許第3689322号公報
On the other hand, in recent years, it has been attempted to apply a cheaper hydrocarbon polymer electrolyte instead of the fluorine polymer electrolyte. An electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer electrolyte is characterized by being cheaper than a fluorine-based membrane and excellent in heat resistance. Conventionally, when a fluorine polymer electrolyte is included in the catalyst layer, the fluorine polymer electrolyte in the catalyst layer is decomposed by long-time driving of the fuel cell, which may generate fluorine ions. However, in order to avoid such a problem, it has been studied to apply a hydrocarbon-based polymer electrolyte to the catalyst layer (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent No. 3689322

ところで、上述したような燃料電池は、高分子電解質によるイオン伝導度を十分に得るために、加湿しながら動作させることが一般的である。しかしながら、近年では、発電システムを簡略化する目的で、燃料電池に対して低加湿状態でも十分に動作可能であることが望まれている。そして、低加湿状態で燃料電池を動作させると、普通は高分子電解質のイオン伝導度が低下するが、上述した炭化水素系高分子電解質の場合、このようなイオン伝導度の低下が特に顕著な傾向にあった。そのため、炭化水素系高分子電解質を電解質膜や触媒層に用いたMEGAを備える燃料電池は、低加湿状態で十分な発電性能を発揮することができず、簡略化された発電システムに適用する燃料電池としてはあまり好適ではなかった。   By the way, the fuel cell as described above is generally operated with humidification in order to obtain sufficient ion conductivity by the polymer electrolyte. However, in recent years, for the purpose of simplifying the power generation system, it is desired that the fuel cell can sufficiently operate even in a low humidified state. When the fuel cell is operated in a low humidified state, the ionic conductivity of the polymer electrolyte is usually decreased. However, in the case of the above-described hydrocarbon polymer electrolyte, such a decrease in ionic conductivity is particularly remarkable. There was a trend. Therefore, a fuel cell including MEGA using a hydrocarbon-based polymer electrolyte as an electrolyte membrane or a catalyst layer cannot exhibit sufficient power generation performance in a low humidified state, and is a fuel applied to a simplified power generation system. It was not very suitable as a battery.

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、電解質膜及び触媒層に炭化水素系高分子電解質を用い、しかも低加湿状態とした場合であっても十分な発電性能が得られる燃料電池を形成可能な膜−電極−ガス拡散層接合体を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and sufficient power generation performance can be obtained even when a hydrocarbon polymer electrolyte is used for the electrolyte membrane and the catalyst layer and the humidity is reduced. An object of the present invention is to provide a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly capable of forming a fuel cell.

上記目的を達成するため、本発明の膜−電極−ガス拡散層接合体(MEGA)は、炭化水素系高分子電解質から構成される電解質膜と、この電解質膜の少なくとも一側に配置され、触媒物質及び炭化水素系高分子電解質を含む触媒層と、触媒層の電解質膜に対して反対側に配置されたガス拡散層と、触媒層とガス拡散層との間に配置され、多孔質構造を有する多孔質層とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA) of the present invention is disposed on an electrolyte membrane composed of a hydrocarbon-based polymer electrolyte and at least one side of the electrolyte membrane. A catalyst layer containing a substance and a hydrocarbon-based polymer electrolyte, a gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer with respect to the electrolyte membrane, and disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer to form a porous structure. It has the porous layer which has.

上記構成を有する本発明のMEGAによれば、炭化水素系高分子を含む電解質膜及び触媒層を有するにもかかわらず、低加湿状態であっても高い発電性能を有する燃料電池を得ることができる。その要因については明らかではないものの、触媒層とガス拡散層との間に多孔質層が配置されることで、電解質膜や触媒層への吸水量が十分に確保されるようになり、その結果、低加湿状態であってもMEGAにおける電解質膜と触媒層との両方が優れたプロトン伝導性を有するようになったためであると考えられる。   According to the MEGA of the present invention having the above-described configuration, a fuel cell having high power generation performance can be obtained even in a low humidified state despite having an electrolyte membrane containing a hydrocarbon polymer and a catalyst layer. . Although the reason for this is not clear, the porous layer is arranged between the catalyst layer and the gas diffusion layer, so that the water absorption amount to the electrolyte membrane and the catalyst layer can be sufficiently secured. This is probably because both the electrolyte membrane and the catalyst layer in MEGA have excellent proton conductivity even in a low humidified state.

本発明のMEGAにおいて、多孔質層の有する孔の平均孔径は、10nm〜10μmであると好ましい。このような平均孔径を有する多孔質層は、電解質膜や触媒層への水の供給を更に有利にできると考えられる。したがって、かかる多孔質層を有することにより、低加湿状態でのプロトン伝導性を一層良好に得ることができるようになる。このような効果を更に良好に得る観点からは、多孔質層の有する孔の平均孔径は、20nm〜300nmであるとより好ましい。   In the MEGA of the present invention, the average pore diameter of the pores of the porous layer is preferably 10 nm to 10 μm. It is considered that the porous layer having such an average pore diameter can further advantageously supply water to the electrolyte membrane and the catalyst layer. Therefore, by having such a porous layer, proton conductivity in a low humidified state can be obtained better. From the viewpoint of obtaining such an effect even better, the average pore diameter of the pores of the porous layer is more preferably 20 nm to 300 nm.

また、少なくとも電解質膜を構成している炭化水素系高分子電解質は、ブロック共重合体からなるものであると好ましい。ブロック共重合体からなる炭化水素系高分子電解質は、それ自体が良好なプロトン伝導性を発現することができ、低加湿状態で用いられるMEGAの電解質材料として有効である。   Further, it is preferable that at least the hydrocarbon-based polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane is made of a block copolymer. A hydrocarbon-based polymer electrolyte made of a block copolymer can exhibit good proton conductivity by itself and is effective as an electrolyte material for MEGA used in a low humidified state.

さらに、触媒層は、水及び親水性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒と、触媒物質と、炭化水素系高分子電解質とを含み、且つ、この炭化水素系高分子電解質の少なくとも一部が溶媒に分散した状態で含まれる触媒インクから形成された層であると好ましい。このような触媒層は、触媒物質と炭化水素系高分子電解質が層中に均一に分散された構成を有するほか、製造過程において高分子電解質による触媒物質の劣化が少ないものとなり、燃料電池の電極として高い導電性及びプロトン伝導性を発揮することができる。   Furthermore, the catalyst layer includes at least one solvent selected from water and a hydrophilic solvent, a catalyst material, and a hydrocarbon polymer electrolyte, and at least a part of the hydrocarbon polymer electrolyte is a solvent. A layer formed from a catalyst ink contained in a dispersed state is preferable. Such a catalyst layer has a structure in which a catalyst material and a hydrocarbon-based polymer electrolyte are uniformly dispersed in the layer, and the catalyst material is less deteriorated by the polymer electrolyte during the production process, and the fuel cell electrode As a result, high conductivity and proton conductivity can be exhibited.

本発明はまた、上記本発明のMEGAを備える燃料電池を提供する。このような燃料電池は、本発明のMEGAを備えるため、電解質膜及び触媒層に炭化水素系高分子電解質を含むにもかかわらず、低加湿状態であっても優れた発電特性を発揮し得る。したがって、本発明の燃料電池は、製造コストが低く、優れた耐熱性を有しており、しかも低加湿状態でも良好に動作することができるものとなる。   The present invention also provides a fuel cell comprising the MEGA of the present invention. Since such a fuel cell includes the MEGA of the present invention, it can exhibit excellent power generation characteristics even in a low humidified state even though the electrolyte membrane and the catalyst layer contain a hydrocarbon polymer electrolyte. Therefore, the fuel cell of the present invention is low in production cost, has excellent heat resistance, and can operate well even in a low humidified state.

本発明によれば、電解質膜及び触媒層に炭化水素系高分子電解質が用いられ、低加湿状態であっても十分な発電性能が得られる燃料電池を形成可能な膜−電極−ガス拡散層接合体を提供することが可能となる。   According to the present invention, a membrane-electrode-gas diffusion layer junction capable of forming a fuel cell in which a hydrocarbon polymer electrolyte is used for the electrolyte membrane and the catalyst layer and sufficient power generation performance can be obtained even in a low humidified state. The body can be provided.

以下、必要に応じて図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as necessary.

[燃料電池]
図1は、好適な実施形態の燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。図示されるように、燃料電池10は、高分子電解質からなる電解質膜12の両側に、これを挟むように触媒層14a,14b、多孔質層15a,15b、ガス拡散層16a,16b及びセパレータ18a,18bが順に形成されている。燃料電池10においては、電解質膜12と、これを挟む一対の触媒層14a,14bとから、膜−電極接合体(以下、「MEA」と略す)20が構成されている。
[Fuel cell]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a fuel cell according to a preferred embodiment. As illustrated, the fuel cell 10 includes catalyst layers 14a and 14b, porous layers 15a and 15b, gas diffusion layers 16a and 16b, and a separator 18a on both sides of an electrolyte membrane 12 made of a polymer electrolyte. , 18b are formed in order. In the fuel cell 10, a membrane-electrode assembly (hereinafter abbreviated as “MEA”) 20 is composed of an electrolyte membrane 12 and a pair of catalyst layers 14 a and 14 b sandwiching the electrolyte membrane 12.

(電解質膜)
電解質膜12は、炭化水素系高分子電解質が膜状に形成されたものである。炭化水素系高分子電解質は、主として炭化水素によって構成される主鎖と、主鎖や主鎖に結合した側鎖に置換したイオン交換基とを含む構造を有する。この炭化水素系高分子電解質には、例えば、その構造中の、フッ素原子等のハロゲン原子の含有割合が15重量%以下であるものが該当する。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane 12 is a membrane in which a hydrocarbon polymer electrolyte is formed. The hydrocarbon-based polymer electrolyte has a structure including a main chain mainly composed of hydrocarbons and an ion exchange group substituted on the main chain or a side chain bonded to the main chain. This hydrocarbon polymer electrolyte corresponds to, for example, a structure in which the content ratio of halogen atoms such as fluorine atoms in the structure is 15% by weight or less.

炭化水素系高分子電解質が有するイオン交換基としては、酸性基、塩基性基等特に制限されないが、良好なプロトン伝導性を得る観点から、酸性基が好ましい。酸性基としては、スルホン酸基(−SOH)、カルボキシル基(−COOH)、ホスホン酸基(−PO)、リン酸基(−OPO)、スルホニルアミド基(−SONHSO−)、フェノール性水酸基等が例示できる。なかでも、スルホン酸基又はホスホン酸基が好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。 The ion exchange group possessed by the hydrocarbon-based polymer electrolyte is not particularly limited, such as an acidic group or a basic group, but is preferably an acidic group from the viewpoint of obtaining good proton conductivity. Examples of acidic groups include sulfonic acid groups (—SO 3 H), carboxyl groups (—COOH), phosphonic acid groups (—PO 3 H 2 ), phosphoric acid groups (—OPO 3 H 2 ), sulfonylamide groups (—SO 3 ). 2 NHSO 2- ), phenolic hydroxyl group and the like. Of these, a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is preferable, and a sulfonic acid group is particularly preferable.

上述したような構成を有する炭化水素系高分子電解質としては、以下のような構造を有するものが例示できる。すなわち、まず、(A)主鎖が脂肪族炭化水素からなる炭化水素系高分子に、スルホン酸基及び/又はホスホン酸基を導入した高分子電解質や、(B)主鎖が芳香環を有する高分子に、スルホン酸基及び/又はホスホン酸基を導入した高分子電解質が挙げられる。   Examples of the hydrocarbon-based polymer electrolyte having the above-described configuration include those having the following structure. That is, first, (A) a polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a hydrocarbon polymer whose main chain is composed of an aliphatic hydrocarbon, and (B) the main chain has an aromatic ring. Examples thereof include a polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into the polymer.

また、(C)主鎖が、シロキサン基やフォスファゼン基等の無機の単位構造を含む重合体にスルホン酸基及び/又はホスホン酸基を導入した高分子電解質や、(D)(A)〜(C)の高分子電解質の主鎖を構成する繰り返し単位の2種以上を組み合わせた共重合体に、スルホン酸基及び/又はホスホン酸基を導入した高分子電解質が挙げられる。さらに、(E)主鎖や側鎖に窒素原子を含む炭化水素系高分子に、硫酸やリン酸等の酸性化合物をイオン結合により導入した高分子電解質等も例示できる。   Further, (C) a polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a polymer having a main chain containing an inorganic unit structure such as a siloxane group or a phosphazene group, or (D) (A) to ( Examples thereof include a polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a copolymer obtained by combining two or more repeating units constituting the main chain of the polymer electrolyte of C). Further, (E) a polymer electrolyte in which an acidic compound such as sulfuric acid or phosphoric acid is introduced into a hydrocarbon polymer containing a nitrogen atom in the main chain or side chain by ionic bonding can be exemplified.

より具体的には、上記(A)の高分子電解質としては、例えば、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸等が挙げられる。また、上記(B)の高分子電解質としては、主鎖に酸素原子等のヘテロ原子を含むものであってもよい。このような高分子電解質としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリイミド、ポリ((4−フェノキシベンゾイル)−1,4−フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の単独重合体のそれぞれにスルホン酸基が導入されたものが挙げられる。具体的には、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホアルキル化ポリベンズイミダゾール(例えば、特開平9−110982号公報参照)、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)(例えば、J.Appl.Polym.Sci.,18,1969(1974)参照)等が挙げられる。   More specifically, examples of the polymer electrolyte (A) include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, poly (α-methylstyrene) sulfonic acid, and the like. The polymer electrolyte (B) may contain a hetero atom such as an oxygen atom in the main chain. Examples of such a polymer electrolyte include polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, poly (arylene ether), polyimide, poly ((4-phenoxybenzoyl) -1,4-phenylene), polyphenylene sulfide, poly Examples thereof include those in which a sulfonic acid group is introduced into each of homopolymers such as phenylquinoxalen. Specifically, sulfoarylated polybenzimidazole, sulfoalkylated polybenzimidazole, phosphoalkylated polybenzimidazole (for example, see JP-A-9-110882), phosphonated poly (phenylene ether) (for example, J. Org. Appl.Polym.Sci., 18, 1969 (1974)).

上記(C)の高分子電解質としては、例えば、ポリフォスファゼンにスルホン酸基が導入されたものや、ホスホン酸基を有するポリシロキサン等が挙げられる。これらは、Polymer Prep.,41,No.1,70(2000)に準じて容易に製造することができる。   Examples of the polymer electrolyte (C) include those obtained by introducing a sulfonic acid group into polyphosphazene, polysiloxane having a phosphonic acid group, and the like. These can be found in Polymer Prep. , 41, no. It can be easily produced according to 1,70 (2000).

上記(D)の高分子電解質は、ランダム共重合体にスルホン酸基及び/又はホスホン酸基が導入されたもの、交互共重合体にスルホン酸基及び/又はホスホン酸基が導入されたもの、ブロック共重合体にスルホン酸基及び/又はホスホン酸基が導入されたもののいずれであってもよい。例えば、ランダム共重合体にスルホン酸基が導入されたものとしては、特開平11−116679号公報に記載されたようなスルホン化ポリエーテルスルホン重合体が挙げられる。また、ブロック共重合体にスルホン酸基及び/又はホスホン酸基が導入されたものとしては、特開2001−250567号公報に記載されたようなスルホン酸基を含むブロックを有するものが挙げられる。   The polymer electrolyte of the above (D) is one in which a sulfonic acid group and / or phosphonic acid group is introduced into a random copolymer, one in which a sulfonic acid group and / or phosphonic acid group is introduced into an alternating copolymer, Any of sulfonic acid groups and / or phosphonic acid groups introduced into the block copolymer may be used. For example, the sulfonic acid group introduced into the random copolymer includes a sulfonated polyethersulfone polymer as described in JP-A-11-116679. Moreover, as what introduce | transduced the sulfonic acid group and / or the phosphonic acid group into the block copolymer, what has the block containing a sulfonic acid group as described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2001-250567 is mentioned.

上記(E)の高分子電解質としては、例えば、特表平11−503262号公報に記載されたようなリン酸を含有させたポリベンズイミダゾール等が挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (E) include polybenzimidazole containing phosphoric acid as described in JP-T-11-503262.

これらの高分子電解質は、主鎖や側鎖にフッ素等のハロゲン原子を有していてもよいが、炭化水素系高分子電解質であるため、全体としては上述したようなハロゲン原子の含有量を満たしている。   These polymer electrolytes may have halogen atoms such as fluorine in the main chain or side chain. However, since they are hydrocarbon polymer electrolytes, the content of halogen atoms as described above is generally increased. Satisfies.

また、耐熱性やリサイクルの容易さの観点からは、炭化水素系高分子電解質としては、芳香族系高分子電解質が好ましい。芳香族系高分子電解質とは、主鎖に芳香環を有し、分子内に酸性基を含む構造を有する高分子化合物である。この芳香族系高分子電解質としては、溶媒に可溶なものが好適である。これらは公知の溶液キャスト法によって、容易に所望の膜厚の高分子電解質膜を形成することができる。芳香族系高分子電解質の酸性基は、その主鎖を構成している芳香環に直接置換していてもよく、主鎖を構成している芳香環に所定の連結基を介して結合していてもよく、それらを組み合わせて有していてもよい。   From the viewpoint of heat resistance and ease of recycling, the hydrocarbon polymer electrolyte is preferably an aromatic polymer electrolyte. An aromatic polymer electrolyte is a polymer compound having an aromatic ring in the main chain and a structure containing an acidic group in the molecule. As this aromatic polymer electrolyte, those soluble in a solvent are suitable. These can easily form a polymer electrolyte membrane having a desired film thickness by a known solution casting method. The acidic group of the aromatic polyelectrolyte may be directly substituted on the aromatic ring constituting the main chain, and is bonded to the aromatic ring constituting the main chain via a predetermined linking group. You may have them in combination.

ここで、「主鎖に芳香環を有する高分子」とは、例えば、ポリアリーレンのように2価の芳香族基同士が連結して主鎖を構成しているものや、2価の芳香族基が他の2価の基を介して連結して主鎖を構成しているものである。後者の場合、芳香族基を結合する2価の基としては、オキシ基(−O−)、チオキシ基(−S−)、カルボニル基、スルフィニル基、スルホニル基、アミド基(−NH−CO−又は−CO−NH−)、エステル基(−O−CO−又は−CO−O−)、炭酸エステル基(−O−CO−O−)、炭素数1〜4程度のアルキレン基、炭素数1〜4程度のフッ素置換アルキレン基、炭素数2〜4程度のアルケニレン基、炭素数2〜4程度のアルキニレン基が挙げられる。中でも、芳香族基を連結する2価の基としては、オキシ基(−O−)、スルホニル基が好ましい。   Here, the “polymer having an aromatic ring in the main chain” means, for example, polyarylene linked divalent aromatic groups to form a main chain, or a divalent aromatic A group is linked via another divalent group to form a main chain. In the latter case, the divalent group for bonding the aromatic group includes an oxy group (—O—), a thioxy group (—S—), a carbonyl group, a sulfinyl group, a sulfonyl group, an amide group (—NH—CO—). Or -CO-NH-), ester group (-O-CO- or -CO-O-), carbonate group (-O-CO-O-), alkylene group having about 1 to 4 carbon atoms, carbon number 1 And a fluorine-substituted alkylene group having about ˜4, an alkenylene group having about 2 to 4 carbon atoms, and an alkynylene group having about 2 to 4 carbon atoms. Especially, as a bivalent group which connects an aromatic group, an oxy group (-O-) and a sulfonyl group are preferable.

主鎖に含まれる2価の芳香族基としては、フェニレン基、ナフタレン基、アトラセニレン基、フルオレンジイル基等の炭化水素芳香族基や、ピリジンジイル基、フランジイル基、チオフェンジイル基、イミダゾリル基、インドールジイル基、キノキサリンジイル基等の芳香族複素環基が挙げられる。また、2価の芳香族基は、上記の酸性基以外の置換基を有していてもよい。置換基としては、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子等が挙げられる。なお、芳香環やそれを連結する2価の基等は、置換基としてハロゲン原子を有していてもよいが、その場合、ハロゲン原子の含有量はやはり15重量%以下である必要がある。   Divalent aromatic groups contained in the main chain include hydrocarbon aromatic groups such as phenylene group, naphthalene group, atracenylene group, fluorenediyl group, pyridinediyl group, frangyl group, thiophenediyl group, imidazolyl group. And aromatic heterocyclic groups such as indolediyl group and quinoxalinediyl group. Further, the divalent aromatic group may have a substituent other than the above acidic group. Examples of the substituent include an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, a nitro group, and a halogen atom. It is done. The aromatic ring and the divalent group connecting them may have a halogen atom as a substituent. In that case, the content of the halogen atom needs to be 15% by weight or less.

電解質膜12を構成する炭化水素系高分子電解質としては、上述したなかでも、高い発電性能を得るとともに、優れた耐久性を得る観点からは、上記(B)や(D)の高分子電解質が好ましく、(D)の高分子電解質であって、ブロック共重合体からなるものがより好ましい。   Among the hydrocarbon polymer electrolytes constituting the electrolyte membrane 12, among the above, the polymer electrolytes (B) and (D) described above are from the viewpoint of obtaining high power generation performance and excellent durability. Preferably, the polymer electrolyte of (D), which is made of a block copolymer, is more preferable.

このようなブロック共重合体からなる炭化水素系高分子電解質は、高分子電解質膜として、酸性基を有するドメインと、イオン交換基を実質的に有しないドメインとを併せ持つ相分離した構造、より好適にはミクロ相分離した構造が得られ易いものである。このミクロ相分離した構造において、前者のドメインはプロトン伝導性に寄与する一方、後者のドメインは機械的強度に寄与する。ここでいうミクロ相分離構造とは、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したときに、酸性基を有するブロックの密度がイオン交換基を実質的に有さないブロックの密度より高い微細な相(ミクロドメイン)と、イオン交換基を実質的に有さないブロックの密度が酸性基を有するブロックの密度より高い微細な相(ミクロドメイン)とが混在しており、各ミクロドメイン構造のドメイン幅(恒等周期)が数nm〜数100nmであるような構造をいう。炭化水素系高分子電解質としては、5nm〜100nmのドメイン幅を有するミクロドメイン構造を有する膜を形成し得るものが好ましい。特に、芳香族系高分子電解質からなる電解質膜の場合も、このようなミクロドメイン構造を有する膜を形成し得るものが好ましい。   A hydrocarbon-based polymer electrolyte comprising such a block copolymer is more suitable as a polymer electrolyte membrane, having a phase separated structure having both a domain having an acidic group and a domain having substantially no ion exchange group. It is easy to obtain a microphase-separated structure. In this microphase-separated structure, the former domain contributes to proton conductivity, while the latter domain contributes to mechanical strength. The microphase-separated structure referred to here is, for example, a fine structure in which the density of blocks having acidic groups is higher than the density of blocks having substantially no ion exchange groups when observed with a transmission electron microscope (TEM). A phase (microdomain) and a fine phase (microdomain) in which the density of blocks having substantially no ion exchange groups is higher than the density of blocks having acidic groups are mixed, and domains of each microdomain structure A structure having a width (constant period) of several nm to several hundred nm. As the hydrocarbon polymer electrolyte, those capable of forming a film having a microdomain structure having a domain width of 5 nm to 100 nm are preferable. In particular, in the case of an electrolyte membrane made of an aromatic polymer electrolyte, one that can form a membrane having such a microdomain structure is preferable.

ブロック共重合体は、異種のポリマーブロック同士が化学結合で結合されていることによって、分子鎖サイズのオーダーでの微視的相分離が生じ易いことから、ミクロ相分離構造の膜を良好に形成することができる。なお、ここでいうブロック共重合体には、複数のブロックから構成される線状高分子や、一部のブロックを分岐鎖として有するグラフト共重合体も含まれる。ブロック共重合体としては、上述した線状高分子の形態を有するブロック共重合体が好適である。   The block copolymer forms a microphase-separated structure well because microscopic phase separation on the order of molecular chain size is likely to occur due to chemical bonds between different polymer blocks. can do. The block copolymer here includes a linear polymer composed of a plurality of blocks and a graft copolymer having some blocks as branched chains. As a block copolymer, the block copolymer which has the form of the linear polymer mentioned above is suitable.

ここで、ブロック共重合体において、「酸性基を有するブロック」とは、かかるブロックを構成している繰り返し単位1個あたりに、酸性基が平均0.5個以上含まれているブロックであることを意味し、繰り返し単位1個あたりで平均1.0個以上含まれているブロックであるとより好ましい。一方、「イオン交換基を実質的に有しないブロック」とは、かかるブロックを構成している繰り返し単位1個あたり、イオン交換基が平均0.5個未満であるブロックであり、繰り返し単位1個あたり平均0.1個以下であるとより好ましく、平均0.05個以下であるとさらに好ましい。   Here, in the block copolymer, the “block having an acidic group” is a block in which 0.5 or more acidic groups are contained on an average per repeating unit constituting the block. And more preferably an average of 1.0 or more blocks per repeating unit. On the other hand, the “block having substantially no ion-exchange group” means a block having an average of less than 0.5 ion-exchange groups per one repeating unit constituting the block, and one repeating unit. It is more preferable that the average is 0.1 or less per unit, and it is further preferable that the average is 0.05 or less.

電解質膜12に好適なブロック共重合体の例としては、例えば、特開2005−126684号公報や特開2005−139432号公報に記載された芳香族ポリエーテル構造を有し、イオン交換基を有するブロックとイオン交換基を実質的に有しないブロックとからなるブロック共重合体が挙げられる。特に、酸性基を有するポリアリーレンブロックを有するブロック共重合体(本出願人による国際公開2006/95919号パンフレット参照)は、イオン伝導性と耐水性を高水準で達成する電解質膜を形成できるため、好ましい。   Examples of block copolymers suitable for the electrolyte membrane 12 include, for example, an aromatic polyether structure described in JP-A-2005-126684 and JP-A-2005-139432, and an ion-exchange group. Examples thereof include a block copolymer composed of a block and a block having substantially no ion exchange group. In particular, a block copolymer having a polyarylene block having an acidic group (see International Publication No. 2006/95919 pamphlet by the present applicant) can form an electrolyte membrane that achieves ion conductivity and water resistance at a high level. preferable.

電解質膜12を構成する炭化水素系高分子電解質の分子量は、その構造に応じて最適範囲を適宜設定することが好ましいが、例えば、GPC(ゲルパーミエイションクロマトグラフィー)法によるポリスチレン換算の数平均分子量で、1000〜1000000であると好ましい。この数平均分子量の下限は、より好ましくは5000以上、更に好ましくは10000以上である。一方、上限は、より好ましくは500000以下、更に好ましくは300000以下である。   The molecular weight of the hydrocarbon-based polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane 12 is preferably set in an optimum range according to the structure, but for example, a number average in terms of polystyrene by GPC (gel permeation chromatography) method. The molecular weight is preferably 1,000 to 1,000,000. The lower limit of the number average molecular weight is more preferably 5000 or more, and still more preferably 10,000 or more. On the other hand, the upper limit is more preferably 500,000 or less, still more preferably 300,000 or less.

さらに、電解質膜12は、上記の炭化水素系高分子電解質に加え、所望の特性に応じて、プロトン伝導性を著しく低下させない範囲で他の成分を含んでいてもよい。このような他の成分としては、通常の高分子に添加される可塑剤、安定剤、離型剤、保水剤等の添加剤が挙げられる。   Furthermore, the electrolyte membrane 12 may contain other components in addition to the above-described hydrocarbon polymer electrolyte in a range that does not significantly reduce proton conductivity according to desired characteristics. Examples of such other components include additives such as plasticizers, stabilizers, mold release agents, and water retention agents that are added to ordinary polymers.

特に、電解質膜12は、耐ラジカル性を付与できる安定剤を含むと好ましい。燃料電池10の動作中には、触媒層14a,14bにおいて生成した過酸化物が、電解質膜12に拡散しながらラジカル種に変化して、これが電解質膜12を構成している炭化水素系高分子電解質を劣化させることがある。電解質膜12がこのような劣化を抑制し得る安定剤を含むことによって、このような不都合を回避することができる。好適な安定化剤としては、例えば、本出願人による特開2003−282096号公報に開示されたような、下記一般式(2)で表される芳香族ホスホン酸類が好適である。

Figure 2009021235
In particular, the electrolyte membrane 12 preferably contains a stabilizer capable of imparting radical resistance. During the operation of the fuel cell 10, the peroxide generated in the catalyst layers 14 a and 14 b changes into radical species while diffusing into the electrolyte membrane 12, and this is a hydrocarbon polymer constituting the electrolyte membrane 12. It may degrade the electrolyte. Such an inconvenience can be avoided by including a stabilizer capable of suppressing such deterioration in the electrolyte membrane 12. As a suitable stabilizer, for example, aromatic phosphonic acids represented by the following general formula (2) as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-282096 by the present applicant are suitable.
Figure 2009021235

式(1a)中、ZはSO又はCOを示し、x及びyは、括弧内の構造単位の重合比を示し、x+y=1であってそれぞれ0.01〜0.99の範囲である。Ar11は、ヘテロ元素を含んでいてもよい炭素数4〜18の2価の芳香族基を示し、この芳香族基は置換基を有していてもよい。R11及びR12は、それぞれ独立に、水素原子又はアルキル基を示す。zは、Ar11で表される芳香族基に対する括弧内の置換基の平均置換数を示し、8以下の正の整数である。 In the formula (1a), Z represents SO 2 or CO, x and y represent the polymerization ratio of the structural units in parentheses, and x + y = 1, each in the range of 0.01 to 0.99. Ar 11 represents a C 4-18 divalent aromatic group which may contain a hetero element, and this aromatic group may have a substituent. R 11 and R 12 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group. z represents the average substitution number of substituents in parentheses to the aromatic group represented by Ar 11, which is 8 or less positive integer.

上記一般式(1a)で表される芳香族ホスホン酸類の共重合様式は特に限定されず、ランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合のいずれであってもよいが、製造の容易さの観点からは、ランダム共重合又は交互共重合であると好ましい。式(1a)中のP(O)(OR11)(OR12)で表される基は、R11及びR12がともに水素原子であるホスホン酸基であると好ましい。また、式(1a)におけるxの比率は、0.60〜0.90であると好ましく、0.70〜0.90であるとより好ましい。なお、芳香族ホスホン酸類は、上記一般式(1a)の構造単位に加えて、下記一般式(1b)で表される構造単位を更に含んでいてもよい。

Figure 2009021235

[式中、X11はハロゲン原子を示し、Ar12は、ヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数4〜18の2価の芳香族基を示す。yはAr12を含む高分子部分の繰り返し単位当たりのX11の置換数を示し、8以下の正の数である。] The mode of copolymerization of the aromatic phosphonic acids represented by the general formula (1a) is not particularly limited and may be any of random copolymerization, alternating copolymerization, and block copolymerization, but from the viewpoint of ease of production Is preferably random copolymerization or alternating copolymerization. The group represented by P (O) (OR 11 ) (OR 12 ) in formula (1a) is preferably a phosphonic acid group in which R 11 and R 12 are both hydrogen atoms. Moreover, the ratio of x in Formula (1a) is preferably 0.60 to 0.90, and more preferably 0.70 to 0.90. In addition, the aromatic phosphonic acids may further contain a structural unit represented by the following general formula (1b) in addition to the structural unit represented by the general formula (1a).
Figure 2009021235

[Wherein, X 11 represents a halogen atom, and Ar 12 represents a C 4-18 divalent aromatic group that may contain a hetero atom. y 2 represents the number of substitutions of X 11 per repeating unit of the polymer portion containing Ar 12 and is a positive number of 8 or less. ]

なお、電解質膜12は、必ずしも上述したような単層の構造を有している必要はなく、その機械的強度を向上させる目的で、炭化水素系高分子電解質と所定の支持体とを複合化した複合膜を用いることもできる。この支持体としては、フィブリル形状や多孔膜形状等の基材が挙げられる。   The electrolyte membrane 12 does not necessarily have a single-layer structure as described above. For the purpose of improving the mechanical strength, the hydrocarbon polymer electrolyte and a predetermined support are combined. A composite membrane can also be used. Examples of the support include substrates such as a fibril shape and a porous membrane shape.

(触媒層)
電解質膜12に隣接する触媒層14a,14bは、実質的に燃料電池における電極層として機能する層である。これらのいずれか一方がアノード電極層となり、他方がカソード電極層となる。触媒層14a,14bは、実質的に触媒として機能する触媒物質と、高分子電解質、好ましくは炭化水素系高分子電解質とを含有しており、より詳しくは、触媒物質が炭化水素系高分子電解質によって結着された構成を有する。
(Catalyst layer)
The catalyst layers 14a and 14b adjacent to the electrolyte membrane 12 are layers that substantially function as electrode layers in the fuel cell. One of these is the anode electrode layer, and the other is the cathode electrode layer. The catalyst layers 14a and 14b contain a catalyst substance that substantially functions as a catalyst and a polymer electrolyte, preferably a hydrocarbon polymer electrolyte. More specifically, the catalyst substance is a hydrocarbon polymer electrolyte. It has the structure bound by.

触媒物質としては、燃料電池の触媒層において触媒として用いられる成分を適用することができる。例えば、白金、白金−ルテニウム合金、白金−コバルト合金、錯体系電極触媒(例えば、高分子学会燃料電池材料研究会編、「燃料電池と高分子」、103〜112頁、共立出版、2005年11月10日発行に記載のもの)等が挙げられる。また、触媒物質としては、触媒層における電子の輸送を容易にするため、上記の物質等の触媒物質を、所定の導電性材料の表面に担持させた触媒担持体も好適である。この触媒担持体における導電性材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブ等の導電性カーボン材料、酸化チタン等のセラミック材料等が挙げられる。   As a catalyst substance, the component used as a catalyst in the catalyst layer of a fuel cell can be applied. For example, platinum, platinum-ruthenium alloy, platinum-cobalt alloy, complex-based electrocatalyst (for example, edited by Fuel Cell Material Research Society of Polymer Society, “Fuel Cell and Polymer”, pages 103-112, Kyoritsu Shuppan, 2005 11 And the like described in “Monthly issue”). Further, as the catalyst material, a catalyst carrier in which a catalyst material such as the above material is supported on the surface of a predetermined conductive material is also preferable in order to facilitate the transport of electrons in the catalyst layer. Examples of the conductive material in the catalyst carrier include conductive carbon materials such as carbon black and carbon nanotubes, and ceramic materials such as titanium oxide.

触媒層14a,14bに含まれる炭化水素系高分子電解質は、電解質膜12と触媒物質とのイオンのやり取りを容易にし、しかも触媒物質同士を決着させるバインダーとしても機能する。触媒層14a,14bの炭化水素系高分子電解質としては、上述した電解質膜12を構成する炭化水素系高分子電解質と同様のものを適用できる。電解質膜12における炭化水素系高分子電解質と、触媒層14a,14bにおける炭化水素系高分子電解質とは、同一であっても異なっていてもよい。また、触媒層14aと触媒層14bとが異なる炭化水素系高分子電解質を含有していてもよい。   The hydrocarbon polymer electrolyte contained in the catalyst layers 14a and 14b facilitates the exchange of ions between the electrolyte membrane 12 and the catalyst material, and also functions as a binder for fixing the catalyst materials together. As the hydrocarbon polymer electrolyte of the catalyst layers 14a and 14b, the same hydrocarbon polymer electrolyte as the electrolyte membrane 12 described above can be applied. The hydrocarbon polymer electrolyte in the electrolyte membrane 12 and the hydrocarbon polymer electrolyte in the catalyst layers 14a and 14b may be the same or different. Further, the catalyst layer 14a and the catalyst layer 14b may contain different hydrocarbon polymer electrolytes.

触媒層14a,14b中の炭化水素系高分子電解質の含有量は、上述した機能が良好に発揮される範囲で適宜選択することが好ましい。例えば、触媒物質が上述した担持体を形成している場合、炭化水素系高分子電解質の含有量は、担持体に対する質量比で0.05〜1.4であると好ましく、0.10〜1.2であるとより好ましく、0.15〜1.0であると更に好ましい。   The content of the hydrocarbon-based polymer electrolyte in the catalyst layers 14a and 14b is preferably selected as appropriate within the range in which the above-described functions are satisfactorily exhibited. For example, when the catalyst material forms the above-described support, the content of the hydrocarbon-based polymer electrolyte is preferably 0.05 to 1.4 in terms of mass ratio to the support, and 0.10 to 1 .2 and more preferably 0.15 to 1.0.

なお、触媒層14a,14bには、触媒物質及び炭化水素系高分子電解質に加え、当該層の機能を高める目的でその他の成分が含まれていてもよい。その他の成分としては、例えば、撥水性を高める観点から、PTFEなどの撥水剤が挙げられ、ガス拡散性を高める観点から、炭酸カルシウム等の造孔材が挙げられ、MEA20の耐久性を高める観点から金属酸化物等の安定剤が挙げられる。   The catalyst layers 14a and 14b may contain other components in addition to the catalyst material and the hydrocarbon-based polymer electrolyte for the purpose of enhancing the function of the layers. Examples of other components include water repellents such as PTFE from the viewpoint of enhancing water repellency, and pore formers such as calcium carbonate from the viewpoint of enhancing gas diffusibility, thereby enhancing the durability of MEA 20. From the viewpoint, stabilizers such as metal oxides can be mentioned.

(多孔質層)
多孔質層15a,15bは、触媒層14a,14bとガス拡散層16a,16bとの間に配置され、多数の微小な孔が形成された多孔質構造を有する層である。多孔質層15a,15bが有する孔の平均孔径は、10nm〜10μmであると好ましく、15nm〜1μmであるとより好ましく、20nm〜300nmであると更に好ましい。ここで、平均孔径とは、水銀圧入法を用いて、細孔分布を測定することにより得られた値である。
(Porous layer)
The porous layers 15a and 15b are layers that are disposed between the catalyst layers 14a and 14b and the gas diffusion layers 16a and 16b and have a porous structure in which a large number of minute holes are formed. The average pore diameter of the pores of the porous layers 15a and 15b is preferably 10 nm to 10 μm, more preferably 15 nm to 1 μm, and further preferably 20 nm to 300 nm. Here, the average pore diameter is a value obtained by measuring pore distribution using a mercury intrusion method.

また、多孔質層15a,15bの空隙率は、10%〜90%であると好ましい。なお、空隙率とは、多孔質層15a,15bの所定の単位体積に占める空孔の合計体積の割合であり、上述した水銀圧入法によって求められる累積細孔容積から求めることができる。   The porosity of the porous layers 15a and 15b is preferably 10% to 90%. The porosity is a ratio of the total volume of pores in a predetermined unit volume of the porous layers 15a and 15b, and can be obtained from the cumulative pore volume obtained by the mercury intrusion method described above.

多孔質層15a,15bの平均孔径が10nm未満、又は、空隙率が10%未満であると、当該層における反応ガスの拡散性が悪化し、燃料電池10において十分な発電を生じさせることが困難となるおそれがある。一方、平均孔径が10μmを超えるか、空隙率が90%を超えると、低加湿状態で電解質膜12や触媒層14a,14bに十分に水が供給されなくなって、燃料電池10の発電特性が低下する場合がある。   When the average pore diameter of the porous layers 15a and 15b is less than 10 nm or the porosity is less than 10%, the diffusibility of the reaction gas in the layers deteriorates, and it is difficult to generate sufficient power generation in the fuel cell 10. There is a risk of becoming. On the other hand, if the average pore diameter exceeds 10 μm or the porosity exceeds 90%, water is not sufficiently supplied to the electrolyte membrane 12 and the catalyst layers 14a and 14b in a low humidified state, and the power generation characteristics of the fuel cell 10 are deteriorated. There is a case.

多孔質層15a,15bは、触媒層14a,14bとガス拡散層16a,16bとの間の導電性を十分に保つため、導電性を有する材料から形成されることが好ましい。また、多孔質層15a,15bは、上述したような電解質膜12や触媒層14a,14bへの水の供給効果を高める観点から、それ自体が水を保持し過ぎないように、撥水性を有していることが好ましい。具体的には、層を形成したときの表面の水との接触角が90度以上であることが好ましく、100度以上であるとより好ましく、110度以上であると更に好ましく、120度以上であると特に好ましい。この接触角は、例えば、後述する製造工程において、多孔質層15a,15bをガス拡散層16a、16b等の上に形成させた後に、23℃、相対湿度50%の条件下、液適法で測定することによって求めることができる。   The porous layers 15a and 15b are preferably formed of a conductive material in order to sufficiently maintain the conductivity between the catalyst layers 14a and 14b and the gas diffusion layers 16a and 16b. In addition, the porous layers 15a and 15b have water repellency so that the porous layers 15a and 15b themselves do not hold too much water from the viewpoint of enhancing the water supply effect to the electrolyte membrane 12 and the catalyst layers 14a and 14b. It is preferable. Specifically, the contact angle with water on the surface when the layer is formed is preferably 90 degrees or more, more preferably 100 degrees or more, still more preferably 110 degrees or more, and 120 degrees or more. Particularly preferred. This contact angle is measured by a liquid-appropriate method under conditions of 23 ° C. and 50% relative humidity after the porous layers 15a and 15b are formed on the gas diffusion layers 16a and 16b and the like in the manufacturing process described later. You can ask for it.

上述した導電性及び撥水性を良好に得る観点から、多孔質層15a,15bは、導電性の材料(以下、「導電性材料」という)と撥水性の材料(以下、「撥水性材料」という)とを組み合わせて含む層であると好ましい。導電性材料としては、バルカン(米国キャボット社、登録商標)、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボン粒子、カーボン繊維、又は、酸化チタン等の無機材料が挙げられる。なかでも、加工性が良好であることから、カーボン粒子やカーボン繊維が好適である。また、撥水性材料としては、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂や、シリコーン系撥水材料等が挙げられる。なお、多孔質層15a,15bは、本発明の効果を妨げない範囲で、導電性材料や撥水性材料以外の材料を含有していてもよい。   From the viewpoint of obtaining good conductivity and water repellency as described above, the porous layers 15a and 15b are made of a conductive material (hereinafter referred to as “conductive material”) and a water repellent material (hereinafter referred to as “water repellent material”). ) In combination. Examples of the conductive material include carbon particles such as Vulcan (US Cabot Corporation, registered trademark), ketjen black, and acetylene black, carbon fibers, and inorganic materials such as titanium oxide. Of these, carbon particles and carbon fibers are preferred because of good processability. Examples of the water repellent material include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene and silicone water repellent materials. The porous layers 15a and 15b may contain materials other than the conductive material and the water repellent material as long as the effects of the present invention are not hindered.

多孔質層15a,15bの厚さは、1〜200μmであると好ましく、10〜180μmであるとより好ましい。このような厚さを有することで、電解質膜12や触媒層14a,14bへの水の供給効果が特に良好に得られる傾向にある。   The thickness of the porous layers 15a and 15b is preferably 1 to 200 μm, and more preferably 10 to 180 μm. By having such a thickness, the effect of supplying water to the electrolyte membrane 12 and the catalyst layers 14a and 14b tends to be obtained particularly well.

(ガス拡散層)
ガス拡散層16a,16bは、MEA20を挟むように設けられており、触媒層14a,14b等への原料ガスの拡散を促進するものである。このガス拡散層16a,16bは、電子伝導性を有する多孔質材料により構成されるものが好ましい。また、ガス拡散層16a,16bは、この上に上記多孔質層15a,15bが形成されることが多いことから、自己支持性を有しているとより好ましい。例えば、多孔質性のカーボン不織布やカーボンペーパーが、原料ガスを触媒層14a,14bへ効率的に輸送することができるため、好ましい。燃料電池10においては、電解質膜12、触媒層14a,14b、多孔質層15a,15b及びガス拡散層16a,16bによって、膜−電極−ガス拡散層接合体(MEGA)が構成される。
(Gas diffusion layer)
The gas diffusion layers 16a and 16b are provided so as to sandwich the MEA 20, and promote the diffusion of the source gas into the catalyst layers 14a and 14b and the like. The gas diffusion layers 16a and 16b are preferably made of a porous material having electron conductivity. The gas diffusion layers 16a and 16b are more preferably self-supporting because the porous layers 15a and 15b are often formed thereon. For example, a porous carbon non-woven fabric or carbon paper is preferable because the raw material gas can be efficiently transported to the catalyst layers 14a and 14b. In the fuel cell 10, a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA) is configured by the electrolyte membrane 12, the catalyst layers 14a and 14b, the porous layers 15a and 15b, and the gas diffusion layers 16a and 16b.

(セパレータ)
セパレータ18a,18bは、電子伝導性を有する材料で形成されており、かかる材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレス等が挙げられる。このセパレータ18a,18bは、図示しないが、触媒層14a,14b側に、燃料ガス等の流路となる溝が形成されていると好ましい。
(Separator)
Separator 18a, 18b is formed with the material which has electronic conductivity, As this material, carbon, resin mold carbon, titanium, stainless steel etc. are mentioned, for example. Although not shown, the separators 18a and 18b are preferably provided with a groove serving as a flow path for fuel gas or the like on the catalyst layers 14a and 14b side.

以上、燃料電池1の好適な構成について説明したが、燃料電池10は、例えば上述した構成がガスシール体等で封止されたものであってもよい(図示せず)。さらに、上記構造の燃料電池10は、直列に複数個接続して、燃料電池スタックとして実用に供することもできる。これらの構成を有する燃料電池は、燃料が水素である場合は固体高分子形燃料電池として、また燃料がメタノール水溶液である場合は直接メタノール型燃料電池として動作することができる。   Although the preferred configuration of the fuel cell 1 has been described above, the fuel cell 10 may be, for example, a configuration in which the above-described configuration is sealed with a gas seal body or the like (not shown). Furthermore, a plurality of the fuel cells 10 having the above structure can be connected in series to be put to practical use as a fuel cell stack. The fuel cell having these configurations can operate as a solid polymer fuel cell when the fuel is hydrogen, and as a direct methanol fuel cell when the fuel is an aqueous methanol solution.

[燃料電池の製造方法]
次に、上述した構成を有する燃料電池10を製造する方法の好適な例について説明する。
[Fuel Cell Manufacturing Method]
Next, a preferred example of a method for manufacturing the fuel cell 10 having the above-described configuration will be described.

燃料電池10の製造方法としては、電解質膜12を準備し、その表面上に各層を順次形成する方法が挙げられる。すなわち、まず、電解質層12の両面に、触媒層14a,14bを形成する。これにより、電解質膜12の両側に触媒層14a,14bが形成されたMEA20が得られる。   As a manufacturing method of the fuel cell 10, there is a method of preparing the electrolyte membrane 12 and sequentially forming each layer on the surface thereof. That is, first, catalyst layers 14 a and 14 b are formed on both surfaces of the electrolyte layer 12. Thereby, MEA 20 in which the catalyst layers 14a and 14b are formed on both sides of the electrolyte membrane 12 is obtained.

触媒層14a,14bは、触媒インクを準備し、これを電解質膜12に直接塗布した後、乾燥させることによって形成することができる。触媒インクを塗布する方法としては、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット等の公知の塗布方法が挙げられる。   The catalyst layers 14a and 14b can be formed by preparing catalyst ink, applying it directly to the electrolyte membrane 12, and then drying it. Examples of the method for applying the catalyst ink include known coating methods such as die coater, screen printing, spray method, and ink jet.

触媒インクとしては、水及び親水性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒と、触媒物質と、炭化水素系高分子電解質とを含み、且つ、この炭化水素系高分子電解質の少なくとも一部が上記溶媒に分散した状態で含まれるものが好ましい。   The catalyst ink includes at least one solvent selected from water and a hydrophilic solvent, a catalyst substance, and a hydrocarbon polymer electrolyte, and at least a part of the hydrocarbon polymer electrolyte is the above solvent. Those contained in a dispersed state are preferred.

このような触媒インクは、例えば、炭化水素系高分子電解質が有機溶媒に溶解した溶液を準備する工程(溶液調製工程)、この溶液に用いた有機溶媒を、水及び親水性溶媒から選択される溶媒であって炭化水素系高分子電解質に対して難溶又は不溶なものと置換して、炭化水素系高分子電解質の少なくとも一部が水及び親水性溶媒から選択される溶媒に分散したエマルション(分散液)を得る工程(溶媒置換工程)、このエマルションに触媒物質を加える工程(触媒添加工程)、及び、必要に応じて上記調製工程で用いた有機溶媒を除去する工程(溶媒除去工程)を行うことによって好適に製造することができる。   For such a catalyst ink, for example, a step of preparing a solution in which a hydrocarbon polymer electrolyte is dissolved in an organic solvent (solution preparation step), and the organic solvent used in the solution is selected from water and a hydrophilic solvent. An emulsion in which at least a part of a hydrocarbon polymer electrolyte is dispersed in a solvent selected from water and a hydrophilic solvent by substituting a solvent that is hardly soluble or insoluble in a hydrocarbon polymer electrolyte ( A step of obtaining a dispersion) (solvent replacement step), a step of adding a catalyst substance to this emulsion (catalyst addition step), and a step of removing the organic solvent used in the preparation step as necessary (solvent removal step). It can manufacture suitably by performing.

触媒インクの製造方法において、炭化水素系高分子電解質を含むエマルションは、炭化水素系高分子電解質を、これを溶解しない溶媒(水及び親水性溶媒から選択される溶媒)に分散させることによって得ることもできる。ここで、親水性溶媒としては、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒が挙げられる。なかでも、触媒インクに用いる溶媒としては、環境への負荷を軽減する観点から水、又は、水とアルコール系溶媒との混合溶媒が好適である。   In the catalyst ink production method, an emulsion containing a hydrocarbon polymer electrolyte is obtained by dispersing the hydrocarbon polymer electrolyte in a solvent that does not dissolve the polymer electrolyte (a solvent selected from water and a hydrophilic solvent). You can also. Here, examples of the hydrophilic solvent include alcohol solvents such as methanol and ethanol. Among these, water or a mixed solvent of water and an alcohol solvent is preferable as the solvent used in the catalyst ink from the viewpoint of reducing the burden on the environment.

また、上記の触媒添加工程は、例えば、触媒物質を溶媒に分散させた分散液中に、炭化水素系高分子電解質を含むエマルションを添加した後、これを超音波分散装置、ホモジナイザー、ボールミル、遊星ボールミル、サンドミル等により混合することによって行うことができる。   In addition, in the above catalyst addition step, for example, an emulsion containing a hydrocarbon-based polymer electrolyte is added to a dispersion in which a catalyst substance is dispersed in a solvent, and then this is added to an ultrasonic dispersion device, a homogenizer, a ball mill, a planetary planet. It can be performed by mixing with a ball mill, a sand mill or the like.

さらに、触媒添加工程後に得られた触媒インクは、必要に応じて、水及び親水性溶媒から選択される溶媒で更に希釈してもよく、エバポレーターを用いた濃縮を行うことにより溶液調製工程で用いた有機溶媒を除去してもよく、透析膜を用いた膜処理を行ってもよい。上述した触媒インクの調製方法によれば、炭化水素系高分子電解質の分散性が良好な触媒インクを調製することが可能となる。   Furthermore, the catalyst ink obtained after the catalyst addition step may be further diluted with a solvent selected from water and a hydrophilic solvent, if necessary, and is used in the solution preparation step by concentrating with an evaporator. The organic solvent may be removed, and membrane treatment using a dialysis membrane may be performed. According to the catalyst ink preparation method described above, it is possible to prepare a catalyst ink with good dispersibility of the hydrocarbon-based polymer electrolyte.

触媒層14a,14bの形成後には、続いて、これらの触媒層14a,14bの外側に多孔質層15a,15bを形成する。多孔質層15a,15bは、例えば、上述したような多孔質層の構成材料(導電性材料や撥水性材料)を水や親水性溶媒等の溶媒に溶解又は分散させた分散液(以下、「多孔質層用インク」という)を準備し、これを触媒層14a,14bの表面に塗布した後、乾燥させ溶媒を除去することによって形成することができる。多孔質層用インクに用いる溶媒としては、アルコール、特に低級アルコールが好ましい。多孔質層用インクの塗布方法としては、上述した触媒インクの場合と同様、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット等の公知の塗布方法を適用できる。   After the formation of the catalyst layers 14a and 14b, the porous layers 15a and 15b are subsequently formed outside the catalyst layers 14a and 14b. The porous layers 15a and 15b are, for example, a dispersion liquid (hereinafter referred to as “a porous material”) in which a constituent material (conductive material or water repellent material) of the porous layer described above is dissolved or dispersed in a solvent such as water or a hydrophilic solvent. It is formed by preparing a porous layer ink) and applying it to the surfaces of the catalyst layers 14a and 14b, followed by drying to remove the solvent. As the solvent used in the ink for the porous layer, alcohol, particularly lower alcohol is preferable. As a method for applying the ink for the porous layer, a known application method such as a die coater, screen printing, a spray method, and an ink jet can be applied as in the case of the catalyst ink described above.

多孔質層15a,15bを形成する際には、多孔質層用インクに用いる溶媒の種類、溶媒を蒸発させる速度、分散液中の多孔質層の構成材料の濃度等を適宜変化させることが好ましい。これらの条件を調整することによって、上述したような好適な平均孔径や空隙率を有する多孔質層15a,15bを形成することができる。   When forming the porous layers 15a and 15b, it is preferable to appropriately change the type of the solvent used in the ink for the porous layer, the evaporation rate of the solvent, the concentration of the constituent material of the porous layer in the dispersion, and the like. . By adjusting these conditions, it is possible to form the porous layers 15a and 15b having the preferable average pore diameter and porosity as described above.

燃料電池10の製造においては、その後、多孔質層15a,15bの外側に、カーボン不織布やカーボンペーパー等を配置してガス拡散層16a,16bを形成する。これにより、電解質膜12の両側に、触媒層14a,14b、多孔質層15a,15b及びガス拡散層16a,16bが順に配置されたMEGAが得られる。   In the manufacture of the fuel cell 10, the gas diffusion layers 16a and 16b are then formed by disposing a carbon non-woven fabric, carbon paper or the like outside the porous layers 15a and 15b. Thereby, MEGA in which the catalyst layers 14a and 14b, the porous layers 15a and 15b, and the gas diffusion layers 16a and 16b are sequentially arranged on both sides of the electrolyte membrane 12 is obtained.

その後、MEGAに対し、両側から挟みこむようにセパレータ18a,18bを配置する。そして、このようにして得られた積層体全体を、その積層方向にプレス等して各層を密着させることにより、上述した構成を有する燃料電池10を得ることができる。   Thereafter, the separators 18a and 18b are disposed so as to be sandwiched from both sides of the MEGA. And the fuel cell 10 which has the structure mentioned above can be obtained by pressing the whole laminated body obtained in this way in the laminating direction and bringing the layers into close contact with each other.

なお、燃料電池10の製造においては、触媒層14a,14bや多孔質層15a,15bは、上述したような触媒インクや多孔質層用インクを直接塗布して形成する方法以外に、所定の支持基材上にこれらの層を形成させたフィルムを別途形成し、このフィルムを用いて各層を転写することによって形成することもできる。   In the production of the fuel cell 10, the catalyst layers 14a and 14b and the porous layers 15a and 15b have a predetermined support in addition to the method of directly applying the catalyst ink or the porous layer ink as described above. It can also be formed by separately forming a film in which these layers are formed on a substrate and transferring each layer using this film.

例えば、触媒層14a,14bは、所定の支持基材上に触媒インクを塗布した後、乾燥させることで触媒層を形成したフィルムを準備し、このフィルムにおける触媒層を電解質膜12に転写した後、支持基材を剥離することによって形成することができる。ここで、支持基材としては、触媒層の転写後、容易に剥離し得るものが好ましく、例えば、ポリ(テトラフルオロエチレン)フィルムやポリイミドフィルム等が挙げられる。触媒層の転写は、電解質膜12に触媒層が接するように上記フィルムを重ねた後、これらをプレスすることによって行うことができる。   For example, the catalyst layers 14 a and 14 b are prepared by applying a catalyst ink on a predetermined support substrate and then drying it to prepare a film on which the catalyst layer is formed, and transferring the catalyst layer in this film to the electrolyte membrane 12. It can be formed by peeling the support substrate. Here, as a support base material, what can peel easily after transfer of a catalyst layer is preferable, for example, a poly (tetrafluoroethylene) film, a polyimide film, etc. are mentioned. The transfer of the catalyst layer can be performed by pressing the film after the film is stacked so that the catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane 12.

多孔質層15a,15bも同様に、所定の支持基材上に多孔質層を形成したフィルムを用い、このフィルムにおける多孔質層を触媒層14a,14bに転写することによって形成することができる。この場合、フィルムにおける多孔質層は、上述したような多孔質層用インクを支持基材上に塗布した後、乾燥させることによって形成することができる。   Similarly, the porous layers 15a and 15b can be formed by using a film in which a porous layer is formed on a predetermined support substrate and transferring the porous layer in the film to the catalyst layers 14a and 14b. In this case, the porous layer in the film can be formed by applying the porous layer ink as described above on the supporting substrate and then drying it.

さらに、フィルムとしては、支持基材上に多孔質層と触媒層との両方が形成されたものを用いてもよい。このようなフィルムを用いれば、電解質膜12に対して触媒層14a,14bと多孔質層15a,15bの両方を一度に転写することができる。   Furthermore, as a film, you may use what formed both the porous layer and the catalyst layer on the support base material. If such a film is used, both the catalyst layers 14 a and 14 b and the porous layers 15 a and 15 b can be transferred to the electrolyte membrane 12 at a time.

この場合、支持基材に代えて、ガス拡散層16a,16bを形成するためのカーボン不織布やカーボンペーパー等を用いてもよい。このようなフィルムを用いれば、触媒層、多孔質層及びガス拡散層をまとめて電解質膜12上に形成することができ、上述したMEGAが容易に得られる。   In this case, carbon non-woven fabric or carbon paper for forming the gas diffusion layers 16a and 16b may be used instead of the support base material. If such a film is used, the catalyst layer, the porous layer, and the gas diffusion layer can be collectively formed on the electrolyte membrane 12, and the above-described MEGA can be easily obtained.

そして、触媒層14a,14b、多孔質層15a,15b及びガス拡散層16a,16bは、以上のような方法を適宜組み合わせて形成することができる。すなわち、例えば、触媒層14a,14bを、電解質膜12への触媒インクの直接塗布によって形成した後、多孔質層15a,15bを、上記のフィルムを用いた方法によって形成するようにしてもよい。また、触媒層14a,14bを触媒インクの電解質膜12への直接塗布により形成した後に、ガス拡散層上に多孔質層が形成されたフィルムを用い、多孔質層15a,15b及びガス拡散層16a,16bをまとめて形成するようにしてもよい。これらは、各層の材料や所望とする特性に応じて適宜選択することが好ましい。   The catalyst layers 14a and 14b, the porous layers 15a and 15b, and the gas diffusion layers 16a and 16b can be formed by appropriately combining the above methods. That is, for example, after the catalyst layers 14a and 14b are formed by directly applying the catalyst ink to the electrolyte membrane 12, the porous layers 15a and 15b may be formed by a method using the above-described film. Further, after the catalyst layers 14a and 14b are formed by directly applying the catalyst ink to the electrolyte membrane 12, a film in which a porous layer is formed on the gas diffusion layer is used, and the porous layers 15a and 15b and the gas diffusion layer 16a are used. 16b may be formed together. These are preferably selected as appropriate according to the material of each layer and desired properties.

以上、本発明のMEGA及び燃料電池の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態には必ずしも限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更してもよい。すなわち、本発明の燃料電池は、上述した燃料電池10における各層を有するものに限られず、これら以外の層を備えていてもよく、また必須の構成を具備する限り一部の層を有していなくてもよい。例えば、燃料電池10において、多孔質層15a,15bは、電解質膜12の両側に形成されていたが、いずれか一方の側にのみ形成されていてもよい。多孔質層が少なくとも一方に形成されていれば、低加湿状態でのイオン伝導性の向上効果が十分に得られるようになる。この場合、多孔質層は、アノード側よりもカソード側に設置されるほうが、本発明の効果を良好に得られる傾向にあるため、より好ましい。   The preferred embodiments of the MEGA and the fuel cell of the present invention have been described above. However, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and may be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. That is, the fuel cell of the present invention is not limited to the above-described fuel cell 10 having each layer, and may include other layers, or may have some layers as long as the essential configuration is provided. It does not have to be. For example, in the fuel cell 10, the porous layers 15 a and 15 b are formed on both sides of the electrolyte membrane 12, but may be formed only on either one side. If the porous layer is formed on at least one side, the effect of improving ion conductivity in a low humidified state can be sufficiently obtained. In this case, it is more preferable to install the porous layer on the cathode side than on the anode side because the effects of the present invention tend to be obtained well.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.

まず、以下の実施例及び比較例で製造したポリマーの分子量(重量平均分子量、数平均分子量)の測定方法、及び、高分子電解質のイオン交換容量(IEC)の測定方法について説明する。   First, a method for measuring the molecular weight (weight average molecular weight, number average molecular weight) of the polymers produced in the following Examples and Comparative Examples and a method for measuring the ion exchange capacity (IEC) of the polymer electrolyte will be described.

(分子量の測定)
測定対象のポリマーの重量平均分子量は、下記の条件でゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)による測定を行い、その結果をポリスチレン換算することによって算出した。なお、GPC条件は以下に示す通りとした。
・カラム :TOSOH社製 TSK gel GMHHHR−M1本
・カラム温度 :40℃
・移動相溶媒:N,N−ジメチルホルムアミド(LiBrを10mmol/dmになるように添加)
・溶媒流量:0.5mL/分
(Measurement of molecular weight)
The weight average molecular weight of the polymer to be measured was calculated by performing gel permeation chromatography (GPC) measurement under the following conditions and converting the result into polystyrene. The GPC conditions were as shown below.
・ Column: TOS gel GMHHHR-M1 made by TOSOH ・ Column temperature: 40 ° C.
Mobile phase solvent: N, N-dimethylformamide (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
・ Solvent flow rate: 0.5 mL / min

(イオン交換容量)
まず、測定対象の高分子電解質を、ジメチルスルホキシド(DMSO)に約10〜30重量%の濃度となるように溶解して高分子電解質溶液を調製した。この高分子電解質溶液を、ガラス板上に塗り広げた後、80℃で常圧乾燥することにより高分子電解質膜を得た。次に、得られた膜を2N塩酸に2時間浸漬した後、イオン交換水で洗浄して、高分子電解質膜のイオン交換基をプロトン型に変換した。
(Ion exchange capacity)
First, the polymer electrolyte to be measured was dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) to a concentration of about 10 to 30% by weight to prepare a polymer electrolyte solution. This polymer electrolyte solution was spread on a glass plate and then dried at 80 ° C. under normal pressure to obtain a polymer electrolyte membrane. Next, the obtained membrane was immersed in 2N hydrochloric acid for 2 hours and then washed with ion-exchanged water to convert the ion exchange group of the polymer electrolyte membrane into a proton type.

それから、ハロゲン水分率計を用い、105℃で乾燥させて、プロトン型に変換された高分子電解質膜の絶乾重量を求めた。この高分子電解質膜を0.1mol/L水酸化ナトリウム水溶液5mLに浸漬した後、更に50mLのイオン交換水を加えて2時間放置した。その後、この高分子電解質膜が浸漬された溶液に、0.1mol/Lの塩酸を徐々に加えて滴定を行い、その中和点を求めた。そして、高分子電解質膜の絶乾重量と上記の中和に要した塩酸の量とから、高分子電解質膜のIECを算出し、これを高分子電解質のイオン交換容量とした。   Then, the dry weight of the polymer electrolyte membrane converted into the proton type was obtained by drying at 105 ° C. using a halogen moisture meter. This polymer electrolyte membrane was immersed in 5 mL of a 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution, and further 50 mL of ion exchange water was added and left for 2 hours. Thereafter, 0.1 mol / L hydrochloric acid was gradually added to the solution in which the polymer electrolyte membrane was immersed, and titration was performed to obtain the neutralization point. The IEC of the polymer electrolyte membrane was calculated from the absolute dry weight of the polymer electrolyte membrane and the amount of hydrochloric acid required for the neutralization, and this was used as the ion exchange capacity of the polymer electrolyte.

[高分子電解質膜の作製]
(高分子電解質1の合成)
国際公開2006/095919号パンフレット記載の方法に準拠し、下記化学式(2)で表される高分子電解質を得た(なお、化学式(2)の「block」の記載は、括弧内の繰返し単位からなるブロックを有するブロック共重合体であることを示す)。得られた高分子電解質1の重量平均分子量は2.3×10であり、数平均分子量は1.1×10であり、イオン交換容量(IEC)は2.2meq/gであった。

Figure 2009021235
[Production of polymer electrolyte membrane]
(Synthesis of polymer electrolyte 1)
In accordance with the method described in the pamphlet of International Publication No. 2006/095919, a polymer electrolyte represented by the following chemical formula (2) was obtained (Note that the description of “block” in the chemical formula (2) is based on the repeating unit in parentheses. It is a block copolymer having a block. The obtained polymer electrolyte 1 had a weight average molecular weight of 2.3 × 10 5 , a number average molecular weight of 1.1 × 10 5 , and an ion exchange capacity (IEC) of 2.2 meq / g.
Figure 2009021235

(安定剤ポリマーの合成)
(a)ポリマーaの合成
まず、減圧共沸蒸留装置を備えた2Lのセパラブルフラスコを窒素置換し、これに4,4’−ジクロロジフェニルスルホン63.40g、4,4’−ジヒドロキシビフェニル70.81g、N−メチル2−ピロリドン(NMP)955gを加えて均一な溶液とした。その後、炭酸カリウム92.80gを添加し、NMPを留去しながら135℃〜150℃で4.5時間減圧脱水した。その後、ジクロロジフェニルスルホン200.10gを添加し、180℃で21時間反応を行った。
(Synthesis of stabilizer polymer)
(A) Synthesis of Polymer a First, a 2 L separable flask equipped with a vacuum azeotropic distillation apparatus was purged with nitrogen, and this was replaced with 63.40 g of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 70. 4,4′-dihydroxybiphenyl. 81 g and 955 g of N-methyl 2-pyrrolidone (NMP) were added to obtain a uniform solution. Thereafter, 92.80 g of potassium carbonate was added, and dehydrated under reduced pressure at 135 ° C. to 150 ° C. for 4.5 hours while NMP was distilled off. Thereafter, 200.10 g of dichlorodiphenylsulfone was added, and the reaction was performed at 180 ° C. for 21 hours.

反応終了後、反応溶液をメタノールに滴下し、これにより析出した固体をろ過、回収した。回収した固体は、更にメタノール洗浄及び水洗浄を行った後、熱メタノール洗浄を経て乾燥させ、これにより275.55gのポリマーaを得た。ポリマーaは、下記化学式(3)で表される構造を有する。   After completion of the reaction, the reaction solution was added dropwise to methanol, and the precipitated solid was filtered and collected. The recovered solid was further washed with methanol and washed with water, and then dried with hot methanol, whereby 275.55 g of polymer a was obtained. The polymer a has a structure represented by the following chemical formula (3).

このポリマーaは、GPC測定によるポリスチレン換算の重量平均分子量が18000であり、NMR測定の積分値から求めたqとpの比がq:p=7:3であった。なお、下記式(3)中の「random」の表記は、ポリマーaを形成する構成単位が、ランダムに共重合されていることを示す。

Figure 2009021235
This polymer a had a polystyrene-equivalent weight average molecular weight of 18000 as measured by GPC, and the ratio of q and p determined from the integrated value of NMR measurement was q: p = 7: 3. In addition, the notation of “random” in the following formula (3) indicates that the constituent units forming the polymer a are copolymerized randomly.
Figure 2009021235

(b)ポリマーbの合成
2Lのセパラブルフラスコを窒素置換し、上記のポリマーaの80.00g及びニトロベンゼンの1014.12gを加え、均一な溶液とした。その後、N−ブロモスクシンイミドを50.25g添加し、15℃まで冷却した。続いて、95%濃硫酸106.42gを40分かけて滴下し、15℃で6時間反応させた。6時間後、15℃に冷却しながら10重量%水酸化ナトリウム水溶液450.63g及びチオ硫酸ナトリウム18.36gを添加した。その後、この溶液をメタノールに滴下し、これにより析出した固体をろ過、回収した。回収した固体はメタノール洗浄及び水洗浄を行った後、再度メタノール洗浄を経て乾燥させて、86.38gのポリマーbを得た。得られたポリマーbの臭素含有率及び分子量を分析した結果は以下のとおりであった。
臭素含有率 19.5質量%
数平均分子量 7.7×10
重量平均分子量 1.1×10
(B) Synthesis of polymer b A 2 L separable flask was purged with nitrogen, and 80.00 g of the polymer a and 1014.12 g of nitrobenzene were added to obtain a uniform solution. Thereafter, 50.25 g of N-bromosuccinimide was added and cooled to 15 ° C. Subsequently, 106.42 g of 95% concentrated sulfuric acid was added dropwise over 40 minutes and reacted at 15 ° C. for 6 hours. After 6 hours, 450.63 g of a 10 wt% aqueous sodium hydroxide solution and 18.36 g of sodium thiosulfate were added while cooling to 15 ° C. Thereafter, this solution was added dropwise to methanol, and the precipitated solid was filtered and collected. The recovered solid was washed with methanol and washed with water, then again washed with methanol and dried to obtain 86.38 g of polymer b. The results of analyzing the bromine content and molecular weight of the obtained polymer b were as follows.
Bromine content 19.5% by mass
Number average molecular weight 7.7 × 10 3
Weight average molecular weight 1.1 × 10 4

(c)ポリマーcの合成
減圧共沸蒸留装置を備えた2Lのセパラブルフラスコを窒素置換し、ポリマーbの80.07g、及び、ジメチルホルムアミド116.99gを加えて均一な溶液とした。その後、ジメチルホルムアミドを留去しながら5時間減圧脱水をおこなった。5時間後、50℃まで冷却し、塩化ニッケルを41.87g添加して130℃まで昇温し、更に亜リン酸トリエチルを69.67g滴下して、140℃〜145℃で2時間反応をおこなった。2時間後、亜リン酸トリエチルを更に17.30g添加し、145℃〜150℃で3時間反応をおこなった。3時間後、室温まで冷却し、水1161gとエタノール929gの混合溶液を滴下して、これにより析出した固体をろ過、回収した。回収した固体に水を添加して十分に粉砕し、これを5重量%塩酸水溶液による洗浄及び水洗浄を経て、86.83gのポリマーcを得た。
(C) Synthesis of polymer c A 2 L separable flask equipped with a vacuum azeotropic distillation apparatus was purged with nitrogen, and 80.07 g of polymer b and 116.99 g of dimethylformamide were added to obtain a uniform solution. Thereafter, dehydration under reduced pressure was performed for 5 hours while distilling off dimethylformamide. After 5 hours, the mixture was cooled to 50 ° C., 41.87 g of nickel chloride was added, the temperature was raised to 130 ° C., and 69.67 g of triethyl phosphite was added dropwise, and the reaction was carried out at 140 ° C. to 145 ° C. for 2 hours. It was. After 2 hours, an additional 17.30 g of triethyl phosphite was added, and the reaction was carried out at 145 ° C. to 150 ° C. for 3 hours. After 3 hours, the mixture was cooled to room temperature, a mixed solution of 1161 g of water and 929 g of ethanol was added dropwise, and the precipitated solid was filtered and collected. Water was added to the collected solid and sufficiently pulverized, and this was washed with a 5 wt% aqueous hydrochloric acid solution and washed with water to obtain 86.83 g of polymer c.

(d)ポリマーd(安定剤ポリマー)の合成
5Lのセパラブルフラスコを窒素置換し、ポリマーcの75.00g、35重量%塩酸1200g、及び、水550gを加え、105℃〜110℃で15時間攪拌した。15時間後、室温まで冷却した反応液を、水1500gに滴下した。その後、系中の固体をろ過、回収し、得られた固体を水洗浄及び熱水洗浄した。乾燥後、目的とする安定剤である下記式(4)で表されるポリマーdを72.51g得た。得られたポリマーdの元素分析から求めたリンの含有率は5.1%であり、元素分析値から計算した下記式(4)中のx(ビフェニリレンオキシ基1個あたりのホスホン酸基の数)の値は1.6であった。このポリマーdを、高分子電解質膜形成の際に安定剤として用いた。得られたポリマーdの臭素含有率及び分子量を分析した結果は以下のとおりであった。
臭素含有率 0.1質量%
数平均分子量 1.4×10
重量平均分子量 2.2×10

Figure 2009021235
(D) Synthesis of polymer d (stabilizer polymer) A 5 L separable flask was replaced with nitrogen, 75.00 g of polymer c, 1200 g of 35 wt% hydrochloric acid, and 550 g of water were added, and the reaction was performed at 105 ° C. to 110 ° C. for 15 hours. Stir. After 15 hours, the reaction solution cooled to room temperature was added dropwise to 1500 g of water. Thereafter, the solid in the system was filtered and collected, and the obtained solid was washed with water and hot water. After drying, 72.51 g of polymer d represented by the following formula (4), which is the intended stabilizer, was obtained. The phosphorus content determined from the elemental analysis of the obtained polymer d was 5.1%, and x in the following formula (4) calculated from the elemental analysis value was calculated based on the number of phosphonic acid groups per one biphenylyleneoxy group. The value of (number) was 1.6. This polymer d was used as a stabilizer in forming the polymer electrolyte membrane. The results of analyzing the bromine content and molecular weight of the obtained polymer d were as follows.
Bromine content 0.1% by mass
Number average molecular weight 1.4 × 10 4
Weight average molecular weight 2.2 × 10 4
Figure 2009021235

(高分子電解質膜の製造)
上記の製造方法により得られた高分子電解質1と、添加剤であるポリマーdの混合物(高分子電解質:添加剤=90:10、重量比)を、DMSOに約10重量%の濃度となるように溶解させて、高分子電解質溶液を調製した。次いで、この高分子電解質溶液をガラス板上に滴下した。それから、ワイヤーコーターを用いて高分子電解質溶液をガラス板上に均一に塗り広げた。この際、0.5mmクリアランスのワイヤーコーターを用いることにより塗工厚みをコントロールした。塗布後、高分子電解質溶液を80℃で常圧乾燥した。これにより得られた膜を、1mol/Lの塩酸に浸漬した後、イオン交換水で洗浄し、さらに常温乾燥することによって厚さ30μmの高分子電解質膜を得た。
(Manufacture of polymer electrolyte membrane)
The mixture of polymer electrolyte 1 obtained by the above production method and polymer d as an additive (polymer electrolyte: additive = 90: 10, weight ratio) is adjusted to a concentration of about 10% by weight in DMSO. To obtain a polymer electrolyte solution. Next, this polymer electrolyte solution was dropped on a glass plate. Then, the polymer electrolyte solution was uniformly spread on the glass plate using a wire coater. At this time, the coating thickness was controlled by using a wire coater having a clearance of 0.5 mm. After application, the polymer electrolyte solution was dried at 80 ° C. under normal pressure. The membrane thus obtained was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid, then washed with ion-exchanged water, and further dried at room temperature to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm.

[触媒インク1の作製]
(高分子電解質エマルションAの調製)
(a)スルホン酸基を有する高分子化合物の合成
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムを9.32重量部、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウムを4.20重量部、DMSOを59.6重量部、トルエンを9.00重量部それぞれ加え、これらを室温で撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
[Preparation of catalyst ink 1]
(Preparation of polymer electrolyte emulsion A)
(A) Synthesis of polymer compound having sulfonic acid group 9.32 parts by weight of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate in an argon atmosphere in a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus Then, 4.20 parts by weight of potassium 2,5-dihydroxybenzenesulfonate, 59.6 parts by weight of DMSO and 9.00 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring them at room temperature.

その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを2.67重量部加え、140℃で加熱撹拌して共沸脱水した。その後、トルエンを留去しながら加熱を続け、スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液を得た。総加熱時間は14時間とした。得られた溶液は室温で放冷した。   Thereafter, 2.67 parts by weight of potassium carbonate was added to the resulting mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while distilling off toluene to obtain a DMSO solution of a polymer compound having a sulfonic acid group. The total heating time was 14 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature.

(b)イオン交換基を実質的に有しない高分子化合物の合成
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホンを8.32重量部、2,6−ジヒドロキシナフタレンを5.36重量部、DMSOを30.2重量部、NMPを30.2重量部、及び、トルエンを9.81重量部それぞれ加え、室温で撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
(B) Synthesis of polymer compound having substantially no ion exchange group In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 8.32 parts by weight of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 2,6- Dihydroxynaphthalene (5.36 parts by weight), DMSO (30.2 parts by weight), NMP (30.2 parts by weight), and toluene (9.81 parts by weight) were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring at room temperature.

その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを5.09重量部加え、140℃で加熱撹拌して共沸脱水した。その後、トルエンを留去しながら加熱を続けた。総加熱時間は5時間とした。得られた溶液を室温で放冷し、イオン交換基を実質的に有しない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を得た。   Thereafter, 5.09 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, followed by azeotropic dehydration by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while toluene was distilled off. The total heating time was 5 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature to obtain a NMP / DMSO mixed solution of a polymer compound substantially free of ion exchange groups.

(c)ブロック共重合体の合成
上記で得られたイオン交換基を実質的に有しない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を攪拌しながら、これに、上記スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液の全量と、NMP80.4重量部及びDMSO45.3重量部を加え、150℃にて40時間反応させてブロック共重合体を得た。
(C) Synthesis of block copolymer While stirring the NMP / DMSO mixed solution of the polymer compound substantially having no ion-exchange group obtained above, the polymer compound having the sulfonic acid group was added to this. The total amount of DMSO solution, 80.4 parts by weight of NMP and 45.3 parts by weight of DMSO were added and reacted at 150 ° C. for 40 hours to obtain a block copolymer.

得られた反応液を大量の2N塩酸に滴下し、1時間浸漬させた。その後、生成した沈殿物を濾別した後、これを再度2N塩酸に1時間浸漬した。得られた沈殿物を濾別、水洗した後、95℃の大量の熱水に1時間浸漬した。そして、この溶液を80℃で12時間乾燥させることにより、下記式(5)で表されるブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体を、高分子電解質2とする。このブロック共重合体(高分子電解質2)のイオン交換容量は、1.9meq/g、重量平均分子量は4.2×10、数平均分子量は6.0×10であった。

Figure 2009021235
The obtained reaction solution was dropped into a large amount of 2N hydrochloric acid and immersed for 1 hour. Thereafter, the generated precipitate was separated by filtration, and then again immersed in 2N hydrochloric acid for 1 hour. The obtained precipitate was filtered and washed with water, and then immersed in a large amount of hot water at 95 ° C. for 1 hour. And the block copolymer represented by following formula (5) was obtained by drying this solution at 80 degreeC for 12 hours. The obtained block copolymer is referred to as polymer electrolyte 2. The ion exchange capacity of this block copolymer (polymer electrolyte 2) was 1.9 meq / g, the weight average molecular weight was 4.2 × 10 5 , and the number average molecular weight was 6.0 × 10 4 .
Figure 2009021235

(d)高分子電解質エマルションの調製
上記のようにして得られた式(5)で表される高分子電解質2を、1−メチル−2−ピロリドン(NMP)に1.0重量%となるように溶解させて、高分子電解質溶液100gを作製した。次いで、この溶液100gを、ビュレットを用いて、蒸留水900gに、滴下速度3〜5g/分で滴下することにより、この溶液を希釈した。希釈された高分子電解質溶液を、透析膜透析用セルロースチューブ(三光純薬(株)製UC36−32−100:分画分子量14,000)を用い、72時間流水で処理して、溶媒の置換を行った。この溶媒置換を行った溶液を、エバポレーターを用いて、2.2重量%の濃度となるまで濃縮し、これにより高分子電解質エマルションAを作製した。
(D) Preparation of polyelectrolyte emulsion The polyelectrolyte 2 represented by the formula (5) obtained as described above is 1.0% by weight in 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP). To 100 g of a polymer electrolyte solution. Next, 100 g of this solution was added dropwise to 900 g of distilled water at a dropping rate of 3 to 5 g / min using a burette, thereby diluting the solution. The diluted polymer electrolyte solution was treated with running water for 72 hours using a cellulose tube for dialysis membrane dialysis (UC36-32-100, manufactured by Sanko Junyaku Co., Ltd .: molecular weight cut off 14,000) to replace the solvent. Went. The solvent-substituted solution was concentrated using an evaporator to a concentration of 2.2% by weight, thereby producing a polymer electrolyte emulsion A.

(触媒インク1の調製)
上記の高分子電解質エマルションAの3.35gに、70重量%白金が担持された白金担持カーボンを0.50g加え、さらにエタノール21.83g及び水3.23gを加えた。得られた混合物を1時間超音波処理した後、スターラーで6時間攪拌して触媒インク1を得た。
(Preparation of catalyst ink 1)
To 3.35 g of the polymer electrolyte emulsion A, 0.50 g of platinum-carrying carbon carrying 70 wt% platinum was added, and 21.83 g of ethanol and 3.23 g of water were further added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred with a stirrer for 6 hours to obtain catalyst ink 1.

[触媒インク2の作製]
(高分子電解質エマルションBの調製)
ディーンスターク管を取り付けた200mLフラスコに、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム4.00g(16.06mmol)、2,2’−ビピリジル7.24g(46.38mmol)、クロロ基を両末端に有するポリエーテルスルホン(住友化学社製、商品名「スミカエクセルPES 5200P」)1.51g、1−(4−ブロモベンジルオキシ)−2,5−ジクロロベンゼン553mg(1.61mmol)、ジメチルスルホキシド100mL及びトルエン35mLを加え、アルゴン雰囲気下、100℃で9時間減圧共沸脱水を行った後、トルエンを系外に留去し、70℃まで放冷した。次に、70℃でNi(cod)11.60g(42.16mmol)を一気に添加した。Ni(cod)添加直後85℃まで温度上昇したが、バス温はそのままで攪拌した。Ni(cod)添加後、約5分程度で重合溶液がゲル化したが、そのまま30分間攪拌を続けた。
[Preparation of catalyst ink 2]
(Preparation of polymer electrolyte emulsion B)
A 200 mL flask equipped with a Dean-Stark tube has 4.00 g (16.06 mmol) of sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate, 7.24 g (46.38 mmol) of 2,2′-bipyridyl, and chloro groups at both ends. Polyethersulfone (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., trade name “SUMICA EXCEL PES 5200P”) 1.51 g, 1- (4-bromobenzyloxy) -2,5-dichlorobenzene 553 mg (1.61 mmol), dimethyl sulfoxide 100 mL and toluene After adding 35 mL and performing azeotropic dehydration under reduced pressure at 100 ° C. for 9 hours under an argon atmosphere, toluene was distilled out of the system and the mixture was allowed to cool to 70 ° C. Next, 11.70 g (42.16 mmol) of Ni (cod) 2 was added all at once at 70 ° C. Immediately after the addition of Ni (cod) 2, the temperature rose to 85 ° C., but the bath temperature was kept as it was and stirred. After addition of Ni (cod) 2 , the polymerization solution gelled in about 5 minutes, but stirring was continued for 30 minutes.

その後、得られたゲル状の重合溶液をメタノールに投入し、生成した架橋芳香族ポリマーをメタノール洗浄/濾過操作を3回繰り返し、6mol/L塩酸水溶液による洗浄・濾過操作を3回繰り返し、脱イオン水で濾液が中性になるまで洗浄/濾過操作を繰り返した。その後、80℃で乾燥して、3.86gの固体状の架橋芳香族高分子を得た。これを高分子電解質3とする。次に、サンプルミルで上記固体状の架橋芳香族高分子1.40gをサンプルミルで5分間粉砕した後、脱イオン水149gと混合し、ホモジナイザー(日本精機製作所製、商品名「超音波ホモジナイザー US−150T」)により、目視で沈殿物が認められなくなるまで20分間粉砕する工程を3回行い、0.9質量%の高分子電解質エマルションBを得た。   Thereafter, the obtained gel-like polymerization solution was poured into methanol, and the resulting crosslinked aromatic polymer was repeatedly washed with methanol / filtered three times, and washed / filtered with a 6 mol / L aqueous hydrochloric acid solution three times to deionize. The washing / filtration operation was repeated until the filtrate was neutral with water. Thereafter, it was dried at 80 ° C. to obtain 3.86 g of a solid crosslinked aromatic polymer. This is designated as polymer electrolyte 3. Next, 1.40 g of the above-mentioned solid crosslinked aromatic polymer was pulverized with a sample mill for 5 minutes, mixed with 149 g of deionized water, and homogenizer (trade name “Ultrasonic Homogenizer US, manufactured by Nippon Seiki Seisakusho”). -150T "), the step of pulverizing for 20 minutes was performed three times until no precipitate was observed visually, and 0.9% by mass of polymer electrolyte emulsion B was obtained.

(触媒インク2の調製)
得られた高分子電解質エマルションB2.67gに、70重量%白金が担持された白金担持カーボンを0.50g加え、さらにエタノール28.19g及び水4.17gを加えた。得られた混合物を1時間超音波処理した後、スターラーで6時間攪拌して触媒インク2を得た。
(Preparation of catalyst ink 2)
To 2.67 g of the obtained polymer electrolyte emulsion B, 0.50 g of platinum-carrying carbon carrying 70 wt% platinum was added, and further 28.19 g of ethanol and 4.17 g of water were added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred for 6 hours with a stirrer to obtain catalyst ink 2.

[触媒インク3の作製]
(高分子電解質エマルションCの調製)
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、DMSO(ジメチルスルホキシド)600ml、トルエン200mL、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム26.5g(106.3mmol)、末端クロロ型であるポリエーテルスルホン(住友化学株式会社製、商品名:スミカエクセルPES5200P、数平均分子量=5.4×10、重量平均分子量=1.2×10)10.0g、及び2,2’−ビピリジル43.8g(280.2mmol)を入れて攪拌した。その後、オイルバスの温度を150℃に昇温して、トルエンを留去しながら系内の水分を共沸脱水した後、60℃に冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)73.4g(266.9mmol)を加えてオイルバスの温度を80℃に昇温し、同温度で5時間攪拌して反応液を得た。
[Preparation of catalyst ink 3]
(Preparation of polymer electrolyte emulsion C)
Under an argon atmosphere, in a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, DMSO (dimethyl sulfoxide) 600 ml, toluene 200 mL, sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate 26.5 g (106.3 mmol), terminal sulfone type polyethersulfone (Sumitomo Chemical Co., Ltd., trade name: Sumika Excel PES5200P, number average molecular weight = 5.4 × 10 4 , weight average molecular weight = 1.2 × 10 5 ) 10.0 g, and 2,2′-bipyridyl 43.8 g (280.2 mmol) was added and stirred. Then, the temperature of the oil bath was raised to 150 ° C., and water in the system was azeotropically dehydrated while distilling off toluene, then cooled to 60 ° C., and bis (1,5-cyclooctadiene) nickel ( 0) 73.4 g (266.9 mmol) was added, and the temperature of the oil bath was raised to 80 ° C., followed by stirring at the same temperature for 5 hours to obtain a reaction solution.

放冷後、この反応液を大量の6mol/Lの塩酸中に注ぐことによってポリマーを析出させて、このポリマーを濾別した。その後、6mol/L塩酸で濾別したポリマーの洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまでポリマーの水洗を行い、さらに90℃以上の熱水で2時間攪拌して熱水洗浄を行い、濾別した。次いで、減圧乾燥することにより、ポリアリーレン系ブロック共重合体(高分子電解質4)16.3gを得た。高分子電解質4の数平均分子量は100000、重量平均分子量は260000であった。
なお、これらの数平均分子量及び重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により測定し、標準ポリスチレン検量線を用いて求められたものである。
After allowing to cool, the reaction solution was poured into a large amount of 6 mol / L hydrochloric acid to precipitate a polymer, and the polymer was separated by filtration. Thereafter, washing and filtering of the polymer filtered off with 6 mol / L hydrochloric acid were repeated several times, and then the polymer was washed with water until the filtrate became neutral, and further stirred with hot water at 90 ° C. or higher for 2 hours. It was washed with water and filtered off. Next, 16.3 g of a polyarylene block copolymer (polymer electrolyte 4) was obtained by drying under reduced pressure. The number average molecular weight of the polymer electrolyte 4 was 100,000, and the weight average molecular weight was 260000.
In addition, these number average molecular weights and weight average molecular weights are measured by gel permeation chromatography (GPC) and determined using a standard polystyrene calibration curve.

1.0gの高分子電解質4を、N−メチルピロリドン(NMP)99gに溶解させて溶液100gを作製した。次に、900gの水を攪拌しながら、この溶液を徐々に滴下して高分子電解質4とNMPと水との混合物を得た。この混合物を浸透膜(三光純薬(株)製、商品名:UC36−32−100:分画分子量14,000)に封入し、72時間流水で洗浄した。その後、この混合物を浸透膜から取り出し、エバポレーターを用いて温度60℃、圧力50mTorrの条件で、50gに濃縮して高分子電解質エマルションCを得た。この時の濃度は、0.70重量%であった。   1.0 g of polymer electrolyte 4 was dissolved in 99 g of N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare 100 g of a solution. Next, while stirring 900 g of water, this solution was gradually added dropwise to obtain a mixture of polymer electrolyte 4, NMP and water. This mixture was sealed in an osmotic membrane (manufactured by Sanko Junyaku Co., Ltd., trade name: UC36-32-100: molecular weight cut-off 14,000) and washed with running water for 72 hours. Thereafter, this mixture was taken out from the osmotic membrane and concentrated to 50 g using an evaporator under conditions of a temperature of 60 ° C. and a pressure of 50 mTorr to obtain a polymer electrolyte emulsion C. The concentration at this time was 0.70% by weight.

(触媒インク3の調製)
高分子電解質エマルションCの7.11gに、70.0質量%の白金が担持された白金担持カーボンブラックを0.50g投入し、さらにエタノール21.83g及び水3.23gを加えた。得られた混合物を1時間超音波処理した後、スターラーで6時間攪拌して、触媒インク3を得た。
(Preparation of catalyst ink 3)
To 7.11 g of the polymer electrolyte emulsion C, 0.50 g of platinum-carrying carbon black carrying 70.0% by mass of platinum was added, and 21.83 g of ethanol and 3.23 g of water were further added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred with a stirrer for 6 hours to obtain catalyst ink 3.

[触媒インク4の作製]
上記で得た高分子電解質エマルションCの10.43gに、70.0質量%の白金が担持された白金担持カーボンブラックを0.50g投入し、さらにエタノール21.83g及び水3.23gを加えた。得られた混合物を1時間超音波処理した後、スターラーで6時間攪拌して、触媒インク4を得た。
[Preparation of catalyst ink 4]
To 10.43 g of the polymer electrolyte emulsion C obtained above, 0.50 g of platinum-supported carbon black carrying 70.0% by mass of platinum was added, and 21.83 g of ethanol and 3.23 g of water were further added. . The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour, and then stirred for 6 hours with a stirrer to obtain catalyst ink 4.

[多孔質層形成用フィルム1の製造]
まず、ポリテトラフルオロエチレンの分散液(ポリテトラフルオロエチレン40%、溶媒:水)である、ルブロンLDW−40E(ダイキン工業製)5gに、カーボンブラックであるVulcan XC−72Rの0.5g、及び、エタノール102.5gを加え、得られた混合液に1時間の超音波処理を行った後、スターラーにより6時間攪拌した。これにより多孔質層用インク1を得た。
[Production of porous layer forming film 1]
First, 5 g of Lubron LDW-40E (manufactured by Daikin Industries), which is a dispersion of polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethylene 40%, solvent: water), 0.5 g of Vulcan XC-72R that is carbon black, and Then, 102.5 g of ethanol was added, and the resulting mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour, and then stirred for 6 hours with a stirrer. This obtained ink 1 for porous layers.

続いて、この多孔質層用インク1を、ガス拡散層を形成するためのカーボンペーパー(東レ製、厚み200μm)の片面の中央部付近の5.2cm角の領域に、固形分の塗布量が40mgとなるように塗布した。この際、多孔質層用インク1の吐出口からカーボンペーパーまでの距離は6cmとし、カーボンペーパーを配置したステージの温度は75℃に設定した。塗布された多孔質層用インク1の層を80℃で乾燥して溶媒を除去することで、カーボンペーパー上に多孔質層が形成された多孔質層形成用フィルム1を得た。   Subsequently, the porous layer ink 1 is applied to a 5.2 cm square region near the center of one side of a carbon paper (made by Toray, thickness 200 μm) for forming a gas diffusion layer. It apply | coated so that it might become 40 mg. At this time, the distance from the ejection opening of the porous layer ink 1 to the carbon paper was 6 cm, and the temperature of the stage on which the carbon paper was arranged was set to 75 ° C. The applied layer of the porous layer ink 1 was dried at 80 ° C. to remove the solvent, thereby obtaining a porous layer forming film 1 having a porous layer formed on carbon paper.

得られた多孔質層形成用フィルムにおける細孔分布を水銀圧入法により測定した。また、多孔質層を形成しなかったカーボンペーパーの細孔分布も同様に測定した。そして、これらの値の差から、多孔質層における最も頻度の高い細孔半径(平均孔径)を求めた。その結果、多孔質層の平均孔径は35nmであることが判明した。なお、水銀圧入法の条件は以下に示す通りとした。
・前処理 : 80℃で4時間乾燥
・測定 : 細孔半径が0.0018〜100μmの範囲の細孔分布を測定
・測定装置: オートポアIII9420(MICROMERITICS社製)
The pore distribution in the obtained film for forming a porous layer was measured by a mercury intrusion method. Moreover, the pore distribution of the carbon paper in which the porous layer was not formed was also measured. And from the difference of these values, the most frequent pore radius (average pore diameter) in the porous layer was determined. As a result, it was found that the average pore size of the porous layer was 35 nm. The conditions for the mercury intrusion method were as shown below.
・ Pretreatment: Drying at 80 ° C. for 4 hours ・ Measurement: Measurement of pore distribution with pore radius in the range of 0.0018-100 μm

[多孔質層形成用フィルム2の製造]
まず、ポリテトラフルオロエチレンの分散液(ポリテトラフルオロエチレン40%、溶媒:水)である、ルブロンLDW−40E(ダイキン工業社製)12.5gに、炭素繊維であるVGCF(昭和電工製、登録商標)の5g、及び、エチレングリコール82.5gを加え、得られた混合液に5分間の超音波ホモジナイザー処理を行い、多孔質層用インク2を得た。
[Production of porous layer forming film 2]
First, 12.5 g of Lubron LDW-40E (manufactured by Daikin Industries), which is a dispersion of polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethylene 40%, solvent: water), VGCF (manufactured by Showa Denko, registered) (Trademark) and 82.5 g of ethylene glycol were added, and the resulting mixture was subjected to ultrasonic homogenizer treatment for 5 minutes to obtain ink 2 for porous layer.

続いて、この多孔質層用インク2をバーコーターを用いて、300μmのウェット厚みになるように、カーボンペーパー上に塗布し、80℃のオーブンで乾燥させた。その後、380℃で30分間の加熱処理を行い、カーボンペーパー上に多孔質層が形成された多孔質層形成用フィルム2を得た。得られた多孔質層形成用フィルム2の多孔質層の平均孔径を上記と同様にして求めた結果、324nmであった。   Subsequently, this porous layer ink 2 was applied onto carbon paper to a wet thickness of 300 μm using a bar coater and dried in an oven at 80 ° C. Then, the heat processing for 30 minutes were performed at 380 degreeC, and the film 2 for porous layer formation in which the porous layer was formed on the carbon paper was obtained. The average pore diameter of the porous layer of the obtained porous layer forming film 2 was determined in the same manner as described above, and was 324 nm.

[多孔質層形成用フィルム3の製造]
まず、ポリテトラフルオロエチレンの分散液(ポリテトラフルオロエチレン40%、溶媒:水)である、ルブロンLDW−40E(ダイキン工業社製)10gに、炭素繊維であるVGCF(昭和電工社製、登録商標)の5g、及び、エチレングリコール128gを加え、得られた混合液に5分間の超音波ホモジナイザー処理を行い、多孔質層用インク3を得た。
[Production of porous layer forming film 3]
First, 10 g of Lubron LDW-40E (manufactured by Daikin Industries), which is a dispersion of polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethylene 40%, solvent: water), VGCF (manufactured by Showa Denko KK, registered trademark) as carbon fiber. ) And 128 g of ethylene glycol were added, and the resulting mixture was subjected to ultrasonic homogenizer treatment for 5 minutes to obtain porous layer ink 3.

続いて、この多孔質層用インク3をバーコーターを用いて、300μmのウェット厚みになるよう、カーボンペーパー上に塗布し、80℃のオーブンで乾燥させた。その後、380℃で30分間の加熱処理を行い、カーボンペーパー上に多孔質層が形成された多孔質層形成用フィルム3を得た。得られた多孔質層形成用フィルム3の多孔質層の平均孔径を上記と同様にして求めた結果、255nmであった。   Subsequently, the porous layer ink 3 was applied onto carbon paper using a bar coater so as to have a wet thickness of 300 μm, and dried in an oven at 80 ° C. Then, the heat processing for 30 minutes were performed at 380 degreeC, and the film 3 for porous layer formation in which the porous layer was formed on the carbon paper was obtained. The average pore diameter of the porous layer of the obtained porous layer forming film 3 was determined in the same manner as described above, and was 255 nm.

[多孔質層形成用フィルム4の製造]
まず、ポリテトラフルオロエチレンの分散液(ポリテトラフルオロエチレン40%、溶媒:水)である、ルブロンLDW−40E(ダイキン工業社製)2gに、炭素繊維であるVGCF(昭和電工社製、登録商標)の5g、及び、エチレングリコール56gを加え、得られた混合液に5分間の超音波ホモジナイザー処理を行い、多孔質層用インク4を得た。
[Production of porous layer forming film 4]
First, 2 g of Lubron LDW-40E (produced by Daikin Industries), which is a dispersion of polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethylene 40%, solvent: water), and VGCF (registered trademark, manufactured by Showa Denko KK) which is carbon fiber. ) And 56 g of ethylene glycol were added, and the resulting mixture was subjected to an ultrasonic homogenizer treatment for 5 minutes to obtain a porous layer ink 4.

続いて、この多孔質層用インク4をバーコーターを用いて、300μmのウェット厚みになるよう、カーボンペーパー上に塗布し、80℃のオーブンで乾燥させた。その後、380℃で30分間の加熱処理を行い、カーボンペーパー上に多孔質層が形成された多孔質層形成用フィルム4を得た。得られた多孔質層形成用フィルム4の多孔質層の平均孔径を上記と同様にして求めた結果、394nmであった。   Subsequently, this porous layer ink 4 was applied onto carbon paper to a wet thickness of 300 μm using a bar coater and dried in an oven at 80 ° C. Then, the heat processing for 30 minutes were performed at 380 degreeC, and the film 4 for porous layer formation in which the porous layer was formed on the carbon paper was obtained. It was 394 nm as a result of calculating | requiring the average hole diameter of the porous layer of the obtained film 4 for porous layer formation similarly to the above.

[実施例1:燃料電池セルの製造]
(膜−電極接合体(MEA)の作製)
まず、上述した製造方法によって得られた高分子電解質膜の片面の中央部における5.2cm角の領域に、スプレー法により上記触媒インク1を塗布した。この際、吐出口から高分子電解質膜までの距離は6cmとし、高分子電解質膜を配置したステージの温度は75℃に設定した。この触媒インク1の塗布を繰り返し行った後、得られた塗布物をステージ上に15分間放置し、これにより溶媒を除去してアノード触媒層を形成させた。このアノード触媒層は、その組成と塗布重量から算出して、0.16mg/cmの白金を含有していた。続いて、高分子電解質膜のもう一方の面にも、触媒インク2を用いて同様の方法によりカソード触媒層を形成した。このカソード触媒層は、0.60mg/cmの白金を含有していた。こうして、高分子電解質膜の一方の面側にアノード触媒層が、他方の面側にカソード触媒層が配置されたMEAを得た。
[Example 1: Production of fuel cell]
(Production of membrane-electrode assembly (MEA))
First, the catalyst ink 1 was applied by spraying to a 5.2 cm square region at the central portion of one side of the polymer electrolyte membrane obtained by the above-described production method. At this time, the distance from the discharge port to the polymer electrolyte membrane was 6 cm, and the temperature of the stage on which the polymer electrolyte membrane was disposed was set to 75 ° C. After repeatedly applying this catalyst ink 1, the resulting coating was allowed to stand on the stage for 15 minutes, thereby removing the solvent and forming an anode catalyst layer. This anode catalyst layer contained 0.16 mg / cm 2 of platinum, calculated from its composition and coating weight. Subsequently, a cathode catalyst layer was formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane by the same method using the catalyst ink 2. This cathode catalyst layer contained 0.60 mg / cm 2 of platinum. Thus, an MEA was obtained in which the anode catalyst layer was disposed on one side of the polymer electrolyte membrane and the cathode catalyst layer was disposed on the other side.

(燃料電池セルの組み立て)
市販のJARI標準セルを用いて燃料電池セルを製造した。すなわち、上記のMEAに対し、アノード触媒層側にガス拡散層であるカーボンペーパーを配置した。また、カソード触媒層側に、上記の多孔質層形成用フィルム1を、その多孔質層がカソード触媒層と接するように配置した。これにより、膜−電極−ガス拡散層接合体(MEGA)を作製した。
(Assembly of fuel cell)
A fuel cell was manufactured using a commercially available JARI standard cell. That is, carbon paper as a gas diffusion layer was disposed on the anode catalyst layer side with respect to the above MEA. The porous layer forming film 1 was disposed on the cathode catalyst layer side so that the porous layer was in contact with the cathode catalyst layer. Thereby, a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA) was produced.

次いで、このMEGAの両外側に、周縁部を覆う厚さ230μmのガスケット、ガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレータ、集電体、及び、エンドプレートを順に配置し、これらをボルトで締め付けることによって、有効膜面積が25cmである燃料電池セルを組み立てた。 Next, a gasket having a thickness of 230 μm covering the periphery, a carbon separator having a gas channel groove cut, a current collector, and an end plate are sequentially arranged on both outer sides of the MEGA, and these are tightened with bolts. Thus, a fuel cell having an effective membrane area of 25 cm 2 was assembled.

[実施例2:燃料電池セルの製造]
(MEAの作製)
触媒インク1に代えて触媒インク3を、触媒インク2に代えて触媒インク4をそれぞれ用いたこと以外は、実施例1と同様にしてMEAを作製した。
[Example 2: Production of fuel cell]
(Production of MEA)
An MEA was produced in the same manner as in Example 1, except that the catalyst ink 3 was used instead of the catalyst ink 1 and the catalyst ink 4 was used instead of the catalyst ink 2.

(燃料電池セルの組み立て)
このMEAを用いたこと、及び、多孔質層形成用フィルム1に代えて多孔質層形成用フィルム3を用いたこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池セルを組み立てた。また、このMEAと多孔質層形成フィルム3とを接合したものを、上述の条件で水銀圧入法を行い、得られた累積細孔容積を、多孔質層のかさ密度の逆数で除することにより空隙率を求めたところ、16%であった。さらに、厚みゲージにより多孔質層の厚みを測定したところ、150μmであった。
(Assembly of fuel cell)
A fuel cell was assembled in the same manner as in Example 1 except that this MEA was used and that the porous layer forming film 3 was used instead of the porous layer forming film 1. Further, by joining the MEA and the porous layer forming film 3 under the above-mentioned conditions, the mercury intrusion method is performed, and the obtained cumulative pore volume is divided by the reciprocal of the bulk density of the porous layer. The porosity was determined to be 16%. Furthermore, it was 150 micrometers when the thickness of the porous layer was measured with the thickness gauge.

[実施例3:燃料電池セルの製造]
(MEAの作製)
実施例2と同様にしてMEAを作製した。
[Example 3: Production of fuel cell]
(Production of MEA)
An MEA was produced in the same manner as in Example 2.

(燃料電池セルの組み立て)
このMEAを用いたこと、及び、多孔質層形成用フィルム1に代えて多孔質層形成用フィルム2を用いたこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池セルを組み立てた。また、このMEAと多孔質層形成フィルム2とを接合したものを、上述の条件で水銀圧入法を行い、得られた累積細孔容積を、多孔質層のかさ密度の逆数で除することにより空隙率を求めたところ、15%であった。さらに、厚みゲージにより多孔質層の厚みを測定したところ、140μmであった。
(Assembly of fuel cell)
A fuel cell was assembled in the same manner as in Example 1 except that this MEA was used and that the porous layer forming film 2 was used instead of the porous layer forming film 1. In addition, by joining the MEA and the porous layer forming film 2 with the mercury intrusion method under the above-mentioned conditions, the cumulative pore volume obtained is divided by the reciprocal of the bulk density of the porous layer. When the porosity was determined, it was 15%. Furthermore, it was 140 micrometers when the thickness of the porous layer was measured with the thickness gauge.

[実施例4:燃料電池セルの製造]
(MEAの作製)
実施例2と同様にしてMEAを作製した。
[Example 4: Production of fuel cell]
(Production of MEA)
An MEA was produced in the same manner as in Example 2.

(燃料電池セルの組み立て)
このMEAを用いたこと、及び、多孔質層形成用フィルム1に代えて多孔質層形成用フィルム4を用いたこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池セルを組み立てた。また、このMEAと多孔質層形成フィルム4とを接合したものを、上述の条件で水銀圧入法を行い、得られた累積細孔容積を、多孔質層のかさ密度の逆数で除することにより空隙率を求めたところ、8%であった。さらに、厚みゲージにより多孔質層の厚みを測定したところ、110μmであった。
(Assembly of fuel cell)
A fuel cell was assembled in the same manner as in Example 1 except that this MEA was used and that the porous layer forming film 4 was used instead of the porous layer forming film 1. Further, by joining the MEA and the porous layer forming film 4 under the above-mentioned conditions, the mercury intrusion method is performed, and the obtained cumulative pore volume is divided by the reciprocal of the bulk density of the porous layer. When the porosity was determined, it was 8%. Furthermore, it was 110 micrometers when the thickness of the porous layer was measured with the thickness gauge.

[比較例1:燃料電池セルの製造]
(MEAの作製)
実施例1と同様にしてMEAを作製した。
[Comparative Example 1: Production of fuel cell]
(Production of MEA)
An MEA was produced in the same manner as in Example 1.

(燃料電池セルの組み立て)
カソード触媒層側に、多孔質層形成用フィルムに代えてカーボンペーパーのみを配置したこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池セルを組み立てた。
(Assembly of fuel cell)
A fuel cell was assembled in the same manner as in Example 1 except that only the carbon paper was disposed on the cathode catalyst layer side instead of the porous layer forming film.

[燃料電池セルの特性評価]
実施例1〜4及び比較例1で得られた燃料電池セルに対し、80℃に保ちながら、アノード側に加湿水素を、カソード側に加湿空気をそれぞれ供給した。この際、各ガスの供給は、燃料電池セルのガス出口における背圧が0.1MPaGとなるように調整した。各ガスの加湿は、バブラーにガスを通すことで行った。この際、水素用バブラーの水温は45℃、空気用バブラーの水温は55℃とした。
[Characteristic evaluation of fuel cells]
While maintaining the temperature of 80 ° C. for the fuel cells obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, humidified hydrogen was supplied to the anode side and humidified air was supplied to the cathode side. At this time, the supply of each gas was adjusted so that the back pressure at the gas outlet of the fuel cell was 0.1 MPaG. Each gas was humidified by passing the gas through a bubbler. At this time, the water temperature of the hydrogen bubbler was 45 ° C., and the water temperature of the air bubbler was 55 ° C.

そして、水素のガス流量を529mL/分、空気のガス流量を1665mL/分とした条件で燃料電池セルを動作させて、電圧が0.3Vとなるときの電流密度の値を測定した。各実施例又は比較例の燃料電池セルを用いて得られた結果を表1に示す。

Figure 2009021235
Then, the fuel cell was operated under the condition that the hydrogen gas flow rate was 529 mL / min and the air gas flow rate was 1665 mL / min, and the value of the current density when the voltage was 0.3 V was measured. Table 1 shows the results obtained using the fuel cells of each Example or Comparative Example.
Figure 2009021235

表1に示すように、多孔質層を設けた実施例1〜4の燃料電池セルによれば、多孔質層を設けなかった比較例1に比して、同じ加湿条件で高い電流密度が得られることが確認された。   As shown in Table 1, according to the fuel cells of Examples 1 to 4 in which the porous layer was provided, a higher current density was obtained under the same humidification conditions as compared with Comparative Example 1 in which the porous layer was not provided. It was confirmed that

好適な実施形態に係る燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of the fuel cell which concerns on suitable embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、12…高分子電解質膜、14a,14b…触媒層、15a,15b…多孔質層、16a,16b…ガス拡散層、18a,18b…セパレータ、20…MEA。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 12 ... Polymer electrolyte membrane, 14a, 14b ... Catalyst layer, 15a, 15b ... Porous layer, 16a, 16b ... Gas diffusion layer, 18a, 18b ... Separator, 20 ... MEA.

Claims (6)

炭化水素系高分子電解質から構成される電解質膜と、
前記電解質膜の少なくとも一側に配置され、触媒物質及び炭化水素系高分子電解質を含む触媒層と、
前記触媒層の前記電解質膜に対して反対側に配置されたガス拡散層と、
前記触媒層と前記ガス拡散層との間に配置され、多孔質構造を有する多孔質層と、
を備えることを特徴とする膜−電極−ガス拡散層接合体。
An electrolyte membrane composed of a hydrocarbon polymer electrolyte;
A catalyst layer disposed on at least one side of the electrolyte membrane and including a catalyst substance and a hydrocarbon polymer electrolyte;
A gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer with respect to the electrolyte membrane;
A porous layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer and having a porous structure;
A membrane-electrode-gas diffusion layer assembly comprising:
前記多孔質層の有する孔の平均孔径が、10nm〜10μmである、ことを特徴とする請求項1記載の膜−電極−ガス拡散層接合体。   2. The membrane-electrode-gas diffusion layer assembly according to claim 1, wherein the pores of the porous layer have an average pore diameter of 10 nm to 10 μm. 前記多孔質層の有する孔の平均孔径が、20nm〜300nmである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の膜−電極−ガス拡散層接合体。   The membrane-electrode-gas diffusion layer assembly according to claim 1 or 2, wherein the pores of the porous layer have an average pore diameter of 20 nm to 300 nm. 前記電解質膜を構成する前記炭化水素系高分子電解質が、ブロック共重合体からなる、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の膜−電極−ガス拡散層接合体。   The membrane-electrode-gas diffusion layer assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrocarbon-based polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane is made of a block copolymer. 前記触媒層は、水及び親水性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒と、前記触媒物質と、前記炭化水素系高分子電解質を含み、且つ、該炭化水素系高分子電解質の少なくとも一部が前記溶媒に分散した状態で含まれる触媒インクから形成された層である、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の膜−電極−ガス拡散層接合体。   The catalyst layer includes at least one solvent selected from water and a hydrophilic solvent, the catalyst substance, and the hydrocarbon polymer electrolyte, and at least a part of the hydrocarbon polymer electrolyte is the catalyst layer. The membrane-electrode-gas diffusion layer assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the membrane-electrode-gas diffusion layer assembly is a layer formed from a catalyst ink contained in a state dispersed in a solvent. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の膜−電極−ガス拡散層接合体を備える、ことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane-electrode-gas diffusion layer assembly according to any one of claims 1 to 5.
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