JP2009231218A - Membrane electrode assembly for stationary or portable fuel cell, stationary or portable fuel cell, and resin paste for gas diffusion layer of stationary or portable fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly for stationary or portable fuel cell, stationary or portable fuel cell, and resin paste for gas diffusion layer of stationary or portable fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly for a stationary or portable fuel cell suppressing peeling off of a gas diffusion layer to the operation stop of the fuel cell or variation of environment of the membrane electrode assembly such storage environment and enhancing durability. <P>SOLUTION: A gas diffusion layer on a cathode side contains a hydroxyl group-containing fluorine polymer having the following structural unit. [In formula (1), R<SP>1</SP>shows a fluorine atom, a fluoroalkyl group, or a group represented by -OR<SP>2</SP>(R<SP>2</SP>shows an alkyl group or a fluoroalkyl group), in formula (2), R<SP>3</SP>shows a hydrogen atom or a methyl group, R<SP>4</SP>shows an alkyl group or a group represented by -(CH<SB>2</SB>)<SB>x</SB>-OR<SP>5</SP>or -OCOR<SP>5</SP>(R<SP>5</SP>shows an alkyl group or a glycidyl group, and x is 0 or 1), a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group, in formula (3), R<SP>6</SP>shows a hydrogen atom or a methyl group, R<SP>7</SP>shows a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group, and v is 0 or 1]. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体、定置または携帯型燃料電池および定置または携帯型燃料電池のガス拡散層用樹脂ペーストに関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a stationary or portable fuel cell, a stationary or portable fuel cell, and a resin paste for a gas diffusion layer of the stationary or portable fuel cell.

固体高分子型燃料電池は、発電を担う反応の起こるアノードおよびカソードと、アノードおよびカソード間のプロトン伝導体となる高分子固体電解質膜とがセパレータで挟まれたセルをユニットとして構成されている。   A polymer electrolyte fuel cell is configured as a unit of a cell in which an anode and a cathode where a reaction responsible for power generation occurs and a polymer solid electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are sandwiched between separators.

上記電極は、ガス拡散の促進および集電を行う電極基材と、実際に電気化学反応場となる触媒層とから構成されている。触媒層は白金等の触媒微粒子を表面に担持させたカーボン粒子とイオン交換樹脂からなる電極電解質などにより形成される。具体にはアノードでは、触媒微粒子上で燃料ガスが反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは電極電解質を移動し高分子固体電解質膜へと伝導する。一方、カソードでは、触媒微粒子上で酸化ガスと、高分子固体電解質膜からカソードの電極電解質を通って伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。   The electrode includes an electrode base material that promotes gas diffusion and collects current, and a catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. The catalyst layer is formed of an electrode electrolyte made of an ion exchange resin and carbon particles having catalyst fine particles such as platinum supported on the surface. Specifically, in the anode, the fuel gas reacts on the catalyst fine particles to generate protons and electrons, the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons move through the electrode electrolyte and are conducted to the polymer solid electrolyte membrane. On the other hand, at the cathode, the oxidizing gas, protons conducted from the polymer solid electrolyte membrane through the cathode electrode electrolyte, and electrons conducted from the electrode substrate react on the catalyst fine particles to generate water.

このように燃料電池は生成物が水だけであり、またエネルギー交換率が高いため次世代の電源として活発に研究されている。
燃料電池のイオン交換樹脂電解質としては、デュポン社製Nafion(登録商標;特許文献1,2)およびスルホン化ポリアリーレン(特許文献3,4)が知られている。
Thus, fuel cells are actively studied as the next generation power source because the product is only water and the energy exchange rate is high.
As ion-exchange resin electrolytes for fuel cells, Nafion (registered trademark; Patent Documents 1 and 2) manufactured by DuPont and sulfonated polyarylene (Patent Documents 3 and 4) are known.

ここで、燃料電池で高出力を得るためには、上記の反応を効率よく行う必要がある。触媒層への反応物質の供給と触媒層からの生成物の排出、および触媒層、セパレーター間の電子伝導を効率よく行う方法として、例えばポリテトラフルオロエチレンで撥水処理を施したカーボンペーパーやその上にポリテトラフルオロエチレンとカーボン粉末から構成される微多孔層を積層したガス拡散層を備える技術が広く知られている。しかしながら、ポリテトラフルオロエチレンは化学的安定性、撥水性にすぐれる一方で他の物質との親和性が低いため、起動停止や保存環境など、膜電極接合体が置かれる環境変化が重なると、ガス拡散層が剥離し燃料電池の性能低下を引き起こすという問題があった。特に非パーフルオロポリマー電極電解質のような軟化点が分解温度と近い場合は、触媒層とガス拡散層間に十分な接着が得られるほど熱圧着時の温度を上げられないという問題があった。   Here, in order to obtain high output in the fuel cell, it is necessary to perform the above reaction efficiently. As a method for efficiently supplying reactants to the catalyst layer, discharging the product from the catalyst layer, and conducting electrons between the catalyst layer and the separator efficiently, for example, carbon paper treated with water repellent with polytetrafluoroethylene and its A technique is widely known that includes a gas diffusion layer on which a microporous layer composed of polytetrafluoroethylene and carbon powder is laminated. However, polytetrafluoroethylene is excellent in chemical stability and water repellency, but has low affinity with other substances, so when environmental changes where membrane electrode assemblies are placed, such as start / stop and storage environment, overlap, There has been a problem that the gas diffusion layer is peeled off and the performance of the fuel cell is lowered. In particular, when the softening point as in the non-perfluoropolymer electrode electrolyte is close to the decomposition temperature, there is a problem that the temperature during thermocompression bonding cannot be increased so that sufficient adhesion is obtained between the catalyst layer and the gas diffusion layer.

このような問題に対し、ガス拡散層と触媒層の間に接着層を設けることにより、ガス拡散層と触媒層間の接合性を向上する試みがなされている。例えば特許文献5には水素イオン導電性高分子電解質と導電性カーボンを有する接着層が開示されている。また、特許文献7には熱変形温度の低い溶媒可溶性パーフルオロポリマーとカーボンブラックの接着層が提案されている。
特開2007−26820号公報 特開2007−13938号公報 特開2003−331868号公報 特開2004−149056号公報 特開2004−214045号公報 特開2004−259661号公報
In order to solve such a problem, an attempt has been made to improve the bondability between the gas diffusion layer and the catalyst layer by providing an adhesive layer between the gas diffusion layer and the catalyst layer. For example, Patent Document 5 discloses an adhesive layer having a hydrogen ion conductive polymer electrolyte and conductive carbon. Patent Document 7 proposes an adhesive layer of a solvent-soluble perfluoropolymer having a low heat distortion temperature and carbon black.
JP 2007-26820 A JP 2007-13938 A JP 2003-331868 A JP 2004-149056 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-214045 JP 2004-259661 A

しかしながら特許文献5のようなプロトン導電性高分子電解質のような含水性の高い樹脂を接着層に使用すると、プロトン導電性高分子電解質が発電生成水を含み膨潤し、発電生成水の排出が阻害され電池性能が低下するという問題があった。また特許文献6では熱変形温度が低いことでポリテトラフルオロエチレンより熱圧着での接合性が改善されるものの、パーフルオロ樹脂である為、樹脂自体の接着性が低く、十分な接合性がえられないという問題があった。   However, when a resin having a high water content such as a proton conductive polymer electrolyte as in Patent Document 5 is used for the adhesive layer, the proton conductive polymer electrolyte swells including the power generation water, and the discharge of the power generation water is inhibited. There is a problem that the battery performance is lowered. Further, in Patent Document 6, although the thermal deformation temperature is lower, the bonding property by thermocompression bonding is improved than that of polytetrafluoroethylene, but since it is a perfluoro resin, the adhesive property of the resin itself is low and sufficient bonding property is obtained. There was a problem that it was not possible.

本発明は以上の観点に鑑みてなされたものであり、燃料電池の起動停止や、保存環境などの膜電極接合体が置かれる環境変化にたいしてガス拡散層の剥離を抑制し、優れた耐久性を有する定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above viewpoints, and suppresses the separation of the gas diffusion layer with respect to the start and stop of the fuel cell and the environmental change where the membrane electrode assembly is placed such as the storage environment, and has excellent durability. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly for a stationary or portable fuel cell.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ガス拡散層の少なくとも触媒層と接する層に含ませるフッ素樹脂バインダーを工夫することによって、ガス拡散層と触媒層間の接合性を向上し剥離を抑制した膜電極接合体を提供でき、更にはポリテトラフルオロエチレンのみを用いたガス拡散層にたいして、燃料電池の出力をも向上させ得ることを見出し本発明に至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have devised a fluororesin binder to be included in at least a layer of the gas diffusion layer in contact with the catalyst layer, so that the bonding property between the gas diffusion layer and the catalyst layer is improved. As a result, the present inventors have found that the output of the fuel cell can be improved as compared with the gas diffusion layer using only polytetrafluoroethylene.

即ち本発明の構成要件は以下の通りである。
[1]イオン交換樹脂膜と、触媒層と、ガス拡散層とを備えた膜電極接合体において、カソ
ード側のガス拡散層が、下記構造単位(a)、(b)及び(c)を有する水酸基含有含フッ素重合体(A)を含む、定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。
That is, the constituent requirements of the present invention are as follows.
[1] In a membrane / electrode assembly including an ion exchange resin membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer, the gas diffusion layer on the cathode side has the following structural units (a), (b), and (c) A membrane electrode assembly for a stationary or portable fuel cell comprising the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A).

(a)下記式(1)で表される構造単位。
(b)下記式(2)で表される構造単位。
(c)下記式(3)で表される構造単位。
(A) A structural unit represented by the following formula (1).
(B) A structural unit represented by the following formula (2).
(C) A structural unit represented by the following formula (3).

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(1)中、R1はフッ素原子、フルオロアルキル基又は−OR2で表される基(R2
はアルキル基又はフルオロアルキル基を示す)を示す]
[In the formula (1), R 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OR 2 (R 2
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group)]

Figure 2009231218
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[式(2)中、R3は水素原子又はメチル基を、R4はアルキル基、−(CH2x−OR5若しくは−OCOR5で表される基(R5はアルキル基又はグリシジル基を、xは0又は
1の数を示す)、カルボキシル基又はアルコキシカルボニル基を示す]
[In the formula (2), R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 4 represents an alkyl group, and a group represented by — (CH 2 ) x —OR 5 or —OCOR 5 (R 5 represents an alkyl group or a glycidyl group. , X represents a number of 0 or 1, and represents a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group]

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(3)中、R6は水素原子又はメチル基を、R7は水素原子又はヒドロキシアルキル基を、vは0又は1の数を示す]
[2]ガス拡散層が、電極層に接する微多孔層と該微多孔層に接する多孔性基材層からなり
、微多孔層が前記含フッ素ポリマー(A)を含む、[1]の定置または携帯型燃料電池用膜
電極接合体。
[3]微多孔層および多孔性基材層が含フッ素ポリマー(A)を含む、[2]の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。
[4]ガス拡散層が、水酸基を有しない含フッ素重合体(B)を含む、[1]〜[3]の定置また
は携帯型燃料電池用膜電極接合体。
[5]カソード側およびアノード側のガス拡散層が、水酸基含有含フッ素重合体(A)を含
む、請求項1〜4のいずれか一に記載の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。
[6]水酸基含有含フッ素重合体(A)のガラス転移温度が30℃〜160℃である[1]〜[5]の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。
[7]水酸基含有含フッ素重合体(A)が水に不溶である[1]〜[6]の定置または携帯型燃料
電池用膜電極接合体。
[8]アノード側およびカソード側の触媒層のうち少なくとも一方が、下記一般式(A)で
表される構造単位、および下記一般式(B)で表される構造単位を含むことを特徴とする、スルホン酸基を有するポリアリーレンである[1]の定置または携帯型燃料電池用膜電極
接合体。
[In formula (3), R 6 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 7 represents a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group, and v represents a number of 0 or 1]
[2] The gas diffusion layer comprises a microporous layer in contact with the electrode layer and a porous base material layer in contact with the microporous layer, and the microporous layer contains the fluoropolymer (A). Membrane electrode assembly for portable fuel cells.
[3] The stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly according to [2], wherein the microporous layer and the porous base material layer contain the fluoropolymer (A).
[4] The stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly according to [1] to [3], wherein the gas diffusion layer contains a fluoropolymer (B) having no hydroxyl group.
[5] The stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the cathode-side and anode-side gas diffusion layers contain a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A).
[6] The stationary or portable fuel cell membrane / electrode assembly according to [1] to [5], wherein the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) has a glass transition temperature of 30 ° C to 160 ° C.
[7] The stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly according to [1] to [6], wherein the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) is insoluble in water.
[8] At least one of the catalyst layer on the anode side and the cathode side includes a structural unit represented by the following general formula (A) and a structural unit represented by the following general formula (B) The fixed or portable fuel cell membrane electrode assembly according to [1], which is a polyarylene having a sulfonic acid group.

Figure 2009231218
Figure 2009231218

(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l
−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基
を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
(Wherein, Y is -CO -, - SO 2 -, - SO -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l
- (l is an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, Z is a direct bond or, - (CH 2) l - ( l is an integer of 1 to 10), at least one structure selected from the group consisting of —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H or — An aromatic group having a substituent represented by O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H is shown. p shows the integer of 1-12, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. )

Figure 2009231218
Figure 2009231218

(式中、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH
−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基および
ハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素
原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。s、tは0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。)
[9][1]〜[8]の膜電極接合体を有する、定置または携帯型燃料電池。
[10]下記構造単位(a)、(b)及び(c)を有する水酸基含有含フッ素重合体(A)を含む、定置または携帯型燃料電池のガス拡散層用樹脂ペースト。
(In the formula, A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH.
-, - COO -, - ( CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O—, or —S—. B represents independently an oxygen atom or a sulfur atom, R 1 to R 16 may be the same or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, part or all of which are halogenated It represents at least one atom or group selected from the group consisting of halogenated alkyl groups, allyl groups, aryl groups, nitro groups, and nitrile groups. s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more. )
[9] A stationary or portable fuel cell having the membrane electrode assembly of [1] to [8].
[10] A resin paste for a gas diffusion layer of a stationary or portable fuel cell, comprising a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) having the following structural units (a), (b) and (c).

(a)下記式(1)で表される構造単位。
(b)下記式(2)で表される構造単位。
(c)下記式(3)で表される構造単位。
(A) A structural unit represented by the following formula (1).
(B) A structural unit represented by the following formula (2).
(C) A structural unit represented by the following formula (3).

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(1)中、R1はフッ素原子、フルオロアルキル基又は−OR2で表される基(R2
はアルキル基又はフルオロアルキル基を示す)を示す]
[In the formula (1), R 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OR 2 (R 2
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group)]

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(2)中、R3は水素原子又はメチル基を、R4はアルキル基、−(CH2x−OR5若しくは−OCOR5で表される基(R5はアルキル基又はグリシジル基を、xは0又は
1の数を示す)、カルボキシル基又はアルコキシカルボニル基を示す]
[In the formula (2), R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 4 represents an alkyl group, and a group represented by — (CH 2 ) x —OR 5 or —OCOR 5 (R 5 represents an alkyl group or a glycidyl group. , X represents a number of 0 or 1, and represents a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group]

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(3)中、R6は水素原子又はメチル基を、R7は水素原子又はヒドロキシアルキル基を、vは0又は1の数を示す] [In formula (3), R 6 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 7 represents a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group, and v represents a number of 0 or 1]

本発明によれば、燃料電池の起動停止や、保存環境などの膜電極接合体が置かれる環境変化にたいしてガス拡散層の剥離を抑制し、優れた耐久性を有し、更にはパーフルオロ樹
脂のみを用いたガス拡散層にたいして高い出力を有する定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体を提供することができる。
According to the present invention, the start and stop of the fuel cell and the change of the environment in which the membrane electrode assembly is placed such as the storage environment is suppressed, and the gas diffusion layer is prevented from being peeled off. It is possible to provide a stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly having a high output with respect to a gas diffusion layer using.

以下、本発明に係る定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体、定置または携帯型燃料電池および定置または携帯型燃料電池のガス拡散層用樹脂ペーストについて詳細に説明する。
[膜電極接合体]
本願発明の膜電極接合体は、イオン交換樹脂膜と、触媒層と、ガス拡散層とを備えている。典型的には、イオン交換樹脂膜を挟んで一方にはカソード電極用の触媒層と他方にはアノード電極用の触媒層が設けられており、さらにカソード側およびアノード側の各触媒層のイオン交換樹脂膜と反対側に接して、カソード側およびアノード側にそれぞれガス拡散層が設けられている。以下、ガス拡散層、触媒層およびイオン交換樹脂膜についてそれぞれ説明する。
[ガス拡散層]
ガス拡散層は、多孔性基材又は多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる。ガス拡散層が多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる場合には、微多孔層が触媒層に接して設けられる。カソード側のガス拡散層は、撥水性を付与するために水酸基含有含フッ素重合体(A)を含んでいる必要があり、カソード側およびアノード側のガス拡散層が水酸基含有含フッ素重合体(A)を含んでいることが好ましい。ガス拡散層が多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる場合には、微多孔層と多孔質基材のいずれかの層又は両方の層が水酸基含有含フッ素重合体(A)を含んでおり、好ましくは微多孔層が、水酸基含有含フッ素重合体(A)を含んでいる。
(1)微多孔層
微多孔層は、炭素粉末と、撥水剤として水酸基含有含フッ素重合体(A)を含んでいる。また、これら成分に加えて、水酸基を有しない含フッ素重合体(B)を含むことができる。微多孔層は、炭素粉末等を溶媒に分散した微多孔層形成用ペーストを用いて形成される。
Hereinafter, the membrane electrode assembly for a stationary or portable fuel cell, the stationary or portable fuel cell, and the resin paste for a gas diffusion layer of the stationary or portable fuel cell according to the present invention will be described in detail.
[Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly of the present invention includes an ion exchange resin membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer. Typically, a cathode electrode catalyst layer is provided on one side of the ion exchange resin membrane, and an anode electrode catalyst layer is provided on the other side. Further, the ion exchange of each catalyst layer on the cathode side and the anode side is performed. Gas diffusion layers are provided on the cathode side and the anode side in contact with the side opposite to the resin film. Hereinafter, each of the gas diffusion layer, the catalyst layer, and the ion exchange resin membrane will be described.
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer is composed of a porous substrate or a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer. When the gas diffusion layer is composed of a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer, the microporous layer is provided in contact with the catalyst layer. The gas diffusion layer on the cathode side needs to contain the hydroxyl group-containing fluorine-containing polymer (A) in order to impart water repellency, and the gas diffusion layers on the cathode side and anode side must contain the hydroxyl group-containing fluorine-containing polymer (A ) Is preferably included. When the gas diffusion layer is composed of a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer, either one of the microporous layer and the porous substrate or both of the layers contain the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A). The microporous layer preferably contains a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A).
(1) Microporous layer The microporous layer contains carbon powder and a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) as a water repellent. Moreover, in addition to these components, the fluoropolymer (B) which does not have a hydroxyl group can be included. The microporous layer is formed using a microporous layer forming paste in which carbon powder or the like is dispersed in a solvent.

本発明で用いられる微多孔層組成は、炭素粉末及び撥水剤が、30〜95:70〜5の重量比に存在することが好ましく、50〜90:50〜10の重量比に存在することがさらに好ましい。前記炭素粉末の含量が30%重量より少ない場合には、微多孔層内に微細気孔を形
成しにくくて反応物の拡散が容易に行われない。炭素粉末の含量が90%重量を超える場合には、炭素粉末の脱落が起こる可能性があって好ましくない。
In the microporous layer composition used in the present invention, the carbon powder and the water repellent agent are preferably present in a weight ratio of 30 to 95:70 to 5, and are present in a weight ratio of 50 to 90:50 to 10. Is more preferable. When the content of the carbon powder is less than 30% by weight, it is difficult to form fine pores in the microporous layer, and the reactants are not easily diffused. When the content of the carbon powder exceeds 90% by weight, the carbon powder may drop off, which is not preferable.

本発明で用いられる微多孔層の塗布量は、通常、0.5〜15mg/cm2であり、0
.5〜10mg/cm2に存在することが好ましい。塗布量が上記範囲未満であると、多
孔性基材の影響を受け、微多孔層の平滑性が十分でなく、微多孔層形成の効果が得られない。一方、塗布量が上記範囲を超えると、アノード側であれば、燃料である水素の透過性が低下し、カソード側であれば、空気(酸素)の透過性、排水性が低下し、発電性能が低下することがある。上記の理由から微多孔層が複数の層で構成される場合は各層の塗布量の総和が前記範囲であることが好ましい。
(1−1)炭素粉末
炭素粉末としては、カーボン粉、カーボン繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、および、表面を炭素膜で被覆した炭化ケイ素ウイスカーなどが挙げられる。これらは、1種単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。
The coating amount of the microporous layer used in the present invention is usually 0.5 to 15 mg / cm 2 and is 0
. It is preferable that it exists in 5-10 mg / cm < 2 >. When the coating amount is less than the above range, it is influenced by the porous substrate, the smoothness of the microporous layer is not sufficient, and the effect of forming the microporous layer cannot be obtained. On the other hand, when the coating amount exceeds the above range, the permeability of hydrogen, which is a fuel, decreases on the anode side, and the permeability and drainage of air (oxygen) decrease on the cathode side, thereby generating power. May decrease. For the above reason, when the microporous layer is composed of a plurality of layers, it is preferable that the total coating amount of each layer is in the above range.
(1-1) Carbon powder Examples of the carbon powder include carbon powder, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, and silicon carbide whisker whose surface is coated with a carbon film. These may be used alone or in combination of two or more.

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

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

上記カーボン繊維としては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバー系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維などを用いることができ、これらの中では気相成長炭素繊維が好ましい。
(1−2)水酸基含有含フッ素重合体(A)
水酸基含有含フッ素重合体 (A)は、下記構造単位(a)、(b)及び(c)を含ん
でなる。
As the carbon fiber, rayon-based carbon fiber, PAN-based carbon fiber, lignin pover-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, and the like can be used. Among these, vapor-grown carbon fiber is preferable.
(1-2) Hydroxyl-containing fluoropolymer (A)
The hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) comprises the following structural units (a), (b) and (c).

(a)下記式(1)で表される構造単位。
(b)下記式(2)で表される構造単位。
(c)下記式(3)で表される構造単位。
(A) A structural unit represented by the following formula (1).
(B) A structural unit represented by the following formula (2).
(C) A structural unit represented by the following formula (3).

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(1)中、R1はフッ素原子、フルオロアルキル基又は−OR2で表される基(R2
はアルキル基又はフルオロアルキル基を示す)を示す]
[In the formula (1), R 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OR 2 (R 2
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group)]

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(2)中、R3は水素原子又はメチル基を、R4はアルキル基、−(CH2x−OR5若しくは−OCOR5で表される基(R5はアルキル基又はグリシジル基を、xは0又は
1の数を示す)、カルボキシル基又はアルコキシカルボニル基を示す]
[In the formula (2), R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 4 represents an alkyl group, and a group represented by — (CH 2 ) x —OR 5 or —OCOR 5 (R 5 represents an alkyl group or a glycidyl group. , X represents a number of 0 or 1, and represents a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group]

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(3)中、R6は水素原子又はメチル基を、R7は水素原子又はヒドロキシアルキル基を、vは0又は1の数を示す]
(i)構造単位(a)
上記式(1)において、R1及びR2のフルオロアルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロシクロヘキシル基等の炭素数1〜6のフルオロアルキル基が挙げられる。また、R2のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、
ブチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基等の炭素数1〜6のアルキル基が挙げられる。
[In formula (3), R 6 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 7 represents a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group, and v represents a number of 0 or 1]
(I) Structural unit (a)
In the above formula (1), examples of the fluoroalkyl group represented by R 1 and R 2 include a trifluoromethyl group, a perfluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluorohexyl group, a perfluorocyclohexyl group, and the like. A C1-C6 fluoroalkyl group is mentioned. Examples of the alkyl group for R 2 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group,
C1-C6 alkyl groups, such as a butyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, are mentioned.

構造単位(a)は、含フッ素ビニル単量体を重合成分として用いることにより導入することができる。このような含フッ素ビニル単量体としては、少なくとも1個の重合性不飽和二重結合と、少なくとも1個のフッ素原子とを有する化合物であれば特に制限されるものではない。このような例としてはテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、3,3,3−トリフルオロプロピレン等のフルオロレフィン類;アルキルパーフルオロビニルエーテル又はアルコキシアルキルパーフルオロビニルエーテル類;パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)、パーフルオロ(ブチルビニルエーテル)、パーフルオロ(イソブチルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)類;パーフルオロ(プロポキシプロピルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)類の一種単独又は二種以上の組み合わせが挙げられる。   The structural unit (a) can be introduced by using a fluorine-containing vinyl monomer as a polymerization component. Such a fluorine-containing vinyl monomer is not particularly limited as long as it is a compound having at least one polymerizable unsaturated double bond and at least one fluorine atom. Examples thereof include fluororefines such as tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and 3,3,3-trifluoropropylene; alkyl perfluorovinyl ethers or alkoxyalkyl perfluorovinyl ethers; perfluoro (methyl vinyl ether), perfluoro Perfluoro (alkyl vinyl ethers) such as (ethyl vinyl ether), perfluoro (propyl vinyl ether), perfluoro (butyl vinyl ether), perfluoro (isobutyl vinyl ether); perfluoro (alkoxyalkyl vinyl ether) such as perfluoro (propoxypropyl vinyl ether) ) A single species or a combination of two or more species.

これらの中でも、ヘキサフルオロプロピレンとパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)又はパーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)がより好ましく、これらを組み合わせて用いることがさらに好ましい。   Among these, hexafluoropropylene and perfluoro (alkyl vinyl ether) or perfluoro (alkoxyalkyl vinyl ether) are more preferable, and it is more preferable to use these in combination.

尚、構造単位(a)の含有率は、水酸基含有含フッ素重合体の全体量を100モル%としたときに、20〜70モル%である。この理由は、含有率が20モル%未満になると、ガス拡散層に十分な撥水性を付与できず、発電生成物である水の滞留により電池性能が低下するからである。含有率が70モル%を超えると、水酸基含有含フッ素重合体の有機溶剤への溶解性又は基材への密着性が低下する場合があるためである。   In addition, the content rate of a structural unit (a) is 20-70 mol% when the whole quantity of a hydroxyl-containing fluoropolymer is 100 mol%. This is because if the content is less than 20 mol%, sufficient water repellency cannot be imparted to the gas diffusion layer, and the battery performance deteriorates due to retention of water as a power generation product. This is because if the content exceeds 70 mol%, the solubility of the hydroxyl group-containing fluoropolymer in an organic solvent or the adhesion to a substrate may be lowered.

また、このような理由により、構造単位(a)の含有率を、水酸基含有含フッ素重合体の全体量に対して、25〜65モル%とするのがより好ましく、30〜60モル%とするのがさらに好ましい。
(ii)構造単位(b)
式(2)において、R4又はR5のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、ラウリル基等の炭素数1〜12のアルキル基が挙げられ、アルコキシカルボニル基としては、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等が挙げられる。
For these reasons, the content of the structural unit (a) is more preferably 25 to 65 mol%, and more preferably 30 to 60 mol%, based on the total amount of the hydroxyl group-containing fluoropolymer. Is more preferable.
(Ii) Structural unit (b)
In the formula (2), examples of the alkyl group represented by R 4 or R 5 include alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms such as methyl group, ethyl group, propyl group, hexyl group, cyclohexyl group, and lauryl group. Examples of the group include a methoxycarbonyl group and an ethoxycarbonyl group.

構造単位(b)は、上述の置換基を有するビニル単量体を重合成分として用いることにより導入することができる。このようなビニル単量体の例としては、メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、tert−ブチルビニルエーテル、n−ペンチルビニルエーテル、n−ヘキシルビニルエーテル、n−オクチルビニルエーテル、n−ドデシルビニルエーテル、2−エチルヘキシルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテルもしくはシクロアルキルビニルエーテル類;エチルアリルエーテル、ブチルアリルエーテル等のアリルエーテル類;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル、カプロン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ステアリン酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル類;メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル
(メタ)アクリレート、2−(n−プロポキシ)エチル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル類;(メタ)アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等の不飽和カルボン酸類等の一種単独又は二種以上の組み合わせが挙げられる。
The structural unit (b) can be introduced by using the above-mentioned vinyl monomer having a substituent as a polymerization component. Examples of such vinyl monomers include methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, n-propyl vinyl ether, isopropyl vinyl ether, n-butyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, tert-butyl vinyl ether, n-pentyl vinyl ether, n-hexyl vinyl ether, n -Alkyl vinyl ethers or cycloalkyl vinyl ethers such as octyl vinyl ether, n-dodecyl vinyl ether, 2-ethylhexyl vinyl ether, cyclohexyl vinyl ether; allyl ethers such as ethyl allyl ether, butyl allyl ether; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, pivalin Carboxylic acid vinyl ester such as vinyl acid vinyl, vinyl caproate, vinyl vinyl versatate, vinyl stearate Tellurium; methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, isobutyl (meth) acrylate, 2-methoxyethyl (meth) acrylate, 2-ethoxyethyl (meth) acrylate, 2- ( (Meth) acrylic acid esters such as n-propoxy) ethyl (meth) acrylate; (meth) acrylic acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid and other unsaturated carboxylic acids, etc. The combination of is mentioned.

尚、構造単位(b)の含有率は、水酸基含有含フッ素重合体の全体量を100モル%としたときに、5〜50モル%である。この理由は、含有率が5モル%未満になると、水酸基含有含フッ素重合体の有機溶剤への溶解性が低下する場合があるためであり、一方、含有率が50モル%を超えると、ガス拡散層に十分な撥水性を付与できず、発電生成物である水の滞留により電池性能が低下するからである。   In addition, the content rate of a structural unit (b) is 5-50 mol% when the whole quantity of a hydroxyl-containing fluoropolymer is 100 mol%. This is because if the content is less than 5 mol%, the solubility of the hydroxyl group-containing fluoropolymer in the organic solvent may be reduced. On the other hand, if the content exceeds 50 mol%, This is because sufficient water repellency cannot be imparted to the diffusion layer, and battery performance deteriorates due to retention of water as a power generation product.

また、このような理由により、構造単位(b)の含有率を、水酸基含有含フッ素重合体の全体量に対して、10〜40モル%とするのがより好ましく、10〜35モル%とする
のがさらに好ましい。
(iii)構造単位(c)
式(3)において、R7のヒドロキシアルキル基としては、2−ヒドロキシエチル基、
2−ヒドロキシプロピル基、3−ヒドロキシプロピル基、4−ヒドロキシブチル基、3−ヒドロキシブチル基、5−ヒドロキシペンチル基、6−ヒドロキシヘキシル基が挙げられる。
For such reasons, the content of the structural unit (b) is more preferably 10 to 40 mol%, more preferably 10 to 35 mol%, based on the total amount of the hydroxyl group-containing fluoropolymer. Is more preferable.
(Iii) Structural unit (c)
In formula (3), the hydroxyalkyl group for R 7 is a 2-hydroxyethyl group,
Examples thereof include 2-hydroxypropyl group, 3-hydroxypropyl group, 4-hydroxybutyl group, 3-hydroxybutyl group, 5-hydroxypentyl group, and 6-hydroxyhexyl group.

構造単位(c)は、水酸基含有ビニル単量体を重合成分として用いることにより導入することができる。このような水酸基含有ビニル単量体の例としては、2−ヒドロキシエチルビニルエーテル、3−ヒドロキシプロピルビニルエーテル、2−ヒドロキシプロピルビニルエーテル、4−ヒドロキシブチルビニルエーテル、3−ヒドロキシブチルビニルエーテル、5−ヒドロキシペンチルビニルエーテル、6−ヒドロキシヘキシルビニルエーテル等の水酸基含有ビニルエーテル類、2−ヒドロキシエチルアリルエーテル、4−ヒドロキシブチルアリルエーテル、グリセロールモノアリルエーテル等の水酸基含有アリルエーテル類、アリルアルコール等が挙げられる。   The structural unit (c) can be introduced by using a hydroxyl group-containing vinyl monomer as a polymerization component. Examples of such hydroxyl group-containing vinyl monomers include 2-hydroxyethyl vinyl ether, 3-hydroxypropyl vinyl ether, 2-hydroxypropyl vinyl ether, 4-hydroxybutyl vinyl ether, 3-hydroxybutyl vinyl ether, 5-hydroxypentyl vinyl ether, Examples include hydroxyl group-containing vinyl ethers such as 6-hydroxyhexyl vinyl ether, hydroxyl group-containing allyl ethers such as 2-hydroxyethyl allyl ether, 4-hydroxybutyl allyl ether, and glycerol monoallyl ether, allyl alcohol, and the like.

また、水酸基含有ビニル単量体としては、上記以外にも、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、カプロラクトン(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート等を用いることができる。   Moreover, as a hydroxyl-containing vinyl monomer, in addition to the above, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxybutyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, caprolactone (meth) acrylate, polypropylene Glycol (meth) acrylate or the like can be used.

尚、構造単位(c)の含有率を、水酸基含有含フッ素重合体の全体量を100モル%としたときに、10〜60モル%とすることが好ましい。この理由は、含有率が10モル%未満になると、フッ素重合体中の水酸基と触媒層炭素上の親水性官能基との間に十分な水素結合が形成されないため、触媒層とガス拡散層間に十分な接着が得られないからである。一方、含有率が60モル%を超えると、ガス拡散層に十分な撥水性を付与できず、発電生成物である水の滞留により電池性能が低下するからである。   In addition, it is preferable that the content rate of a structural unit (c) shall be 10-60 mol% when the whole quantity of a hydroxyl-containing fluoropolymer is 100 mol%. The reason for this is that when the content is less than 10 mol%, sufficient hydrogen bonds are not formed between the hydroxyl group in the fluoropolymer and the hydrophilic functional group on the catalyst layer carbon, so the catalyst layer and the gas diffusion layer are not formed. This is because sufficient adhesion cannot be obtained. On the other hand, when the content exceeds 60 mol%, sufficient water repellency cannot be imparted to the gas diffusion layer, and the battery performance deteriorates due to retention of water as the power generation product.

また、このような理由により、構造単位(c)の含有率を、水酸基含有含フッ素重合体の全体量に対して、15〜55モル%とするのがより好ましく、15〜50モル%とするのがさらに好ましい。
(iv)構造単位(d)及び構造単位(e)
水酸基含有含フッ素重合体は、さらに下記構造単位(d)を含んで構成することも好ましい。
For these reasons, the content of the structural unit (c) is more preferably 15 to 55 mol% with respect to the total amount of the hydroxyl group-containing fluoropolymer, and 15 to 50 mol%. Is more preferable.
(Iv) Structural unit (d) and structural unit (e)
The hydroxyl group-containing fluoropolymer preferably further comprises the following structural unit (d).

(d)下記式(4)で表される構造単位。   (D) A structural unit represented by the following formula (4).

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(4)中、R8及びR9は、同一でも異なっていてもよく、水素原子、アルキル基、ハロゲン化アルキル基又はアリール基を示す]
式(4)において、R8又はR9のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1〜3のアルキル基が、ハロゲン化アルキル基としてはトリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基等の炭素数1〜4のフルオロアルキル基等が、アリール基としてはフェニル基、ベンジル基、ナフチル基等がそれぞれ挙げられる。
[In formula (4), R 8 and R 9 may be the same or different and each represents a hydrogen atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group or an aryl group]
In the formula (4), the alkyl group of R 8 or R 9 is an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group or a propyl group, and the halogenated alkyl group is a trifluoromethyl group or perfluoro group. C1-C4 fluoroalkyl groups, such as an ethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, etc., A phenyl group, a benzyl group, a naphthyl group etc. are each mentioned as an aryl group.

構造単位(d)は、前記式(4)で表されるポリシロキサンセグメントを有するアゾ基含有ポリシロキサン化合物を用いることにより導入することができる。このようなアゾ基含有ポリシロキサン化合物の例としては、下記式(5)で表される化合物が挙げられる。   The structural unit (d) can be introduced by using an azo group-containing polysiloxane compound having a polysiloxane segment represented by the formula (4). Examples of such azo group-containing polysiloxane compounds include compounds represented by the following formula (5).

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(5)中、R10〜R13は、同一でも異なっていてもよく、水素原子、アルキル基又はシアノ基を示し、R14〜R17は、同一でも異なっていてもよく、水素原子又はアルキル基を示し、p、qは1〜6の数、s、tは0〜6の数、yは1〜200の数、zは1〜20の数を示す。]
式(5)で表される化合物を用いた場合には、構造単位(d)は、構造単位(e)の一部として水酸基含有含フッ素重合体に含まれる。
[In the formula (5), R 10 to R 13 may be the same or different and each represents a hydrogen atom, an alkyl group or a cyano group, and R 14 to R 17 may be the same or different and represent a hydrogen atom. Alternatively, it represents an alkyl group, p and q are numbers 1 to 6, s and t are numbers 0 to 6, y is a number 1 to 200, and z is a number 1 to 20. ]
When the compound represented by the formula (5) is used, the structural unit (d) is included in the hydroxyl group-containing fluoropolymer as a part of the structural unit (e).

(e)下記式(6)で表される構造単位。   (E) A structural unit represented by the following formula (6).

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(6)中、R10〜R13、R14〜R17、p、q、s、t及びyは、上記式(5)と同じである。]
式(5),(6)において、R10〜R13のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基等の炭素数1〜12のアルキル基が挙げられ、R14〜R17のアルキル基としてはメチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1〜3のアルキル基が挙げられる。
[In the formula (6), R 10 to R 13 , R 14 to R 17 , p, q, s, t, and y are the same as in the above formula (5). ]
In the formulas (5) and (6), examples of the alkyl group represented by R 10 to R 13 include alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a hexyl group, and a cyclohexyl group. Examples of the alkyl group of 14 to R 17 include an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, and a propyl group.

本発明において、上記式(5)で表されるアゾ基含有ポリシロキサン化合物としては、下記式(7)で表される化合物が特に好ましい。   In the present invention, the azo group-containing polysiloxane compound represented by the above formula (5) is particularly preferably a compound represented by the following formula (7).

Figure 2009231218
Figure 2009231218

[式(7)中、y及びzは、上記式(5)と同じである。]
尚、構造単位(d)の含有率を、水酸基含有含フッ素重合体の全体量を100モル%としたときに、0.1〜10モル%とすることが好ましい。この理由は、含有率が0.1モル%未満になると、硬化後の塗膜の表面滑り性が低下し、塗膜の耐擦傷性が低下する場合があるためであり、一方、含有率が10モル%を超えると、水酸基含有含フッ素重合体の透明性に劣り、コート材として使用する際に、塗布時にハジキ等が発生し易くなる場合があるためである。
[In Formula (7), y and z are the same as the said Formula (5). ]
In addition, it is preferable that the content rate of a structural unit (d) shall be 0.1-10 mol% when the whole quantity of a hydroxyl-containing fluoropolymer is 100 mol%. The reason for this is that when the content is less than 0.1 mol%, the surface slipperiness of the cured coating film is lowered, and the scratch resistance of the coating film may be lowered. If the amount exceeds 10 mol%, the transparency of the hydroxyl group-containing fluoropolymer is inferior, and when used as a coating material, repelling and the like are likely to occur during coating.

また、このような理由により、構造単位(d)の含有率を、水酸基含有含フッ素重合体の全体量に対して、0.1〜5モル%とするのがより好ましく、0.1〜3モル%とするのがさらに好ましい。同じ理由により、構造単位(e)の含有率は、その中に含まれる構造単位(d)の含有率を上記範囲にするよう決定することが望ましい。
(v)分子量
水酸基含有含フッ素重合体は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで、テトラヒドロフランを溶剤として測定したポリスチレン換算数平均分子量が5,000〜500,000であることが好ましい。この理由は、数平均分子量が5,000未満になると、水酸基含有含フッ素重合体の機械的強度が低下し、微多孔層と触媒層の接合性が低下することがあり、一方、数平均分子量が500,000を超えると、水酸基含有含フッ素重合体溶液、あるいは水酸基含有含フッ素重合体含有微多孔層ペーストの粘度が高くなり、含浸、あるいは塗工が困難となる場合があるためである。
For these reasons, the content of the structural unit (d) is more preferably 0.1 to 5 mol% with respect to the total amount of the hydroxyl group-containing fluoropolymer, More preferably, it is mol%. For the same reason, the content of the structural unit (e) is desirably determined so that the content of the structural unit (d) contained therein is in the above range.
(V) Molecular Weight The hydroxyl group-containing fluoropolymer preferably has a polystyrene-equivalent number average molecular weight of 5,000 to 500,000 measured by gel permeation chromatography using tetrahydrofuran as a solvent. The reason for this is that when the number average molecular weight is less than 5,000, the mechanical strength of the hydroxyl group-containing fluoropolymer is lowered, and the bondability between the microporous layer and the catalyst layer may be lowered. Is over 500,000, the viscosity of the hydroxyl group-containing fluoropolymer solution or the hydroxyl group-containing fluoropolymer-containing microporous layer paste becomes high, which may make impregnation or coating difficult.

また、このような理由により、水酸基含有含フッ素重合体のポリスチレン換算数平均分子量を10,000〜300,000とするのがより好ましく、10,000〜100,000とするのがさらに好ましい。
(1−3)その他の含フッ素重合体(B)
微多孔質は、水酸基含有含フッ素重合体(A)に加えて、水酸基を有しない含フッ素重合体(B)を含んでいてもよい。水酸基を有しない含フッ素重合体(B)は、水酸基含有含フッ素重合体(A)と同様に多孔性基材に撥水性を付与する。水酸基を有しない含フッ素重合体(B)の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル、ポリパーフルオロスルホニルフロライド、アルコキシビニルエーテル、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼン、分子内に脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボン重合体、含フッ素オレフィオンと炭化水素系オレフィンとの共重合体、含フッ素アクリレートとアクリレートまたは/およびメタクリレートとの共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロパンなど、またはこれらのコポリマーがあげられる。この中で、撥水性の持続性および使用上
の取り扱いやすさからフッ素樹脂が好ましく、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体がより好ましい。
(1−4)微多孔層形成用ペースト
本発明で使用される微多孔層は、以下に示す微多孔層形成用ペーストを用いて形成される。
For these reasons, the number average molecular weight in terms of polystyrene of the hydroxyl group-containing fluoropolymer is more preferably 10,000 to 300,000, and even more preferably 10,000 to 100,000.
(1-3) Other fluorine-containing polymer (B)
The microporous material may contain a fluorine-containing polymer (B) having no hydroxyl group in addition to the hydroxyl group-containing fluorine-containing polymer (A). The fluorine-containing polymer (B) having no hydroxyl group imparts water repellency to the porous substrate in the same manner as the hydroxyl group-containing fluorine-containing polymer (A). Specific examples of the fluorine-containing polymer (B) having no hydroxyl group include polytetrafluoroethylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, silane coupling agent, silicone resin, wax, polyphosphazene. Perfluorocarbon polymers having an aliphatic ring structure in the molecule, copolymers of fluorine-containing olefins and hydrocarbon olefins, copolymers of fluorine-containing acrylates and acrylates and / or methacrylates, polyvinylidene fluoride, poly Chlorotrifluoroethylene, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafur Roechiren - ethylene copolymer, polyvinylidene fluoride - hexafluoropropane, or their copolymers. Among these, a fluororesin is preferable from the viewpoint of durability of water repellency and ease of handling in use, and polytetrafluoroethylene and a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer are more preferable.
(1-4) Microporous layer forming paste The microporous layer used in the present invention is formed using the following microporous layer forming paste.

本発明において、ペースト中の炭素粉末及び撥水剤の合計重量が3重量%〜50重量%、好ましくは10重量%〜40重量%であり、溶媒の使用割合は重量比で50重量%〜97重量%、好ましくは60重量%〜90重量%であり、必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0重量%〜45重量%、好ましくは0重量%〜20重量%である。炭素粉末の使用割合が、上記範囲未満であると、微多孔層内に微細気孔を形成しにくくて反応物の拡散が容易に行われない。また、上記範囲より大きいと、炭素粉末の脱落が起こる可能性がある。撥水剤の使用割合が、上記範囲未満であると、炭素粉末の脱落が起こる可能性があって好ましくない。また、撥水性が不十分となり水の拡散性が低下して発電特性が低下することがあり、また、上記範囲より大きいと、微多孔層内に微細気孔を形成しにくくて反応物の拡散が容易に行われないこともある。溶媒の使用割合が、上記範囲内にあると微多孔層形成時の塗工性に優れる。分散剤の使用割合が、上記範囲内にあると流動性および保存安定性に優れた微多孔層形成用ペーストが得られる。   In the present invention, the total weight of the carbon powder and the water repellent in the paste is 3% by weight to 50% by weight, preferably 10% by weight to 40% by weight, and the use ratio of the solvent is 50% by weight to 97% by weight. % By weight, preferably 60% by weight to 90% by weight, and the proportion of the dispersant used as necessary is 0% by weight to 45% by weight, preferably 0% by weight to 20% by weight. . When the use ratio of the carbon powder is less than the above range, it is difficult to form micropores in the microporous layer, and the reactant is not easily diffused. If it is larger than the above range, the carbon powder may fall off. If the ratio of the water repellent used is less than the above range, the carbon powder may fall off, which is not preferable. In addition, the water repellency becomes insufficient and the diffusibility of water may decrease, resulting in a decrease in power generation characteristics.If the ratio is larger than the above range, it is difficult to form fine pores in the microporous layer, and the reactants may not diffuse. Sometimes it is not done easily. When the use ratio of the solvent is within the above range, the coating property at the time of forming the microporous layer is excellent. When the proportion of the dispersant used is in the above range, a microporous layer-forming paste having excellent fluidity and storage stability can be obtained.

前記撥水剤は、使用上の取り扱いやすさから、有機溶媒に溶解した状態、または水に分散させた状態で用いることが好ましい。
本発明で用いられる微多孔層形成用ペーストの溶媒は、特に限定されないが、水、メタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、イソブチルアルコールなどのアルコール類;フラン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1、2−ジメトキシエタンなどのエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、γ−ブチロラクトンなどのケトン類;ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロロドンなどが挙げられる。上記溶媒は、1種単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
The water repellent is preferably used in a state dissolved in an organic solvent or dispersed in water for ease of handling in use.
The solvent for the microporous layer forming paste used in the present invention is not particularly limited, but water, methanol, ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, and the like. Alcohols such as furan, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,2-dimethoxyethane; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, γ-butyrolactone; dimethyl sulfoxide, N-methylformamide, N, N- Examples include dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methyl-2-pyrrolodon. The said solvent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type.

本発明で用いられる微多孔層形成用ペーストには、必要に応じてさらに分散剤を添加してもよい。このような分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。   If necessary, a dispersant may be further added to the microporous layer forming paste used in the present invention. Examples of such a dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.

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

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

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

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

上記分散剤は、1種単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中では、好ましくはアルキルフェノールエチレンオキサイド付加物である。微多孔層形成用ペーストに上記分散剤を添加すると、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。
The said dispersing agent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type.
Of these, alkylphenol ethylene oxide adducts are preferred. When the above dispersant is added to the microporous layer-forming paste, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.

本発明で用いられる微多孔層形成用ペースト組成物は、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。各成分の混合順序は特に限定されないが、たとえば、全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、有機溶媒の量を調整して、組成物の粘度を調整してもよい。

(1−5)微多孔層の形成方法
本発明で用いられる微多孔層の形成方法としては、撥水剤コート多孔性基材又は触媒層
上に、前記ペーストを直接塗布後乾燥することにより形成することが可能であり、他の転写基材上に微多孔層形成用ペーストを塗布後乾燥して微多孔層を形成し、撥水剤コート多孔性基材又は触媒層上にホットプレスで転写してもよい。また上記微多孔層を数回に分けて積層することにより形成してもよい。
The paste composition for forming a microporous layer used in the present invention can be prepared, for example, by mixing the above components at a predetermined ratio and kneading them by a conventionally known method. The order of mixing the components is not particularly limited. For example, all the components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then the dispersant is added as necessary. It is preferable to add and to stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of an organic solvent as needed, and may adjust the viscosity of a composition.

(1-5) Formation method of microporous layer As a formation method of the microporous layer used by this invention, it forms by drying after apply | coating the said paste directly on a water-repellent agent coating porous base material or a catalyst layer. It is possible to form a microporous layer by applying a microporous layer forming paste on another transfer substrate and then transferring it to the water repellent coated porous substrate or catalyst layer by hot pressing. May be. Moreover, you may form by laminating | stacking the said microporous layer in several times.

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

ホットプレス条件は、温度30℃〜200℃、好ましくは40℃〜180℃、圧力5〜300kg/cm2、好ましくは10〜120kg/cm2、時間30秒間〜60分間、好ましくは1分間〜30分間である。上記範囲内であると、撥水剤コート多孔性基材又は触媒層と微多孔層間の接合性が良好となる。
(1−6)微多孔層の撥水処理方法
本発明に用いられる水酸基含有含フッ素重合体(A)は撥水剤として前記の方法で多孔性基材または微多孔層に含ませることができる。また、水酸基含有含フッ素重合体以外の撥水剤を用いてガス拡散層を形成し、後から水酸基含有含フッ素重合体添加することにより含ませることもできる。後から添加する方法としては水酸基含有含フッ素重合体を有機溶剤を含む溶媒に溶解させた溶液、あるいは、水酸基含有含フッ素重合体を水を含む溶媒中に懸濁させた溶液をガス拡散層の触媒層と接触する表面に塗布、乾燥し、水酸基含有含フッ素重合体層を形成することができる。有機溶媒としては、特に限定されないが、ケトン系、エーテル系、アルコール系が好ましい。塗布方法は、特に限定されないが、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗工法などが挙げられる。含浸法として、まず有機溶剤に水酸基含有含フッ素重合体を溶解させた溶液を作成する。この溶液に多孔性基材または微多孔層を形成した多孔性基材を数分間程浸し、有機溶剤を乾燥して除去する。これによって接着フッ素樹脂を添加することができる。なお、有機溶剤は水酸基含有含フッ素重合体を溶解させ、水酸基含有含フッ素重合体の分解温度以下の沸点を有するものであれば良く、特に限定されない。後から水酸基含有含フッ素重合体添加する場合の添加量は0.01〜5mg/cm2、好ましくは0.1〜1mg/cm2である。上記の範囲以下であると十分な接着性が得られず、上記の範囲以上だとガス拡散層の細孔が閉塞し電池性能が低下する。
(2)多孔性基材
本発明で用いられる多孔性基材としては、燃料電池に一般に用いられる多孔性基材、たとえば、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどを、特に限定されることなく用いることができる。
The hot press conditions are as follows: temperature 30 ° C. to 200 ° C., preferably 40 ° C. to 180 ° C., pressure 5 to 300 kg / cm 2 , preferably 10 to 120 kg / cm 2 , time 30 seconds to 60 minutes, preferably 1 minute to 30 For minutes. Within the above range, the bonding property between the water repellent coated porous substrate or catalyst layer and the microporous layer is improved.
(1-6) Water-repellent treatment method for microporous layer The hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) used in the present invention can be contained in a porous substrate or microporous layer as a water-repellent agent by the method described above. . Moreover, it can also contain by forming a gas diffusion layer using water repellents other than a hydroxyl-containing fluoropolymer, and adding a hydroxyl-containing fluoropolymer later. As a method to be added later, a solution in which a hydroxyl group-containing fluoropolymer is dissolved in a solvent containing an organic solvent or a solution in which a hydroxyl group-containing fluoropolymer is suspended in a solvent containing water is added to the gas diffusion layer. It can apply | coat and dry to the surface which contacts a catalyst layer, and can form a hydroxyl-containing fluoropolymer layer. Although it does not specifically limit as an organic solvent, A ketone type | system | group, an ether type | system | group, and an alcohol type are preferable. The application method is not particularly limited, and examples thereof include a doctor blade method, screen printing, and spray coating method. As an impregnation method, first, a solution in which a hydroxyl group-containing fluoropolymer is dissolved in an organic solvent is prepared. A porous substrate or a porous substrate having a microporous layer formed thereon is immersed in this solution for several minutes, and the organic solvent is dried and removed. Thereby, an adhesive fluororesin can be added. The organic solvent is not particularly limited as long as it dissolves the hydroxyl group-containing fluoropolymer and has a boiling point not higher than the decomposition temperature of the hydroxyl group-containing fluoropolymer. When the hydroxyl group-containing fluoropolymer is added later, the addition amount is 0.01 to 5 mg / cm 2 , preferably 0.1 to 1 mg / cm 2 . If it is below the above range, sufficient adhesion cannot be obtained, and if it is above the above range, the pores of the gas diffusion layer are blocked and the battery performance is deteriorated.
(2) Porous base material As the porous base material used in the present invention, a porous base material generally used for fuel cells, for example, a porous conductive sheet mainly composed of a conductive substance, is particularly limited. It can be used without being done.

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

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

このような布帛として特に炭素繊維を用いる場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化または黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工をした後に炭化または黒鉛化した不織布、耐炎化糸、炭化糸または黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましい。たとえば、東レ製カーボンペーパー「TGPシリーズ」、「SOシリーズ」、E−TEK社製カーボンクロス、SGL社製カーボンペーパー及びカーボンフェルト、三菱レイヨン製カーボンペーパーなどが好ましく用いられる。   In particular, when carbon fiber is used as such a fabric, a plain fabric using flame-resistant spun yarn is carbonized or graphitized, and the flame-resistant yarn is carbonized after being processed into a nonwoven fabric by a needle punch method or a water jet punch method. Or a graphitized nonwoven fabric, a flame-resistant yarn, a mat nonwoven fabric by a paper making method using carbonized yarn or graphitized yarn, and the like are preferable. For example, Toray carbon paper “TGP series”, “SO series”, carbon cloth manufactured by E-TEK, carbon paper and carbon felt manufactured by SGL, carbon paper manufactured by Mitsubishi Rayon, and the like are preferably used.

また、撥水材として水酸基含有含フッ素重合体(A)又は水酸基含有含フッ素重合体(A)および水酸基を有しない含フッ素重合体(B)を添加して多孔性基材とすることもできる。この場合に多孔性基材に用いられる水酸基含有含フッ素重合体(A)、水酸基を有しない含フッ素重合体(B)については、微多孔層に用いる場合と同様である。
(2−1)多孔性基材の形成方法
多孔性基材は、好ましくは前記導電性物質を撥水処理して形成される。多孔性基材を撥水処理するには、水酸基含有含フッ素重合体(A)又は水酸基含有含フッ素重合体(A)および水酸基を有しない含フッ素重合体(B)を水中に分散させたディスパージョン、または有機溶媒に溶解させた撥水剤溶解液(以下、撥水処理用樹脂ともいう。)を用いて、後述の方法で撥水剤コートして撥水剤以外の成分(溶媒、分散剤など)を乾燥、加熱分解することで作製することができる。撥水剤コート法としては、組成物の粘性によってディップコーティング法、スクリーンプリンティング法、スプレーコーティング法またはドクターブレードを利用したコーティング法、グラビアコーティング法、シルクスクリーン法、ペインティング法などが用いられるが、これに限られるものではない。この中で、ディップコーティング法が好ましい。ディップコーティング法の場合、撥水処理用樹脂のコート量は、ディスパージョン、または撥水剤溶解液の濃度により調整することができる。多孔性基材への撥水処理用樹脂のコート量は、撥水処理多孔性基材に対する撥水剤の重量比が1重量%〜50重量%であることが好ましく、より好ましくは2重量%〜30重量%で、5重量%〜20重量%が好適である。
Further, a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) or a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) and a fluoropolymer (B) having no hydroxyl group can be added as a water repellent material to form a porous substrate. . In this case, the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) used for the porous substrate and the fluoropolymer (B) having no hydroxyl group are the same as those used for the microporous layer.
(2-1) Method for forming porous substrate The porous substrate is preferably formed by subjecting the conductive material to a water repellent treatment. A water-repellent treatment of a porous substrate is carried out by dispersing a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) or a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) and a fluoropolymer (B) having no hydroxyl group in water. John or a water repellent solution dissolved in an organic solvent (hereinafter also referred to as a water repellent treatment resin) is coated with a water repellent by the method described below, and the components other than the water repellent (solvent, dispersion) It can be prepared by drying and thermally decomposing the agent. As the water repellent coating method, a dip coating method, a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade, a gravure coating method, a silk screen method, a painting method, etc. are used depending on the viscosity of the composition. It is not limited to this. Among these, the dip coating method is preferable. In the case of the dip coating method, the coating amount of the water repellent resin can be adjusted by the concentration of the dispersion or the water repellent solution. The coating amount of the water repellent treatment resin on the porous substrate is preferably such that the weight ratio of the water repellent to the water repellent treated porous substrate is 1 wt% to 50 wt%, more preferably 2 wt%. -30% by weight, preferably 5-20% by weight.

撥水処理用樹脂のコート量が上記範囲内であると、アノードではCO2の排出が、カソ
ードでは生成水の排出が良好となり発電特性が向上するため好ましい。
また、微多孔層形成用ペーストを撥水処理多孔性基材へ塗布した際の微多孔層形成用ペーストの多孔性基材への染み込みによる多孔性基材の細孔閉塞を抑制し、水、ガスの拡散経路を確保できるため、発電特性が向上するため好ましい。
[触媒層]
膜電極接合体を構成する触媒層は、触媒ペーストを使用して形成することができる。該触媒ペーストは、触媒、イオン交換樹脂電解質および溶媒を含有し、好ましくは、触媒、イオン交換樹脂電解質および溶媒に加えて、炭素繊維、イオン交換機を有しない樹脂、水、分散剤等を含有することができる。
(1)触媒
触媒としては白金、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、貴金属触媒は、合金や混合物などのように、2種以上の元素が含まれるものであってもよい。
It is preferable that the coating amount of the water-repellent treatment resin is within the above-mentioned range since CO 2 is discharged at the anode and generated water is discharged at the cathode, which improves power generation characteristics.
Further, when the microporous layer forming paste is applied to the water-repellent treated porous substrate, the microporous layer forming paste is prevented from being clogged with the porous substrate by the penetration into the porous substrate, water, Since a gas diffusion path can be secured, power generation characteristics are improved, which is preferable.
[Catalyst layer]
The catalyst layer constituting the membrane electrode assembly can be formed using a catalyst paste. The catalyst paste contains a catalyst, an ion exchange resin electrolyte and a solvent, and preferably contains a carbon fiber, a resin having no ion exchanger, water, a dispersant, etc. in addition to the catalyst, the ion exchange resin electrolyte and the solvent. be able to.
(1) Catalyst As the catalyst, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, gold, ruthenium or iridium is preferably used. The noble metal catalyst may contain two or more elements such as an alloy or a mixture.

触媒を有効利用する観点から、上記触媒を高比表面積カーボン微粒子に担持したものを用いることができる。カーボン担体としては、電子伝導性と比表面積の大きさの観点から、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましい。   From the viewpoint of effectively using the catalyst, a catalyst in which the above catalyst is supported on carbon fine particles having a high specific surface area can be used. As the carbon support, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like is preferable from the viewpoint of electron conductivity and specific surface area.

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

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

上記炭素材の形態としては、粒子状のほか繊維状も用いることができる。
上記カーボンに担持される触媒の量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、触媒担持カーボン中の触媒含有率が10〜95重量%であることが望ましく、20〜85重量%であると更に好適である。上記範囲より触媒含有率が大きい場合は、有効に使われない触媒が増えるため、効率の悪い電極になる。また上記より小さい触媒含有率の場合は十分な触媒量のできないため電池の性能が低くなる。
(2)イオン交換樹脂電解質
イオン交換樹脂電解質は、前記触媒を担持したカーボンを結着させるバインダー成分として働くとともに、燃料極では触媒上の反応によって発生したイオンをイオン伝導膜へ効率的に供給し、また、空気極ではイオン伝導膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給する。
As the form of the carbon material, a particulate form as well as a fibrous form can be used.
The amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as it is an amount that can effectively exhibit catalytic activity, but the catalyst content in the catalyst-supported carbon is 10 to 95% by weight. Desirably, it is more suitable in it being 20 to 85 weight%. If the catalyst content is higher than the above range, the number of catalysts that are not used effectively increases, resulting in an inefficient electrode. Further, when the catalyst content is smaller than the above, a sufficient amount of catalyst cannot be obtained, so that the battery performance is lowered.
(2) Ion exchange resin electrolyte The ion exchange resin electrolyte functions as a binder component for binding the carbon carrying the catalyst, and efficiently supplies ions generated by the reaction on the catalyst to the ion conductive membrane at the fuel electrode. In addition, the air electrode efficiently supplies ions supplied from the ion conductive membrane to the catalyst.

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

このようなイオン交換樹脂電解質は、公知のものを特に制限なく使用可能であり、たとえばNafion(DuPont社、登録商標)やスルホン化ポリアリーレン等を特に制限なく使用できる。   As such an ion exchange resin electrolyte, known ones can be used without particular limitation, and for example, Nafion (DuPont, registered trademark), sulfonated polyarylene, etc. can be used without particular limitation.

本発明に用いることのできるスルホン化ポリアリーレンの具体的態様は特に限定されるものではないが、好ましい態様について後述する。
(3)炭素繊維
本発明で用いられる触媒層に必要に応じてさらに炭素繊維を添加してもよい。このような炭素繊維しては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバー系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維などを用いることができ、これらの中では気相成長炭素繊維が好ましい。
Although the specific aspect of the sulfonated polyarylene that can be used in the present invention is not particularly limited, a preferable aspect will be described later.
(3) Carbon fiber Carbon fiber may be further added to the catalyst layer used in the present invention as necessary. As such carbon fibers, rayon-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, lignin pover-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, and the like can be used. Among these, vapor-grown carbon fibers Is preferred.

触媒層にこのような炭素繊維をさらに添加すると、触媒層中の細孔容積が増加するため、燃料ガスや酸素ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディングなどを改善でき、発電性能が向上する。
(4)イオン交換基を有しない樹脂
本発明で用いられる触媒層に、必要に応じてさらにイオン交換基を有しない樹脂を用いてもよい。これらの樹脂としては撥水性の高い樹脂であることが好ましい。例えば含フッ素共重合体、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼンなどを挙げることができるが、好ましくは含フッ素共重合体である。
When such a carbon fiber is further added to the catalyst layer, the pore volume in the catalyst layer is increased, so that the diffusibility of fuel gas and oxygen gas is improved, and flooding due to the generated water can be improved. Performance is improved.
(4) Resin not having an ion exchange group For the catalyst layer used in the present invention, a resin not having an ion exchange group may be used as necessary. These resins are preferably resins with high water repellency. For example, fluorine-containing copolymers, silane coupling agents, silicone resins, waxes, polyphosphazenes and the like can be mentioned, and fluorine-containing copolymers are preferred.

含フッ素共重合体としては、例えばフッ化ビニリデン系の共重合体、分子内に脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボン重合体、含フッ素オレフィオンと炭化水素系オレフィンとの共重合体、含フッ素アクリレートとアクリレートまたは/およびメタクリレートとの共重合体などを挙げることができる。これらのイオン交換基を有しない樹脂を用いることで、触媒層中の湿潤状態を適切に維持できるため好ましい。
(5)水
本発明で用いられる触媒ペースト組成物には、必要に応じてさらに水を添加してもよい。水を添加することにより、触媒ペースト組成物を調製する際の発熱を低減する効果がある。
(6)分散剤
本発明で用いられる触媒ペースト組成物には、必要に応じてさらに分散剤を添加してもよい。このような分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。
Examples of the fluorinated copolymer include a vinylidene fluoride copolymer, a perfluorocarbon polymer having an aliphatic ring structure in the molecule, a copolymer of a fluorinated olefin and a hydrocarbon olefin, and a fluorinated acrylate. Examples thereof include a copolymer with acrylate or / and methacrylate. Use of these resins having no ion exchange group is preferable because the wet state in the catalyst layer can be appropriately maintained.
(5) Water You may add water further to the catalyst paste composition used by this invention as needed. By adding water, there is an effect of reducing heat generation when preparing the catalyst paste composition.
(6) Dispersant A dispersant may be further added to the catalyst paste composition used in the present invention as necessary. Examples of such a dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.

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

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

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

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

上記分散剤は、1種単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中では、好ましくは塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性もしくはカチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは分子量5千〜3万の界面活性剤である。電極用ペースト組成物に上記分散剤を添加すると、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。
(7)触媒層組成
本発明において、触媒が担持されたカーボンブラックの使用割合は、重量比で25重量%〜85重量%、好ましくは重量40%〜70重量%であり、イオン交換樹脂電解質の使用割合は、重量比で10重量%〜60重量%、好ましくは15重量%〜50重量%であり、必要に応じて用いられるイオン交換基を有しない樹脂の使用割合は、重量比で0重量%〜40重量%、好ましくは0重量%〜20重量%であり、必要に応じて用いられる炭素繊維の使用割合は、重量比で0重量%〜40重量%、好ましくは0重量%〜30重量%であり、必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0重量%〜10重量%、好ましくは0重量%〜5重量%である。
(8)触媒ペースト組成
触媒ペーストは、前記触媒層の項に示した使用割合の各成分が有機溶剤に溶解又は分散されてなる。触媒ペーストに用いられる有機溶剤は、特に限定されないが、下記のような有機溶剤が挙げられる。また、これらの有機溶剤に水を併用することがさらに好ましい。
The said dispersing agent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. Among these, a surfactant having a basic group is preferable, an anionic or cationic surfactant is more preferable, and a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000 is more preferable. When the above dispersant is added to the electrode paste composition, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.
(7) Catalyst layer composition In the present invention, the proportion of carbon black on which the catalyst is supported is 25 to 85% by weight, preferably 40 to 70% by weight. The use ratio is 10% by weight to 60% by weight, preferably 15% by weight to 50% by weight, and the use ratio of the resin having no ion exchange group used as necessary is 0% by weight. % To 40% by weight, preferably 0% to 20% by weight, and the proportion of carbon fiber used as necessary is 0% to 40% by weight, preferably 0% to 30% by weight. %, And the proportion of the dispersant used as necessary is 0 to 10% by weight, preferably 0 to 5% by weight.
(8) Catalyst paste composition The catalyst paste is formed by dissolving or dispersing each component in the usage ratio shown in the section of the catalyst layer in an organic solvent. Although the organic solvent used for a catalyst paste is not specifically limited, The following organic solvents are mentioned. Moreover, it is more preferable to use water in combination with these organic solvents.

本発明で用いられる有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル1−プロパノール、シクロヘキサノール、1−ヘキサノール、2−メチル
−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、フラン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピランジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、アニソール、フェネトール、アセタール、アセトン、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタ
ノン、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec-ブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチル
ホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N―メチルピロリドンなどを挙げることができ、これらは1種類以上を組み合わせて用いることもできる。
Examples of the organic solvent used in the present invention include methanol, ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, n-butyl alcohol, and 2-methyl-1. -Propanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl 1-propanol, cyclohexanol, 1-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol 1-methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3-methylcyclohexa Nord, 4-methylcyclohexanol, 1-octanol, 2-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, furan, tetrahydrofuran, tetrahydropyrandioxane, 1,2-dimethoxyethane, butyl ether, phenyl ether, isopentyl ether, diethoxy Ethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzylethyl ether, anisole, phenetole, acetal, acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, vinegar Pentyl, isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl lactate, ethyl lactate, butyl lactate, dimethyl sulfoxide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N , N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and the like, and these can be used in combination of one or more.

触媒ペーストに用いられる有機溶剤の使用割合は、触媒ペーストの全量を100質量部として、有機溶剤は50〜98質量部であり、好ましくは60〜90質量部であり、さらに好ましくは70〜85質量部である。また、水の使用割合は、0〜95質量部であり、好ましくは5〜80質量部であり、さらに好ましくは10〜30質量部である。
有機溶剤の使用割合が、上記範囲内にあると電極形成時の塗工性に優れる。
The proportion of the organic solvent used in the catalyst paste is 50 to 98 parts by weight, preferably 60 to 90 parts by weight, more preferably 70 to 85 parts by weight, with the total amount of the catalyst paste being 100 parts by weight. Part. Moreover, the usage-amount of water is 0-95 mass parts, Preferably it is 5-80 mass parts, More preferably, it is 10-30 mass parts.
When the use ratio of the organic solvent is within the above range, the coating property during electrode formation is excellent.

水の使用割合がゼロを超えて上記範囲内にあると電極ペースト作製時の発熱および発火の危険性を低減できる。

(9)触媒ペースト組成物の調製
触媒ペースト組成物は、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。各成分の混合順序は特に限定されないが、たとえば、全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、有機溶媒の量を調整して、組成物の粘度を調整してもよい。
(10)触媒層の形成
本発明に係る膜電極接合体の触媒層は、上記電極ペースト組成物をイオン交換樹脂膜上に直接塗布し、乾燥することにより形成することができる。
If the ratio of water used exceeds zero and falls within the above range, the risk of heat generation and ignition during electrode paste preparation can be reduced.

(9) Preparation of catalyst paste composition The catalyst paste composition can be prepared, for example, by mixing the above-mentioned components at a predetermined ratio and kneading them by a conventionally known method. The order of mixing the components is not particularly limited. For example, all the components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then the dispersant is added as necessary. It is preferable to add and to stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of an organic solvent as needed, and may adjust the viscosity of a composition.
(10) Formation of catalyst layer The catalyst layer of the membrane electrode assembly according to the present invention can be formed by directly applying the electrode paste composition onto an ion exchange resin film and drying it.

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

基材上に形成される触媒層は、酸化剤が供給されるカソード側であれば、触媒層に含まれる白金触媒量が、0.1mg/cm2〜6.0mg/cm2であることが好ましく、さらに好ましくは0.3mg/cm2〜2.0mg/cm2である。燃料が供給されるアノード側であれば、触媒層に含まれる白金触媒量が、0.1mg/cm2〜4.0mg/cm2であることが好ましく、さらに好ましくは0.2mg/cm2〜1.0mg/cm2である。 Catalyst layer formed on the substrate, if the cathode side to which an oxidant is supplied, that the platinum catalyst content in the catalyst layer is 0.1mg / cm 2 ~6.0mg / cm 2 preferably, more preferably from 0.3mg / cm 2 ~2.0mg / cm 2 . If the anode side of the fuel is supplied, a platinum catalyst content in the catalyst layer is preferably from 0.1mg / cm 2 ~4.0mg / cm 2 , more preferably 0.2 mg / cm 2 ~ 1.0 mg / cm 2 .

触媒層に含まれる白金触媒量が上記範囲未満であると、カソード側、アノード側共に燃料である水素のプロトン化反応量が少なくなり発電性能が低下する。触媒層に含まれる白
金触媒量が上記範囲以上であると、反応に使用されない白金触媒が多くなりすが、アノード側であれば、燃料である水素の透過性が低下し、カソード側であれば、空気(酸素)の透過性、排水性が低下し、発電性能が低下することがある。

[イオン交換樹脂膜]
本発明で用いられるイオン交換樹脂膜としては、プロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーが好ましい。このようなポリマーに含まれるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などがあるが特に限定されるものではない。また、このようなプロトン交換基を有するポリマーも、特に限定されることなく選ばれるが、プロトン導電性とガス透過抑制の観点からスルホン化ポリアリーレンなどが好ましく用いられる。例えば前記特許文献3、特許文献4に示されるイオン交換樹脂膜などが好適である。
If the amount of platinum catalyst contained in the catalyst layer is less than the above range, the protonation reaction amount of hydrogen as a fuel on both the cathode side and the anode side decreases, and the power generation performance decreases. If the amount of platinum catalyst contained in the catalyst layer is more than the above range, the amount of platinum catalyst that is not used in the reaction increases, but if it is the anode side, the permeability of hydrogen as a fuel is reduced, and if it is the cathode side Air (oxygen) permeability and drainage may be reduced, and power generation performance may be reduced.

[Ion exchange resin membrane]
The ion exchange resin membrane used in the present invention is preferably a polymer having a proton exchange group in order to improve proton conductivity. Proton exchange groups contained in such polymers include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups, but are not particularly limited. A polymer having such a proton exchange group is also selected without any particular limitation, but sulfonated polyarylene is preferably used from the viewpoint of proton conductivity and gas permeation suppression. For example, the ion exchange resin membranes shown in Patent Document 3 and Patent Document 4 are suitable.

[膜電極接合体の形成]
本発明に係る膜−電極接合体は、上記触媒層が形成されたイオン交換樹脂膜と多孔性基材とをホットプレス等により接合する方法、触媒層が形成された多孔性基材とイオン交換樹脂膜とを、触媒層側がイオン交換樹脂膜に接するようにしてホットプレス等により接合する方法などによって製造される。
[Formation of membrane electrode assembly]
The membrane-electrode assembly according to the present invention is a method of joining the ion exchange resin membrane on which the catalyst layer is formed and a porous substrate by hot pressing or the like, and a porous substrate on which the catalyst layer is formed and ion exchange. The resin film is manufactured by a method of bonding by hot pressing or the like so that the catalyst layer side is in contact with the ion exchange resin film.

上記ホットプレスの条件は、温度が50℃〜200℃、好ましくは80℃〜180℃であり、圧力が5〜200kg/cm2、好ましくは10〜100kg/cm2であり、時間が10秒〜60分間、好ましくは1分間〜30分間である。上記範囲内の条件でホットプレスを行うことにより、電極層と膜の接合性が良好となる。 The conditions of the hot press are as follows: temperature is 50 ° C. to 200 ° C., preferably 80 ° C. to 180 ° C., pressure is 5 to 200 kg / cm 2 , preferably 10 to 100 kg / cm 2 , and time is 10 seconds to 60 minutes, preferably 1 to 30 minutes. By performing hot pressing under conditions within the above range, the bondability between the electrode layer and the film is improved.

本発明に用いることのできるスルホン化ポリアリーレンの具体的態様は特に限定されるものではないが、好ましい態様について後述する。
[接着層]
本発明の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体においては、ガス拡散層と触媒層の間に接着層を設けることができる。接着層を設けることにより、ガス拡散層と触媒層間の接合性を向上させることができる。接着層は、水酸基含有含フッ素重合体(A)がカソード側のガス拡散層にのみ含まれアノード側のガス拡散層には含まれていない場合において、アノード側のガス拡散層と触媒層との接着性を改善するために特に有効である。
Although the specific aspect of the sulfonated polyarylene that can be used in the present invention is not particularly limited, a preferable aspect will be described later.
[Adhesive layer]
In the stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, an adhesive layer can be provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer. By providing the adhesive layer, the bondability between the gas diffusion layer and the catalyst layer can be improved. In the case where the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) is contained only in the cathode-side gas diffusion layer and not in the anode-side gas diffusion layer, the adhesive layer is formed between the anode-side gas diffusion layer and the catalyst layer. It is particularly effective for improving adhesion.

接着層は、水素イオン導電性高分子電解質と導電性カーボンを有する接着層や、熱変形温度の低い溶媒可溶性パーフルオロポリマーとカーボンブラックの接着層等の公知の構成を採ることができる。
[スルホン化ポリアリーレン]
イオン交換樹脂は、耐熱性及び機械的強度向上の観点から、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーを用いることができ、好ましくは下記一般式(A)で表される構成単位と、下記一般式(B)で表される構成単位とを含む下記一般式(C)で表されるスルホン酸基を有するポリアリーレンである。なお、かかるイオン交換樹脂は、電極に挟持される芳香族系イオン交換樹脂膜として使用することも可能である。
<スルホン酸ユニット>
The adhesive layer may have a known configuration such as an adhesive layer having a hydrogen ion conductive polymer electrolyte and conductive carbon, or an adhesive layer of a solvent-soluble perfluoropolymer having a low thermal deformation temperature and carbon black.
[Sulfonated polyarylene]
As the ion exchange resin, a protonic acid group-containing aromatic polymer can be used from the viewpoint of improving heat resistance and mechanical strength. Preferably, the structural unit represented by the following general formula (A) and the following general formula ( It is a polyarylene having a sulfonic acid group represented by the following general formula (C) including the structural unit represented by B). Such an ion exchange resin can also be used as an aromatic ion exchange resin membrane sandwiched between electrodes.
<Sulphonic acid unit>

Figure 2009231218
Figure 2009231218

一般式(A)において、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−CO
O−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち、−CO−、−SO2−が好ましい。
In the general formula (A), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —CO.
It represents at least one structure selected from the group consisting of O—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), and —C (CF 3 ) 2 —. Among, -CO -, - SO 2 - is preferred.

Zは直接結合または、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち直接結合、−O−が好ましい。 Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. The structure of the species is shown. Among these, a direct bond and -O- are preferable.

Arは−SO3Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される
置換基(pは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す。
芳香族基として具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。−SO3
Hまたは−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基(pは1〜12の整数を示す)は、少なくとも1個置換されていることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上置換していることが好ましい。
Ar is an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). Indicates.
Specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. -SO 3
At least one substituent represented by H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12) is substituted. In the case of a naphthyl group, it is preferable that two or more are substituted.

mは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは1〜4の整数を示す。
m、nの値とY、Z、Arの構造についての好ましい組み合わせとして、
(1)m=0、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有
するフェニル基である構造、
(2)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(3)m=1、n=1、k=1であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(4)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として2個の−SO3
Hを有するナフチル基である構造、
(5)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−O(CH24SO3Hを有するフェニル基である構造などを挙げることができる。
<疎水性ユニット>
m is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k is an integer of 1 to 4.
As a preferable combination of the values of m and n and the structures of Y, Z and Ar,
(1) a structure in which m = 0, n = 0, Y is —CO—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(2) a structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(3) a structure in which m = 1, n = 1, k = 1, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(4) a m = 1, n = 0, Y is -CO-, 2 pieces of -SO 3 as Ar is a substituted group
A structure which is a naphthyl group having H,
(5) m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —O (CH 2 ) 4 SO 3 H as a substituent. Examples include structures.
<Hydrophobic unit>

Figure 2009231218
Figure 2009231218

一般式(B)において、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−S
O−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳
香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ここで、−CR’2−で表される構造の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基
、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基、などが挙げられる。
In the general formula (B), A and D are independently a direct bond or —CO—, —SO 2 —, —S.
O -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O—, and —S—. And at least one structure. Here, specific examples of the structure represented by —CR ′ 2 — include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group. Group, octadecyl group, phenyl group, trifluoromethyl group, and the like.

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

Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、酸素原子が好ましい。
1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル
基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which a part or all of them are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of

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

s、tは0〜4の整数を示す。rは0または1以上の整数を示し、上限は通常100、好ましくは1〜80である。
s、tの値と、A、B、D、R1〜R16の構造についての好ましい組み合わせとしては
、(1)s=1、t=1であり、Aが−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭
化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または、−SO2−であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、(2)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または、−SO2−であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、(3)s=0、t=1であり、Aが−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳
香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子またはニトリ
ル基である構造が挙げられる。
<ポリマー構造>
s and t represent an integer of 0 to 4. r shows 0 or an integer greater than or equal to 1, and an upper limit is 100 normally, Preferably it is 1-80.
Preferred combinations of the values of s and t and the structures of A, B, D, and R 1 to R 16 include (1) s = 1, t = 1, and A is —CR ′ 2 — (R ′ Represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —. Wherein R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms, (2) s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —. A structure in which R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom, (3) s = 0, t = 1, and A is —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic carbonization. Hydrogen group and halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene group, fluorenylidene group, B is an oxygen atom , R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom, or a nitrile group.
<Polymer structure>

Figure 2009231218
Figure 2009231218

一般式(C)において、A、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R16は、それぞれ上記一般式(A)および(B)中のA、B、D、Y、Z、Ar、k
、m、n、r、s、tおよびR1〜R16と同義である。x、yはx+y=100モル%と
した場合のモル比を示す。
In the general formula (C), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t, and R 1 to R 16 are respectively in the general formulas (A) and (B). A, B, D, Y, Z, Ar, k
, M, n, r, s, t, and R 1 to R 16 . x and y represent molar ratios when x + y = 100 mol%.

本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、式(A)で表される構造単位すなわちxのユニットを0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で、式(B)で表される構造単位すなわちyのユニットを99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。
<ポリマーの製造方法>
スルホン酸基を有するポリアリーレンの製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法の3通りの方法を用いることができる。
In the polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention, the structural unit represented by the formula (A), that is, the unit of x is 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99.999 mol%, The structural unit represented by the formula (B), that is, the y unit is contained in a ratio of 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.
<Method for producing polymer>
For the production of the polyarylene having a sulfonic acid group, for example, the following three methods, Method A, Method B and Method C, can be used.

(A法)例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。   (Method A) For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be a structural unit represented by the above general formula (A) and the above general formula (B) To produce a polyarylene having a sulfonic acid ester group by copolymerizing with a monomer or oligomer that can be a structural unit, and deesterifying the sulfonic acid ester group to convert the sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group Can be synthesized.

(B法)例えば、特開2001−342241に記載の方法で、上記一般式(A)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、この重合体をスルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。   (Method B) For example, in the method described in JP-A No. 2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the general formula (A) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group, and the general formula (B It is also possible to synthesize the polymer by copolymerizing with a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by formula (I) and sulfonating the polymer using a sulfonating agent.

(C法)一般式(A)において、Arが−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2p
SO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特開2005−6
0625号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(Method C) In the general formula (A), Ar is —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p
In the case of an aromatic group having a substituent represented by SO 3 H, for example, JP-A-2005-6
The precursor monomer that can be the structural unit represented by the general formula (A) and the monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the general formula (B) by the method described in Japanese Patent No. 0625. It can also be synthesized by polymerizing and then introducing an alkyl sulfonic acid or a fluorine-substituted alkyl sulfonic acid.

(A法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーの具体的な例として、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。   Specific examples of the monomer having a sulfonate group that can be used in (Method A) and can be the structural unit represented by the above general formula (A) are disclosed in JP-A Nos. 2004-137444 and 2004-2004. Examples thereof include sulfonic acid esters described in Japanese Patent Nos. 3459997 and 2004-346163.

(B法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241、特開2002−293889に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。   As specific examples of the monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the above general formula (A) that can be used in (Method B), JP-A-2001-342241, Examples thereof include dihalides described in JP-A-2002-29389.

(C法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーの具体的な例として、特開2005−36125号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。   Specific examples of precursor monomers that can be used in (Method C) and can be structural units represented by the above general formula (A) include dihalides described in JP-A-2005-36125. Can be mentioned.

また、いずれの方法においても用いられる、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの具体的な例として、
r=0の場合、例えば4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンズアニリド、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロ
フェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニルエステル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物などが挙げられる。
In addition, as a specific example of a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (B) used in any method,
When r = 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) -1, 1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile It is done. In these compounds, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom is exemplified.

r=1の場合、例えば特開2003−113136号公報に記載の化合物を挙げることができる。
r≧2の場合、例えば特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特開2004−346146号公報、特開2005−112985号公報、特
願2003−348524、特願2004−211739、特願2004−211740に記載の化合物を挙げることができる。
In the case of r = 1, for example, compounds described in JP-A-2003-113136 can be exemplified.
In the case of r ≧ 2, for example, JP 2004-137444 A, JP 2004-244517 A, JP 2004-346146 A, JP 2005-112985 A, Japanese Patent Application 2003-348524, and Japanese Patent Application 2004-211739. And compounds described in Japanese Patent Application No. 2004- 211740.

スルホン酸基を有するポリアリーレンを得るためは、まず、これらの、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。   In order to obtain a polyarylene having a sulfonic acid group, first, a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A) and a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (B), Alternatively, it is necessary to copolymerize with an oligomer to obtain a precursor polyarylene. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. This catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (2) a reducing agent as essential components, and further increase the polymerization rate. Therefore, “salt” may be added.

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

スルホン酸基を有するポリアリーレンは、この前駆体のポリアリーレンを、スルホン酸基を有するポリアリーレンに変換して得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。
(A法)前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法。
(B法)前駆体のポリアリーレンを、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法。
(C法)前駆体のポリアリーレンに、特開2005−60625号公報に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。
The polyarylene having a sulfonic acid group can be obtained by converting the precursor polyarylene into a polyarylene having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.
(Method A) A method of deesterifying a polyarylene having a sulfonic acid ester group as a precursor by the method described in JP-A-2004-137444.
(Method B) A method of sulfonating a precursor polyarylene by the method described in JP-A-2001-342241.
(Method C) A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene by the method described in JP-A-2005-60625.

上記のような方法により製造される、一般式(C)のスルホン酸基を有するポリアリーレンの、イオン交換容量は通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがある。   The polyarylene having a sulfonic acid group of the general formula (C) produced by the above method has an ion exchange capacity of usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably Is 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered.

上記のイオン交換容量は、例えば一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。   The ion exchange capacity is, for example, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A), a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (B), or the kind of oligomer, and the use ratio. It can be adjusted by changing the combination.

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。

[定置または携帯型燃料電池]
本発明の定置または携帯型燃料電池は、少なくとも一つ以上の膜−電極接合体及びその両側に位置するセパレータを含む少なくとも一つの電気発生部;燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;及び酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む定置または携帯型燃料電池であって、膜−電極接合体が上記記載のものであることを特徴とする。
The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).

[Stationary or portable fuel cell]
The stationary or portable fuel cell of the present invention includes at least one electricity generation unit including at least one membrane-electrode assembly and separators located on both sides thereof; a fuel supply unit that supplies fuel to the electricity generation unit; And an oxidant supply unit that supplies the oxidant to the electricity generation unit, wherein the membrane-electrode assembly is as described above.

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

また、燃料電池を構成する部材としては、公知のものを特に制限なく使用することが可能である。本発明の電池は単セルで用いることもできるし、複数の単セルを直列に繋いだスタックとして用いることもできる。スタックの方法としては公知のものを用いることができる。具体的には単セルを平面状に並べた平面スタッキング、及び燃料または酸化剤の流路がセパレーターの裏表面にそれぞれ形成されているセパレーターを介して単セルを積み重ねるバイポーラースタッキングを用いることができる。   Moreover, as a member which comprises a fuel cell, it is possible to use a well-known thing without a restriction | limiting in particular. The battery of the present invention can be used as a single cell or as a stack in which a plurality of single cells are connected in series. As a stacking method, a known method can be used. Specifically, planar stacking in which single cells are arranged in a plane and bipolar stacking in which single cells are stacked via separators each having a fuel or oxidant flow path formed on the back surface of the separator can be used. .

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
[合成例1:水酸基含有含フッ素重合体(イ)の合成]
内容積2.0リットルの電磁攪拌機付きステンレス製オートクレーブを窒素ガスで十分置換した後、酢酸エチル400g、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)60.3g、エチルビニルエーテル27.2g、ヒドロキシエチルビニルエーテル33.2g、過酸化ラウロイル1.00g、上記式(7)で表されるアゾ基含有ポリジメチルシロキサン(VPS1001(商品名)、和光純薬工業(株)製)1.7g及びノニオン性反応性乳化剤(NE−30(商品名)、旭電化工業(株)製)40.0gを仕込み、ドライアイス−メタノールで−50℃まで冷却した後、再度窒素ガスで系内の酸素を除去した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples at all.
[Synthesis Example 1: Synthesis of hydroxyl-containing fluoropolymer (a)]
A 2.0-liter stainless steel autoclave with a magnetic stirrer was sufficiently replaced with nitrogen gas, and then 400 g of ethyl acetate, 60.3 g of perfluoro (propyl vinyl ether), 27.2 g of ethyl vinyl ether, 33.2 g of hydroxyethyl vinyl ether, Lauroyl oxide 1.00 g, azo group-containing polydimethylsiloxane represented by the above formula (7) (VPS1001 (trade name), Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1.7 g and nonionic reactive emulsifier (NE-30) (Product name, manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd.) 40.0 g was charged, cooled to −50 ° C. with dry ice-methanol, and then oxygen in the system was removed again with nitrogen gas.

次いでヘキサフルオロプロピレン79.3gを仕込み、昇温を開始した。オートクレーブ内の温度が60℃に達した時点での圧力は5.3×105Paを示した。その後、70
℃で20時間攪拌下に反応を継続し、圧力が1.7×105Paに低下した時点でオート
クレーブを水冷し、反応を停止させた。室温に達した後、未反応モノマーを放出してオートクレーブを開放し、固形分濃度26.4%のポリマー溶液を得た。得られたポリマー溶液をメタノールに投入しポリマーを析出させた後、メタノールにて洗浄し、50℃にて真空乾燥を行い220gの水酸基含有含フッ素重合体を得た。これを水酸基含有含フッ素重合体とする。
Next, 79.3 g of hexafluoropropylene was charged and the temperature increase was started. The pressure when the temperature in the autoclave reached 60 ° C. was 5.3 × 10 5 Pa. Then 70
The reaction was continued with stirring at 20 ° C. for 20 hours. When the pressure dropped to 1.7 × 10 5 Pa, the autoclave was cooled with water to stop the reaction. After reaching room temperature, unreacted monomers were released and the autoclave was opened to obtain a polymer solution having a solid content concentration of 26.4%. The obtained polymer solution was put into methanol to precipitate a polymer, washed with methanol, and vacuum dried at 50 ° C. to obtain 220 g of a hydroxyl group-containing fluoropolymer. This is referred to as a hydroxyl group-containing fluoropolymer.

得られた水酸基含有含フッ素重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィーによるポリスチレン換算数平均分子量は70000、DSC測定によるガラス転移温度は30℃で
あった。また、単量体に仕込み比からの水酸基濃度は1.56mol/gであった。
The obtained hydroxyl group-containing fluoropolymer had a polystyrene-reduced number average molecular weight of 70000 by gel permeation chromatography and a glass transition temperature of 30 ° C. by DSC measurement. The hydroxyl group concentration based on the charging ratio of the monomer was 1.56 mol / g.

尚、VPS1001は、数平均分子量が7〜9万、ポリシロキサン部分の分子量が約10,000の、上記式(7)で表されるアゾ基含有ポリジメチルシロキサンである。NE−30は、上記式(10)において、nが9、mが1、uが30であるノニオン性反応性乳化剤である。   VPS1001 is an azo group-containing polydimethylsiloxane represented by the above formula (7) having a number average molecular weight of 70 to 90,000 and a polysiloxane moiety having a molecular weight of about 10,000. NE-30 is a nonionic reactive emulsifier wherein n is 9, m is 1 and u is 30 in the above formula (10).

さらに、表1において、単量体と構造単位との対応関係は以下の通りである。
単量体 構造単位
ヘキサフルオロプロピレン (a)
パーフルオロ(プロピルビニルエーテル) (a)
エチルビニルエーテル (b)
ヒドロキシエチルビニルエーテル (c)
NE−30 (f)
ポリジメチルシロキサン骨格 (d)
[合成例2:水酸基含有含フッ素重合体(ロ)の合成]
内容積2.0リットルの電磁攪拌機付きステンレス製オートクレーブを窒素ガスで十分置換した後、酢酸エチル400g、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)77.2g、エチルビニルエーテル58.5g、ヒドロキシエチルビニルエーテル25.8g、過酸
化ラウロイル1.00g、上記式(7)で表されるアゾ基含有ポリジメチルシロキサン(VPS1001(商品名)、和光純薬工業(株)製)7.8g及びノニオン性反応性乳化剤(NE−30(商品名)、旭電化工業(株)製)52.1gを仕込み、ドライアイス−メタノールで−50℃まで冷却した後、再度窒素ガスで系内の酸素を除去した。
Furthermore, in Table 1, the correspondence between the monomer and the structural unit is as follows.
Monomer Structural unit Hexafluoropropylene (a)
Perfluoro (propyl vinyl ether) (a)
Ethyl vinyl ether (b)
Hydroxyethyl vinyl ether (c)
NE-30 (f)
Polydimethylsiloxane skeleton (d)
[Synthesis Example 2: Synthesis of hydroxyl group-containing fluoropolymer (b)]
A 2.0-liter stainless steel autoclave with a magnetic stirrer was sufficiently replaced with nitrogen gas, and then 400 g of ethyl acetate, 77.2 g of perfluoro (propyl vinyl ether), 58.5 g of ethyl vinyl ether, 25.8 g of hydroxyethyl vinyl ether, Lauroyl oxide 1.00 g, azo group-containing polydimethylsiloxane represented by the above formula (7) (VPS1001 (trade name), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 7.8 g and nonionic reactive emulsifier (NE-30) (Product name, manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd.) 52.1 g was charged, cooled to −50 ° C. with dry ice-methanol, and then oxygen in the system was removed again with nitrogen gas.

次いでヘキサフルオロプロピレン98.9gを仕込み、昇温を開始した。オートクレーブ内の温度が60℃に達した時点での圧力は5.3×105Paを示した。その後、70
℃で20時間攪拌下に反応を継続し、圧力が1.7×105Paに低下した時点でオート
クレーブを水冷し、反応を停止させた。室温に達した後、未反応モノマーを放出してオートクレーブを開放し、固形分濃度26.4%のポリマー溶液を得た。得られたポリマー溶液をメタノールに投入しポリマーを析出させた後、メタノールにて洗浄し、50℃にて真空乾燥を行い220gの水酸基含有含フッ素重合体を得た。これを水酸基含有含フッ素重合体とする。
Next, 98.9 g of hexafluoropropylene was charged, and the temperature increase was started. The pressure when the temperature in the autoclave reached 60 ° C. was 5.3 × 10 5 Pa. Then 70
The reaction was continued with stirring at 20 ° C. for 20 hours. When the pressure dropped to 1.7 × 10 5 Pa, the autoclave was cooled with water to stop the reaction. After reaching room temperature, unreacted monomers were released and the autoclave was opened to obtain a polymer solution having a solid content concentration of 26.4%. The obtained polymer solution was put into methanol to precipitate a polymer, washed with methanol, and vacuum dried at 50 ° C. to obtain 220 g of a hydroxyl group-containing fluoropolymer. This is referred to as a hydroxyl group-containing fluoropolymer.

得られた水酸基含有含フッ素重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィーによるポリスチレン換算重量平均分子量は70000、DSC測定によるガラス転移温度は32℃
であった。また、単量体に仕込み比からの水酸基濃度は0.93mol/gであった。
The obtained hydroxyl group-containing fluoropolymer had a polystyrene-reduced weight average molecular weight of 70000 by gel permeation chromatography and a glass transition temperature of 32 ° C. by DSC measurement.
Met. The hydroxyl group concentration based on the charging ratio of the monomer was 0.93 mol / g.

尚、VPS1001は、数平均分子量が7〜9万、ポリシロキサン部分の分子量が約10,000の、上記式(7)で表されるアゾ基含有ポリジメチルシロキサンである。NE−30は、上記式(10)において、nが9、mが1、uが30であるノニオン性反応性乳化剤である。   VPS1001 is an azo group-containing polydimethylsiloxane represented by the above formula (7) having a number average molecular weight of 70 to 90,000 and a polysiloxane moiety having a molecular weight of about 10,000. NE-30 is a nonionic reactive emulsifier wherein n is 9, m is 1 and u is 30 in the above formula (10).

さらに、表1において、単量体と構造単位との対応関係は以下の通りである。
単量体 構造単位
ヘキサフルオロプロピレン (a)
パーフルオロ(プロピルビニルエーテル) (a)
エチルビニルエーテル (b)
ヒドロキシエチルビニルエーテル (c)
NE−30 (f)
ポリジメチルシロキサン骨格 (d)
[比較合成例1:水酸基を含有しない含フッ素重合体(ハ)の合成]
内容積2.0リットルの電磁攪拌機付きステンレス製オートクレーブを窒素ガスで十分置換した後、酢酸エチル400g、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)77.2g、エチルビニルエーテル83.6g、過酸化ラウロイル1.00g、上記式(7)で表されるアゾ基含有ポリジメチルシロキサン(VPS1001(商品名)、和光純薬工業(株)製)2.2g及びノニオン性反応性乳化剤(NE−30(商品名)、旭電化工業(株)製)52.2gを仕込み、ドライアイス−メタノールで−50℃まで冷却した後、再度窒素ガスで系内の酸素を除去した。
Furthermore, in Table 1, the correspondence between the monomer and the structural unit is as follows.
Monomer Structural unit Hexafluoropropylene (a)
Perfluoro (propyl vinyl ether) (a)
Ethyl vinyl ether (b)
Hydroxyethyl vinyl ether (c)
NE-30 (f)
Polydimethylsiloxane skeleton (d)
[Comparative Synthesis Example 1: Synthesis of fluoropolymer (C) containing no hydroxyl group]
A stainless steel autoclave with an internal volume of 2.0 liters equipped with a magnetic stirrer was sufficiently replaced with nitrogen gas, and then 400 g of ethyl acetate, 77.2 g of perfluoro (propyl vinyl ether), 83.6 g of ethyl vinyl ether, 1.00 g of lauroyl peroxide, the above 2.2 g of azo group-containing polydimethylsiloxane represented by formula (7) (VPS1001 (trade name), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and nonionic reactive emulsifier (NE-30 (trade name), Asahi Denka) 52.2 g (manufactured by Kogyo Co., Ltd.) was charged, cooled to −50 ° C. with dry ice-methanol, and oxygen in the system was removed again with nitrogen gas.

次いでヘキサフルオロプロピレン98.9gを仕込み、昇温を開始した。オートクレーブ内の温度が60℃に達した時点での圧力は5.3×105Paを示した。その後、70
℃で20時間攪拌下に反応を継続し、圧力が1.7×105Paに低下した時点でオート
クレーブを水冷し、反応を停止させた。室温に達した後、未反応モノマーを放出してオートクレーブを開放し、固形分濃度26.4%のポリマー溶液を得た。得られたポリマー溶液をメタノールに投入しポリマーを析出させた後、メタノールにて洗浄し、50℃にて真空乾燥を行い220gの水酸基含有含フッ素重合体を得た。これを水酸基含有含フッ素重合体とする。
Next, 98.9 g of hexafluoropropylene was charged, and the temperature increase was started. The pressure when the temperature in the autoclave reached 60 ° C. was 5.3 × 10 5 Pa. Then 70
The reaction was continued with stirring at 20 ° C. for 20 hours. When the pressure dropped to 1.7 × 10 5 Pa, the autoclave was cooled with water to stop the reaction. After reaching room temperature, unreacted monomers were released and the autoclave was opened to obtain a polymer solution having a solid content concentration of 26.4%. The obtained polymer solution was put into methanol to precipitate a polymer, washed with methanol, and vacuum dried at 50 ° C. to obtain 220 g of a hydroxyl group-containing fluoropolymer. This is referred to as a hydroxyl group-containing fluoropolymer.

得られた水酸基含有含フッ素重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィーによる
ポリスチレン換算数平均分子量は80000、DSC測定によるガラス転移温度は33℃で
あった。また、単量体に仕込み比からの水酸基濃度は0mol/gであった。
The obtained hydroxyl group-containing fluoropolymer had a polystyrene-reduced number average molecular weight of 80,000 by gel permeation chromatography and a glass transition temperature of 33 ° C. by DSC measurement. Moreover, the hydroxyl group concentration from the charging ratio to the monomer was 0 mol / g.

尚、VPS1001は、数平均分子量が7〜9万、ポリシロキサン部分の分子量が約10,000の、上記式(7)で表されるアゾ基含有ポリジメチルシロキサンである。NE−30は、上記式(10)において、nが9、mが1、uが30であるノニオン性反応性乳化剤である。   VPS1001 is an azo group-containing polydimethylsiloxane represented by the above formula (7) having a number average molecular weight of 70 to 90,000 and a polysiloxane moiety having a molecular weight of about 10,000. NE-30 is a nonionic reactive emulsifier wherein n is 9, m is 1 and u is 30 in the above formula (10).

さらに、表1において、単量体と構造単位との対応関係は以下の通りである。
単量体 構造単位
ヘキサフルオロプロピレン (a)
パーフルオロ(プロピルビニルエーテル) (a)
エチルビニルエーテル (b)
ヒドロキシエチルビニルエーテル (c)
NE−30 (f)
ポリジメチルシロキサン骨格 (d)
(イオン交換樹脂の作製)
[合成例3:イオン交換樹脂(ニ)の合成]
(1)疎水性ユニットの合成
攪拌機、温度計、Dean-stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン29.8g(104mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン37.4g(111mmol)、炭酸カリウム20.0g(145mmol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン168mL、トルエン84mLを加えて攪拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean-stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean-stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を200℃に上げ、5時間攪拌を続けた後、4,4’−ジクロロベンゾフェノン7.5g(30mmol)を加え、さらに8時間反応させた。
Furthermore, in Table 1, the correspondence between the monomer and the structural unit is as follows.
Monomer Structural unit Hexafluoropropylene (a)
Perfluoro (propyl vinyl ether) (a)
Ethyl vinyl ether (b)
Hydroxyethyl vinyl ether (c)
NE-30 (f)
Polydimethylsiloxane skeleton (d)
(Production of ion exchange resin)
[Synthesis Example 3: Synthesis of ion exchange resin (d)]
(1) Synthesis of hydrophobic unit Into a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube, nitrogen introduction tube, and cooling tube, 29.8 g (104 mmol) of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 2, 27.4 g (111 mmol) of 2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane and 20.0 g (145 mmol) of potassium carbonate were weighed. After nitrogen substitution, 168 mL of sulfolane and 84 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 200 ° C. and stirring was continued for 5 hours. Then, 7.5 g (30 mmol) of 4,4′-dichlorobenzophenone was added, and the reaction was further continued for 8 hours.

反応液を放冷後、トルエン100mLを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩を濾過し、濾液をメタノール2Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥後、テトラヒドロフラン250mLに溶解し、これをメタノール2Lに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末を濾過、乾燥し、疎水性ユニット56gを得た。GPCで測定した数平均分子量(Mn)は10,500であった。得られた化合物は、式(I)で表されるオリゴマーであることを確認した。   The reaction solution was allowed to cool, and diluted with 100 mL of toluene. Inorganic salts insoluble in the reaction solution were filtered, and the filtrate was poured into 2 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried, then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran, and poured into 2 L of methanol for reprecipitation. The precipitated white powder was filtered and dried to obtain 56 g of a hydrophobic unit. The number average molecular weight (Mn) measured by GPC was 10,500. The obtained compound was confirmed to be an oligomer represented by the formula (I).

Figure 2009231218
Figure 2009231218

(2)スルホン化ポリアリーレンの合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジク
ロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.5g(338mmol)、(1)で得られたMn10,500の疎水性ユニット44.5g(4.2mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3mmol)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3mmol)、トリフェニルホスフィン35.9g(136mmol)、亜鉛53.7g(820mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)430mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc730mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
(2) Synthesis of Sulfonated Polyarylene 135.5 g (338 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen inlet tube, (1) 44.5 g (4.2 mmol) of hydrophobic unit of Mn 10,500 obtained in the above, 6.71 g (10.3 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 1.54 g (10.3 mmol) of sodium iodide, 35.9 g (136 mmol) of phenylphosphine and 53.7 g (820 mmol) of zinc were weighed and replaced with dry nitrogen. 430 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 730 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matters were filtered off.

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れ、115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム44g(506mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン5Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順に洗浄後、乾燥して目的のスルホン化ポリマー124gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は170,000であった。得られた重合体は、式(II)で表されるスルホン化ポリマーと推定される。このポリマーのイオン交換容量は2.3meq/gであった。イオン交換容量はイオン交換樹脂からなる膜を作製し、所定量を秤量してTHF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からイオン交換容量を求めた。   The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, heated and stirred at 115 ° C., and 44 g (506 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 5 L of acetone. Next, after washing in order of 1N hydrochloric acid and pure water, it was dried to obtain 124 g of the desired sulfonated polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 170,000. The obtained polymer is presumed to be a sulfonated polymer represented by the formula (II). The ion exchange capacity of this polymer was 2.3 meq / g. The ion exchange capacity is determined by preparing a membrane made of an ion exchange resin, weighing a predetermined amount, and using phenolphthalein dissolved in a THF / water mixed solvent as an indicator, titrating with a standard solution of NaOH, and neutralizing point. Was used to determine the ion exchange capacity.

Figure 2009231218
Figure 2009231218

(3)イオン交換樹脂膜の製造
上記スルホン酸基を有するポリアリーレンの10重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液を、ガラス板上にキャストして製膜し、膜厚30μmのイオン交換樹脂膜を得た。
(4)分子量の測定
前記スルホン酸基を有しないポリアリーレンの分子量は、溶剤としてテトラヒドロフランを用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。前記スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドンを溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。
[発電評価及び接着評価]
後述するガス拡散層2枚の間に、後述する触媒塗工イオン交換樹脂膜を、微多孔層と触
媒層が接するように挟み、ホットプレス機により160℃、60kgf/cm2、15分間
、加圧加熱することにより、膜−電極接合体を作製し、Electrochem社製の評価用燃料電池セルに組み込み、トルクレンチで300 cN mで締め付け燃料電池を作製した。利用率が70%になるように水素をアノードに供給し、利用率が40%になるように空気をカソードに供給した。アノード及びカソードの供給ガスは相対湿度100%で加湿した。電池温度70℃にて、0.75 Vとして、発電させた際の出力を測定してこの燃料電池の初期性
能を評価した。その後燃料電池を-10℃で24 h放置する耐性試験を3回行い、再度前記条件で出力を測定し耐性試験後の性能を評価した。発電試験後、評価用燃料電池セルを解体しガス拡散層の剥離状態を確認し、剥離の見られなかったものを○、ガス拡散層の脱落が起きたものを×、脱落は起きないが、一部剥離の見られたものを△とした。
[実施例1]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
多孔性基材としてカーボンペーパー(商品名:TGPH-060、東レ株式会社製)を5cm×5cmのサイズに切断し、これを30mLの1.0重量%水酸基含有含フッ素重合体(イ)1,
2ジメトキシエタン溶液に5分間浸漬させた後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させた。水酸基含有含フッ素重合体(イ)コート多孔性基材を作製した。このときの水酸基含有含フッ素重合体(イ)の付着量は0.1mg/cm2であった。
(2)微多孔層の形成
炭素粒子(商品名:ケッチェンブラックEC、ライオン社製)1.0g、合成例1記載の水酸基含有含フッ素重合体(イ)2.0g、蒸留水0.6g、1,2−ジメトキシエタン
11.4gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P-5、フ
リッチュ社製)を使用して攪拌し、微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が1.5mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した
後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、微多孔層付き水酸基含有含フッ素重合体(イ)コートコート多孔性基材を作製した。
(触媒ペースト組成物)
市販の46重量%白金担持カーボン(商品名:TEC10E50E、田中貴金属社製)を用いて
、白金担持カーボン1.5g、少量の蒸留水2.4g、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液5.2g、およびイソプロパノール10.2gを混合し、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P-5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、触媒
ペーストを調製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
触媒ペーストを上記イオン交換樹脂膜の片面にに、白金の付着量が0.5mg/cm2にな
るようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、アノード用触媒層を形成した。このアノード用触媒層を形成したイオン交換樹脂膜のアノード用触媒層を形成した面とは反対側の面に、触媒ペーストを白金の付着量が0.5mg/cm2になるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75℃の乾燥炉に
て30分間乾燥させ、カソード用触媒層を形成し、触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[実施例2]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
多孔性基材としてカーボンペーパー(商品名:TGPH-060、東レ株式会社製)を5cm×5cmのサイズに切断し、これを30mLの1.2重量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微
粒子分散水溶液に5分間浸漬させた後、75℃の乾燥炉にて15分間乾燥させた。この基材を370℃の電気炉にて1時間焼成させ、アノードおよびカソード用撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(2)微多孔層の形成
実施例1と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[実施例3]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
炭素粒子(商品名:ケッチェンブラックEC、ライオン社製)2.4g、60重量%ポ
リテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液6.2g、蒸留水104.9g、分散剤(商品名:TRITONX-100、シグマ−アルドリッチ社製)10.3gを混合させ、この混合
物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P-5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し
、アノード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が1.0mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75℃の乾燥炉に
て30分間乾燥させ、微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)水酸基含有含フッ素重合体コート
上記、微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を30mLの10重量%水酸基含有含フッ
素重合体(イ)1,2ジメトキシエタン溶液に5分間浸漬させた後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させた。水酸基含有含フッ素重合体(イ)コートガス拡散層を作製した。このときの水酸基含有含フッ素重合体(イ)の付着量は1.0mg/cm2であった。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[実施例4]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)水酸基含有含フッ素重合体コート
上記、微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を30mLの0.1重量%水酸基含有含フ
ッ素重合体(イ)1,2ジメトキシエタン溶液に5分間浸漬させた後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させた。水酸基含有含フッ素重合体(イ)コートガス拡散層を作製した。このときの水酸基含有含フッ素重合体(イ)の付着量は0.01mg/cm2であった。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[実施例5]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製)
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。このガス拡散層をアノードに用いた。
(3)接着層の形成
デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液4.45g、ノルマルプロパノール7.02g、蒸留水7.42g、ケッチェンブラックEC1.11gを混合し、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P-5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、接着層ペーストを
調製した。このペーストを微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材の微多孔層上にアプリケーターで塗布後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ接着層付きガス拡散層を作製した。接着層の乾燥後の塗布量は2 mg/cm2であった。このガス拡散層をアノードに用いた。
(4)水酸基含有含フッ素重合体コート
実施例4と同様な方法で水酸基含有含フッ素重合体(イ)コートガス拡散層を作製した
。このガス拡散層をカソードに用いた。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[実施例6]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)水酸基含有含フッ素重合体コート
実施例3と同様な方法で水酸基含有含フッ素重合体(イ)コートガス拡散層を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
市販の46重量%白金担持カーボン(商品名:TEC10E50E、田中貴金属社製)を用いて
、白金担持カーボン1.5g、合成例3の触媒層用イオン交換樹脂電解質(ニ)0.6g、蒸留水0.9g、1、2−ジメトキシエタン10.6gおよびノルマルプロパノール2.2gを混合し、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P-5、フリッチ
ュ社製)を使用して攪拌し、触媒ペーストを調製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[実施例7]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)水酸基含有含フッ素重合体コート
実施例4と同様な方法で水酸基含有含フッ素重合体(イ)コートガス拡散層を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例7と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[実施例8]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)水酸基含有含フッ素重合体コート
水酸基含有含フッ素重合体(イ)の代わりに水酸基含有含フッ素重合体(ロ)使用する以外は実施例4と同様な方法で水酸基含有含フッ素重合体(ロ)コートガス拡散層を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例7と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例1]
(ガス拡散層)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例2]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例7と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例3]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
水酸基含有含フッ素重合体(イ)の代わりに含フッ素重合体(ハ)使用する以外は実施例1と同様な方法で含フッ素重合体(ハ)コート多孔性基材を作製した。
(2)微多孔層の形成
水酸基含有含フッ素重合体(イ)の代わりに含フッ素重合体(ハ)使用する以外は実施例1と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例4]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
水酸基含有含フッ素重合体(イ)の代わりに含フッ素重合体(ハ)使用する以外は実施例1と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例5]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)含フッ素重合体コート
水酸基含有含フッ素重合体(イ)の代わりに含フッ素重合体(ハ)使用する以外は実施
例3と同様な方法で含フッ素重合体(ハ)コートガス拡散層を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例6]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)含フッ素重合体コート
水酸基含有含フッ素重合体(イ)の代わりに含フッ素重合体(ハ)使用する以外は実施例4と同様な方法で含フッ素重合体(ハ)コートガス拡散層を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例7]
(ガス拡散層)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)含フッ素重合体コート
水酸基含有含フッ素重合体(イ)の代わりに含フッ素重合体(ハ)使用する以外は実施例4と同様な方法で含フッ素重合体(ハ)コートガス拡散層を作製した。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例7と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例8]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)Nafionコート
デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液をノルマルプロパノールで5.5重量%
に希釈した。この溶液に微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を5分間浸漬し、75℃の
乾燥炉にて30分間乾燥させNafionコートガス拡散層を作製した。Nafionの付着量は1.0 mg/cm2であった。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例9]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(3)接着層の形成
デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液4.45g、ノルマルプロパノール7.02g、蒸留水7.42g、ケッチェンブラックEC1.11gを混合し、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P-5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、接着層ペーストを
調製した。このペーストを微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材の微多孔層上にアプリケーターで塗布後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させた。接着層の乾燥後の塗布量は2 mg/cm2であった。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
[比較例10]
(ガス拡散層の作製)
(1)多孔性基材の作製
実施例2と同様な方法で撥水剤コート多孔性基材を作製した
(2)微多孔層の形成
実施例3と同様な方法で微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。このガス拡散層をカソードに用いた。
(3)水酸基含有含フッ素重合体コート
実施例4と同様な方法で水酸基含有含フッ素重合体(イ)コートガス拡散層を作製した。このガス拡散層をアノードに用いた。
(触媒ペースト組成物の調製)
実施例1と同様な方法でアノード用およびカソード用触媒ペーストを作製した。
(触媒塗工イオン交換樹脂膜の作製)
実施例1と同様な方法で触媒塗工イオン交換樹脂膜を作製した。
(3) Production of ion exchange resin membrane A 10% by weight N-methylpyrrolidone (NMP) solution of polyarylene having a sulfonic acid group is cast on a glass plate to form a film, and the ion exchange resin membrane has a thickness of 30 μm. Got.
(4) Measurement of molecular weight The molecular weight of the polyarylene having no sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene as the solvent and the molecular weight in terms of polystyrene was obtained. The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group was determined in terms of polystyrene by GPC using N-methyl-2-pyrrolidone to which lithium bromide and phosphoric acid were added as an eluent.
[Evaluation of power generation and adhesion]
A catalyst-coated ion exchange resin membrane, which will be described later, is sandwiched between two gas diffusion layers, which will be described later, so that the microporous layer and the catalyst layer are in contact with each other, and heated at 160 ° C. and 60 kgf / cm 2 for 15 minutes. A membrane-electrode assembly was produced by pressure heating, and assembled into an evaluation fuel cell manufactured by Electrochem, and tightened with a torque wrench at 300 cN m to produce a fuel cell. Hydrogen was supplied to the anode so that the utilization rate was 70%, and air was supplied to the cathode so that the utilization rate was 40%. The anode and cathode feed gases were humidified at 100% relative humidity. The initial performance of the fuel cell was evaluated by measuring the output when the power was generated at 0.75 V at a battery temperature of 70 ° C. Thereafter, a resistance test was performed three times by leaving the fuel cell at −10 ° C. for 24 hours, and the output was measured again under the above conditions to evaluate the performance after the resistance test. After the power generation test, the fuel cell for evaluation was disassembled and the peeling state of the gas diffusion layer was confirmed, ○ where no peeling was seen, x when the gas diffusion layer was dropped, no dropping occurred, A portion where peeling was observed was indicated as Δ.
[Example 1]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Carbon paper (trade name: TGPH-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) as a porous substrate is cut into a size of 5 cm × 5 cm, and this is 30 mL of 1.0 wt% hydroxyl group-containing material. Fluoropolymer (I) 1,
After being immersed in 2 dimethoxyethane solution for 5 minutes, it was dried in a 75 ° C. drying oven for 30 minutes. A hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) coated porous substrate was produced. The adhesion amount of the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) at this time was 0.1 mg / cm 2 .
(2) Formation of microporous layer 1.0 g of carbon particles (trade name: Ketjen Black EC, manufactured by Lion Corp.), 2.0 g of the hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) described in Synthesis Example 1, 0.6 g of distilled water, 11.4 g of 1,2-dimethoxyethane was mixed, and this mixture was stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform to prepare a microporous layer forming paste. . After applying this paste uniformly using an applicator so that the weight of the microporous layer is 1.5 mg / cm 2 , the paste is dried for 30 minutes in a drying oven at 75 ° C. Polymer (A) coat-coated porous substrate was prepared.
(Catalyst paste composition)
Using commercially available 46% by weight platinum-supported carbon (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku), 1.5 g of platinum-supported carbon, 2.4 g of a small amount of distilled water, 20% Nafion (registered trademark) solution 5 manufactured by DuPont 0.2 g and 10.2 g of isopropanol were mixed, and the mixture was stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform to prepare a catalyst paste.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
The catalyst paste is uniformly applied to one side of the ion exchange resin membrane using an applicator so that the amount of platinum deposited is 0.5 mg / cm 2 , and then dried in a drying oven at 75 ° C. for 30 minutes. Then, an anode catalyst layer was formed. Use an applicator so that the amount of platinum deposited is 0.5 mg / cm 2 on the surface of the ion exchange resin membrane on which the anode catalyst layer is formed, on the side opposite to the surface on which the anode catalyst layer is formed. After uniformly coating, it was dried in a drying furnace at 75 ° C. for 30 minutes to form a cathode catalyst layer, and a catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced.
[Example 2]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Carbon paper (trade name: TGPH-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) as a porous substrate was cut into a size of 5 cm x 5 cm, and this was cut into 30 mL of 1.2 wt% polytetra After being immersed in the fluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution for 5 minutes, it was dried in a drying furnace at 75 ° C. for 15 minutes. This substrate was baked in an electric furnace at 370 ° C. for 1 hour to produce a water repellent coated porous substrate for anode and cathode.
(2) Formation of microporous layer A water repellent coated porous substrate with a microporous layer was produced in the same manner as in Example 1.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Example 3]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate A water repellent-coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Carbon particles (trade name: Ketjen Black EC, manufactured by Lion Corporation) ) 2.4 g, 60 wt% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution 6.2 g, distilled water 104.9 g, dispersant (trade name: TRITONX-100, manufactured by Sigma-Aldrich) 10.3 g The mixture was stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform, to prepare a microporous layer forming paste for an anode. After applying this paste uniformly using an applicator so that the weight of the microporous layer is 1.0 mg / cm 2 , the paste is dried in a drying furnace at 75 ° C. for 30 minutes to provide a water repellent coating with a microporous layer. A porous substrate was prepared.
(3) Hydroxyl-containing fluorine-containing polymer coat The above-mentioned water-repellent-coated porous substrate with a microporous layer is immersed in 30 mL of a 10 wt% hydroxyl-containing fluoropolymer (ii) 1,2 dimethoxyethane solution for 5 minutes. Then, it was dried for 30 minutes in a 75 ° C. drying oven. A hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) coat gas diffusion layer was produced. The adhesion amount of the hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) at this time was 1.0 mg / cm 2 .
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Example 4]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Hydroxyl group-containing fluorinated polymer coat The above-mentioned water-repellent-coated porous substrate with a microporous layer was added to 30 mL of 0.1% by weight hydroxyl group-containing fluorinated polymer (ii) 1,2 dimethoxyethane solution for 5 minutes. After being immersed, it was dried in a drying furnace at 75 ° C. for 30 minutes. A hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) coat gas diffusion layer was produced. The adhesion amount of the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) at this time was 0.01 mg / cm 2 .
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Example 5]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate)
A water repellent coated porous substrate was prepared in the same manner as in Example 2 (2) Formation of a microporous layer A water repellent coated porous substrate with a microporous layer was prepared in the same manner as in Example 3. . This gas diffusion layer was used for the anode.
(3) Formation of adhesive layer 4.45 g of 20% Nafion (registered trademark) solution manufactured by DuPont, 7.02 g of normal propanol, 7.42 g of distilled water, and 1.11 g of ketjen black EC are mixed, and this mixture is made into a planetary ball mill until uniform. (Product name: P-5, manufactured by Fritsch) was used to stir to prepare an adhesive layer paste. The paste was applied onto a microporous layer of a water-repellent-coated porous substrate with a microporous layer with an applicator and then dried in a drying furnace at 75 ° C. for 30 minutes to produce a gas diffusion layer with an adhesive layer. The coating amount after drying of the adhesive layer was 2 mg / cm 2 . This gas diffusion layer was used for the anode.
(4) Hydroxyl group-containing fluoropolymer coat A hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) coat gas diffusion layer was produced in the same manner as in Example 4. This gas diffusion layer was used for the cathode.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Example 6]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Hydroxyl group-containing fluoropolymer coat A hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) coat gas diffusion layer was produced in the same manner as in Example 3.
(Preparation of catalyst paste composition)
Using commercially available 46 wt% platinum-supported carbon (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), 1.5 g of platinum-supported carbon, 0.6 g of ion-exchange resin electrolyte for catalyst layer of Synthesis Example 3 (d), distilled water 0.9 g, 10.2 g of 1,2-dimethoxyethane and 2.2 g of normal propanol are mixed, and this mixture is stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform. A catalyst paste was prepared.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Example 7]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Hydroxyl group-containing fluoropolymer coat A hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) coat gas diffusion layer was produced in the same manner as in Example 4.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 7.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Example 8]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Hydroxyl-containing fluorinated polymer coat Hydroxyl-containing fluorinated polymer in the same manner as in Example 4 except that the hydroxyl-containing fluorinated polymer (ii) is used instead of the hydroxyl-containing fluorinated polymer (ii). B) A coating gas diffusion layer was prepared.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 7.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 1]
(Gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 2]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 7.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 3]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Preparation of porous substrate Fluoropolymer (c) Coated porosity in the same manner as in Example 1 except that the fluoropolymer (c) is used instead of the hydroxyl group-containing fluoropolymer (a). A substrate was prepared.
(2) Formation of microporous layer Water repellent-coated porous group with a microporous layer in the same manner as in Example 1 except that the fluoropolymer (c) is used instead of the hydroxyl group-containing fluoropolymer (a). A material was prepared.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 4]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate A water-repellent-coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Fluorine-containing polymer instead of hydroxyl-containing fluorine-containing polymer (A) A water repellent coated porous substrate with a microporous layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that the polymer (c) was used.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 5]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Fluorine-containing polymer coat Fluorine-containing polymer (c) Coat gas diffusion layer in the same manner as in Example 3 except that the fluorine-containing polymer (c) is used instead of the hydroxyl group-containing fluoropolymer (a). Was made.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 6]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Fluorine-containing polymer coat Fluorine-containing polymer (c) coated gas diffusion layer in the same manner as in Example 4 except that the fluorine-containing polymer (c) is used instead of the hydroxyl group-containing fluorine-containing polymer (a). Was made.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 7]
(Gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Fluorine-containing polymer coat Fluorine-containing polymer (c) coated gas diffusion layer in the same manner as in Example 4 except that the fluorine-containing polymer (c) is used instead of the hydroxyl group-containing fluorine-containing polymer (a). Was made.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 7.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 8]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Nafion Coat DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution with normal propanol 5.5% by weight
Dilute to A water-repellent-coated porous substrate with a microporous layer was immersed in this solution for 5 minutes and dried in a drying furnace at 75 ° C. for 30 minutes to prepare a Nafion coat gas diffusion layer. The amount of Nafion deposited was 1.0 mg / cm2.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 9]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared.
(3) Formation of adhesive layer 4.45 g of 20% Nafion (registered trademark) solution manufactured by DuPont, 7.02 g of normal propanol, 7.42 g of distilled water, and 1.11 g of ketjen black EC are mixed, and this mixture is made into a planetary ball mill until uniform. (Product name: P-5, manufactured by Fritsch) was used to stir to prepare an adhesive layer paste. This paste was applied on a microporous layer of a water-repellent-coated porous substrate with a microporous layer with an applicator and then dried in a drying oven at 75 ° C. for 30 minutes. The coating amount after drying of the adhesive layer was 2 mg / cm 2 .
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.
[Comparative Example 10]
(Production of gas diffusion layer)
(1) Production of porous substrate Water repellent coated porous substrate was produced in the same manner as in Example 2. (2) Formation of microporous layer Water repellent with microporous layer in the same manner as in Example 3. An agent-coated porous substrate was prepared. This gas diffusion layer was used for the cathode.
(3) Hydroxyl group-containing fluoropolymer coat A hydroxyl group-containing fluoropolymer (I) coat gas diffusion layer was produced in the same manner as in Example 4. This gas diffusion layer was used for the anode.
(Preparation of catalyst paste composition)
Anode and cathode catalyst pastes were prepared in the same manner as in Example 1.
(Catalyst-coated ion exchange resin membrane production)
A catalyst-coated ion exchange resin membrane was produced in the same manner as in Example 1.

各実施例および比較例の膜電極接合体の構成と評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the configurations and evaluation results of the membrane electrode assemblies of each Example and Comparative Example.

Figure 2009231218
Figure 2009231218

Claims (10)

イオン交換樹脂膜と、触媒層と、ガス拡散層とを備えた膜電極接合体において、カソード側のガス拡散層が、下記構造単位(a)、(b)及び(c)を有する水酸基含有含フッ素重合体(A)を含む、定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。
(a)下記式(1)で表される構造単位。
(b)下記式(2)で表される構造単位。
(c)下記式(3)で表される構造単位。
Figure 2009231218
[式(1)中、R1はフッ素原子、フルオロアルキル基又は−OR2で表される基(R2
はアルキル基又はフルオロアルキル基を示す)を示す]
Figure 2009231218
[式(2)中、R3は水素原子又はメチル基を、R4はアルキル基、−(CH2x−OR5若しくは−OCOR5で表される基(R5はアルキル基又はグリシジル基を、xは0又は
1の数を示す)、カルボキシル基又はアルコキシカルボニル基を示す]
Figure 2009231218
[式(3)中、R6は水素原子又はメチル基を、R7は水素原子又はヒドロキシアルキル基を、vは0又は1の数を示す]
In a membrane / electrode assembly including an ion exchange resin membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer, the gas diffusion layer on the cathode side contains a hydroxyl group-containing component having the following structural units (a), (b), and (c). A stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly comprising the fluoropolymer (A).
(A) A structural unit represented by the following formula (1).
(B) A structural unit represented by the following formula (2).
(C) A structural unit represented by the following formula (3).
Figure 2009231218
[In the formula (1), R 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OR 2 (R 2
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group)]
Figure 2009231218
[In the formula (2), R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 4 represents an alkyl group, and a group represented by — (CH 2 ) x —OR 5 or —OCOR 5 (R 5 represents an alkyl group or a glycidyl group. , X represents a number of 0 or 1, and represents a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group]
Figure 2009231218
[In formula (3), R 6 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 7 represents a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group, and v represents a number of 0 or 1]
ガス拡散層が、電極層に接する微多孔層と該微多孔層に接する多孔性基材層からなり、微多孔層が前記含フッ素ポリマー(A)を含む、請求項1に記載の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。   The stationary or portable device according to claim 1, wherein the gas diffusion layer comprises a microporous layer in contact with the electrode layer and a porous base material layer in contact with the microporous layer, and the microporous layer contains the fluoropolymer (A). Type membrane electrode assembly for fuel cell. 微多孔層および多孔性基材層が含フッ素ポリマー(A)を含む、請求項2に記載の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for stationary or portable fuel cells according to claim 2, wherein the microporous layer and the porous base material layer contain the fluoropolymer (A). ガス拡散層が、水酸基を有しない含フッ素重合体(B)を含む、請求項1〜3のいずれか一に記載の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。   The stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly as described in any one of Claims 1-3 in which a gas diffusion layer contains the fluoropolymer (B) which does not have a hydroxyl group. カソード側およびアノード側のガス拡散層が、水酸基含有含フッ素重合体(A)を含む、請求項1〜4のいずれか一に記載の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for stationary or portable fuel cells according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas diffusion layers on the cathode side and the anode side contain a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A). 水酸基含有含フッ素重合体(A)のガラス転移温度が30℃〜160℃である請求項1〜5のいずれか一に記載の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。   The stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) has a glass transition temperature of 30C to 160C. 水酸基含有含フッ素重合体(A)が水に不溶であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一に記載の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。 7. The stationary or portable fuel cell membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) is insoluble in water. アノード側およびカソード側の触媒層のうち少なくとも一方が、下記一般式(A)で表される構造単位、および下記一般式(B)で表される構造単位を含むことを特徴とする、スルホン酸基を有するポリアリーレンであることを特徴とする請求項1に記載の定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体。
Figure 2009231218
(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l
−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基
を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
Figure 2009231218
(式中、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH
−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基および
ハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素
原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。s、tは0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。)
At least one of the catalyst layer on the anode side and the cathode side includes a structural unit represented by the following general formula (A) and a structural unit represented by the following general formula (B). The membrane / electrode assembly for a stationary or portable fuel cell according to claim 1, which is a polyarylene having a group.
Figure 2009231218
(Wherein, Y is -CO -, - SO 2 -, - SO -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l
- (l is an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, Z is a direct bond or, - (CH 2) l - ( l is an integer of 1 to 10), at least one structure selected from the group consisting of —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H or — An aromatic group having a substituent represented by O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H is shown. p shows the integer of 1-12, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. )
Figure 2009231218
(In the formula, A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH.
-, - COO -, - ( CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O—, or —S—. B represents independently an oxygen atom or a sulfur atom, R 1 to R 16 may be the same or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, part or all of which are halogenated It represents at least one atom or group selected from the group consisting of halogenated alkyl groups, allyl groups, aryl groups, nitro groups, and nitrile groups. s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more. )
請求項1〜8のいずれか一に記載の膜電極接合体を有する、定置または携帯型燃料電池。   A stationary or portable fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 8. 下記構造単位(a)、(b)及び(c)を有する水酸基含有含フッ素重合体(A)を含む、定置または携帯型燃料電池のガス拡散層用樹脂ペースト。
(a)下記式(1)で表される構造単位。
(b)下記式(2)で表される構造単位。
(c)下記式(3)で表される構造単位。
Figure 2009231218
[式(1)中、R1はフッ素原子、フルオロアルキル基又は−OR2で表される基(R2
はアルキル基又はフルオロアルキル基を示す)を示す]
Figure 2009231218
[式(2)中、R3は水素原子又はメチル基を、R4はアルキル基、−(CH2x−OR5若しくは−OCOR5で表される基(R5はアルキル基又はグリシジル基を、xは0又は
1の数を示す)、カルボキシル基又はアルコキシカルボニル基を示す]
Figure 2009231218
[式(3)中、R6は水素原子又はメチル基を、R7は水素原子又はヒドロキシアルキル基を、vは0又は1の数を示す]
A resin paste for a gas diffusion layer of a stationary or portable fuel cell, comprising a hydroxyl group-containing fluoropolymer (A) having the following structural units (a), (b) and (c).
(A) A structural unit represented by the following formula (1).
(B) A structural unit represented by the following formula (2).
(C) A structural unit represented by the following formula (3).
Figure 2009231218
[In the formula (1), R 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OR 2 (R 2
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group)]
Figure 2009231218
[In the formula (2), R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 4 represents an alkyl group, and a group represented by — (CH 2 ) x —OR 5 or —OCOR 5 (R 5 represents an alkyl group or a glycidyl group. , X represents a number of 0 or 1, and represents a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group]
Figure 2009231218
[In formula (3), R 6 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 7 represents a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group, and v represents a number of 0 or 1]
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