JP2010212247A - Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly for suppressing both of membrane deterioration due to a chemical cause and membrane deterioration due to mechanical cause simultaneously, and a solid polymer fuel cell using this. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 12 and electrodes (catalyst layers 14a, 14b) jointed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 12. A whole or a part of proton contained in a whole of the solid polymer electrolyte membrane 12, a non-power-generating region or a strip-shaped region undergoes ion exchange by one or more cations selected from a complex cation, a fourth-class alkyl-ammonium cation and a high-valent-side cation, and/or, a whole of the solid polymer electrolyte membrane 12, a non-power-generating region or a strip-shaped region contains in its end edge organo-metaloxan polymers obtained by impregnating organo-metaloxan-monomers containing ammonium cation or a fourth-class ammonium cation and by carrying out hydrolysis/condensation polymerization. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関し、さらに詳しくは、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等として好適な固体高分子型燃料電池及びこれに用いられる膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to a polymer electrolyte fuel cell suitable for an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like, and to the same. The present invention relates to a membrane electrode assembly.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層内電解質)との複合体からなる。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (electrolyte in the catalyst layer).

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた全炭化フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含まない電解質。例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。
また、全炭化フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含み、C−F結合を含まない電解質)、又は部分炭化フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む電解質)の使用も検討されている。
The electrolyte membrane or the catalyst layer electrolyte that constitutes such an MEA includes a total fluorinated electrolyte excellent in oxidation resistance (an electrolyte that does not contain a C—H bond in the polymer chain. For example, Nafion (registered trademark, DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., etc.) are generally used.
Further, a total fluorocarbon electrolyte is excellent in oxidation resistance, but is generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the polymer electrolyte fuel cell, a hydrocarbon electrolyte (an electrolyte containing a C—H bond and not containing a C—F bond in a polymer chain) or a partial fluorocarbon electrolyte. The use of (electrolytes containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain) has also been studied.

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。例えば、炭化水素系電解質は、全炭化フッ素系電解質に比べて安価であるが、過酸化物ラジカルにより劣化しやすいという問題がある。
また、固体高分子電解質膜の外周部は、通常、ガスシール機能を確保するために、ガスケットにより締め付けられる。しかしながら、ガスケットによる締め付けは、固体高分子電解質膜にせん断応力を作用させ、膜の破損やガスシール機能の低下を招く。さらに、固体高分子電解質膜は、使用時に生ずる温度変化や湿度変化により膨張収縮を繰り返す。そのため、特に電極の外周部において応力が発生しやすいという問題がある。
However, in order to put the polymer electrolyte fuel cell into practical use as a vehicle-mounted power source, there remain problems to be solved. For example, hydrocarbon-based electrolytes are less expensive than full-fluorocarbon-based electrolytes, but have a problem that they are easily degraded by peroxide radicals.
Further, the outer peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane is usually tightened with a gasket in order to ensure a gas sealing function. However, tightening with a gasket causes a shear stress to act on the solid polymer electrolyte membrane, resulting in damage to the membrane and a decrease in gas sealing function. Furthermore, the solid polymer electrolyte membrane repeatedly expands and contracts due to temperature changes and humidity changes that occur during use. Therefore, there is a problem that stress is likely to be generated particularly in the outer peripheral portion of the electrode.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜を酢酸マグネシウム四水和物、酢酸カルシウム、アルミニウムトリイソプロポキシド又は硝酸ランタン水和物を溶解させた溶液に浸漬することにより得られるプロトン伝導性高分子膜が開示されている。同文献には、このような処理を施すことによってスルホン化ポリフェニレンサルファイド膜に含まれるプロトン伝導性置換基の水素原子の一部をMg2+等の金属イオンで置換される点、及び、水素原子の一部を金属イオンで置換することによってスルホン化ポリフェニレンサルファイドの耐酸化性が向上する点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses proton conductivity obtained by immersing a sulfonated polyphenylene sulfide membrane in a solution in which magnesium acetate tetrahydrate, calcium acetate, aluminum triisopropoxide or lanthanum nitrate hydrate is dissolved. A polymer membrane is disclosed. In this document, by performing such a treatment, a part of hydrogen atoms of proton conductive substituents contained in the sulfonated polyphenylene sulfide membrane is replaced with metal ions such as Mg 2+ , and It is described that the oxidation resistance of the sulfonated polyphenylene sulfide is improved by substituting a part thereof with a metal ion.

また、特許文献2には、ポリテトラフルオロエチレン繊維で織られた平織布の中心部の繊維を鎖線状に切断し、切断された繊維を引き抜くことによって中心部に透かし部を形成し、これにナフィオン溶液を含浸させて複合膜とし、この複合膜の両面に透かし部より大きな面積を有する電極を接合した膜電極接合体が開示されている。同文献には、固体高分子電解質膜の外周部を補強することによって、ガスケットによる締め付けに起因する膜の破損、あるいは、ガスケットより内側で、かつ、電極より外側の部分が膨張収縮することに起因する膜の劣化を抑制できる点が記載されている。   Further, in Patent Document 2, a fiber at the center of a plain woven fabric woven with polytetrafluoroethylene fibers is cut into chain lines, and a watermark is formed at the center by pulling out the cut fibers. A membrane electrode assembly is disclosed in which a Nafion solution is impregnated into a composite membrane, and electrodes having an area larger than the watermark portion are joined to both sides of the composite membrane. In this document, by reinforcing the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane, the membrane is damaged by tightening with the gasket, or the portion inside the gasket and outside the electrode expands and contracts. It describes that it is possible to suppress the deterioration of the film.

特開2004−018573号公報JP 2004-018573 A 特開2000−215903号公報JP 2000-215903 A

燃料電池の課題の一つに電解質膜の劣化の抑制が挙げられる。劣化の根本的な原因には、ラジカルなどの化学種による高分子の分解(すなわち「化学的要因」)と、応力による膜の損傷(すなわち、「機械的要因」)とがある。
特許文献1に開示されているように、プロトン伝導性置換基の水素原子の一部をある種の金属イオンで置換すると、電解質膜の化学的耐性が向上する。しかしながら、イオン交換するイオン種によっては、実用上十分な化学的耐性が得られない場合がある。また、特許文献1に開示されている方法は、膜全体をイオン交換しているので、発電性能を維持するためにプロトンの一部を残す必要がある。そのため、すべてのプロトンをイオン交換処理する場合に比べて、効果が半減するという問題がある。さらに、特許文献1に具体的に開示されているイオン種の中には、化学的耐性を向上させる効果があるものも含まれているが、機械的強度の向上の点ではあまり効果がない。
一方、特許文献2に開示されている方法は、ガスケットによる締め付けや膜の伸縮に起因する膜の劣化を抑制する効果があるとされている。しかしながら、この方法では、化学的要因に起因する膜の劣化を抑制することはできない。また、膜の外周部をポリテトラフルオロエチレン等と複合化させているため、使用中に膜と補強材の剥離が懸念される。
さらに、化学的要因による膜の劣化は、膜の特定部位から発生する。また、化学的要因及び機械的要因による膜の劣化を抑制するためには、膜の含水率を制御することも重要である。しかしながら、これらの点を考慮した電解質膜の強化方法が提案された例は、従来にはない。
One of the problems of the fuel cell is suppression of deterioration of the electrolyte membrane. The root causes of degradation include degradation of the polymer by chemical species such as radicals (ie, “chemical factors”) and membrane damage due to stress (ie, “mechanical factors”).
As disclosed in Patent Document 1, when a part of the hydrogen atom of the proton conductive substituent is substituted with a certain metal ion, the chemical resistance of the electrolyte membrane is improved. However, practically sufficient chemical resistance may not be obtained depending on the ion species to be ion-exchanged. Moreover, since the method disclosed in Patent Document 1 ion-exchanges the entire membrane, it is necessary to leave some protons in order to maintain power generation performance. Therefore, there is a problem that the effect is halved compared to the case where all protons are ion-exchanged. Furthermore, some ion species specifically disclosed in Patent Document 1 have an effect of improving chemical resistance, but are not very effective in improving mechanical strength.
On the other hand, the method disclosed in Patent Document 2 is said to have an effect of suppressing deterioration of the film due to tightening by a gasket and expansion / contraction of the film. However, this method cannot suppress deterioration of the film due to chemical factors. In addition, since the outer peripheral portion of the membrane is combined with polytetrafluoroethylene or the like, there is a concern about peeling of the membrane and the reinforcing material during use.
Furthermore, the deterioration of the film due to chemical factors occurs from a specific part of the film. It is also important to control the moisture content of the membrane in order to suppress degradation of the membrane due to chemical and mechanical factors. However, there has never been an example in which a method for strengthening an electrolyte membrane in consideration of these points has been proposed.

本発明が解決しようとする課題は、化学的要因による膜の劣化、及び、機械的要因による膜の劣化の双方を同時に抑制することが可能な膜電極接合体及びこれを用いた固体高分子型燃料電池を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、膜の特定部位から発生する化学的要因による膜の劣化を抑制することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、膜の含水率を制御し、これによって、化学的要因及び機械的要因による膜の劣化を抑制することにある。
The problem to be solved by the present invention is a membrane electrode assembly capable of simultaneously suppressing both deterioration of a membrane due to chemical factors and deterioration of a membrane due to mechanical factors, and a solid polymer type using the membrane electrode assembly It is to provide a fuel cell.
Another problem to be solved by the present invention is to suppress deterioration of the film due to chemical factors generated from a specific part of the film.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to control the moisture content of the membrane, thereby suppressing the degradation of the membrane due to chemical and mechanical factors.

上記課題を解決するために本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両面に接合された電極とを備え、前記固体高分子電解質膜は、プロトンの一部が錯体カチオン、4級アルキルアンモニウムカチオン、及び、複数の価数を取りうる金属イオンであって、最低価数より大きい価数を持つ高価数側カチオンから選ばれる1以上のカチオンによりイオン交換され、並びに/又は、前記固体高分子電解質膜は、その末端にアンモニウムカチオン若しくは4級アンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンモノマを含む溶液を含浸させ、加水分解・縮重合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマを含むことを要旨とする。
また、本発明に係る膜電極接合体の2番目は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両面に接合された、触媒層を含む電極とを備え、前記固体高分子電解質膜は、その外周部であって、少なくとも一方の面に前記触媒層が形成されていない非発電領域に含まれるプロトンの全部又は一部が一種又は2種以上のカチオンによりイオン交換され、並びに/又は、前記固体高分子電解質膜は、前記非発電領域に、その末端にアンモニウムカチオン若しくは4級アンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンモノマを含む溶液を含浸させ、加水分解・縮重合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマを含むことを要旨とする。
また、本発明に係る膜電極接合体の3番目は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両面に接合された、触媒層を含む電極とを備え、前記固体高分子電解質膜は、その中間部であって、前記触媒層の外周部をその内部に含む帯状領域に含まれるプロトンの全部又は一部が1種又は2種以上のカチオンによりイオン交換され、並びに/又は、前記固体高分子電解質膜は、前記帯状領域に、その末端にアンモニウムカチオン若しくは4級アンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンモノマを含浸させ、加水分解・縮重合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマを含むことを要旨とする。
さらに、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、本発明に係る膜電極接合体を備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, a membrane electrode assembly according to the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane and electrodes joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer electrolyte membrane comprises protons. Are ionized by one or more cations selected from a complex cation, a quaternary alkylammonium cation, and a metal ion capable of taking a plurality of valences and having a valence higher than the minimum valence. The solid polymer electrolyte membrane is exchanged and / or impregnated with a solution containing an organometalloxane monomer having an ammonium cation or a quaternary ammonium cation at its end, and is obtained by hydrolyzing / condensing the organometallo The gist is to include xanthin polymer.
The second membrane electrode assembly according to the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane, and an electrode including a catalyst layer bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane Are all or part of the protons contained in the non-power generation region at the outer periphery of which the catalyst layer is not formed on at least one surface, and / or are ion-exchanged by one or more cations and / or The solid polymer electrolyte membrane is obtained by impregnating the non-power generation region with a solution containing an organometalloxane monomer having an ammonium cation or a quaternary ammonium cation at the end, and hydrolyzing / condensing the organometallo. The gist is to include xanthin polymer.
The third membrane electrode assembly according to the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane, and an electrode including a catalyst layer bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane. Is an intermediate part thereof, and all or part of protons contained in a band-like region including the outer peripheral part of the catalyst layer therein is ion-exchanged by one or more kinds of cations, and / or The solid polymer electrolyte membrane includes an organometalloxane polymer obtained by impregnating the band-like region with an organometalloxane monomer having an ammonium cation or a quaternary ammonium cation at the end thereof, followed by hydrolysis and condensation polymerization. The gist.
Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is provided with the membrane electrode assembly according to the present invention.

固体高分子電解質膜のプロトンの全部又は一部をカチオン(特に、錯体カチオン、4級アルキルアンモニウムカチオン、及び/又は、高価数側カチオン)でイオン交換すると、化学的要因及び機械的要因による膜の劣化を同時に抑制することができる。また、膜とオルガノメタロキサンポリマとを複合化させると、化学的要因及び機械的要因による膜の劣化を同時に抑制することができる。
また、化学的要因による膜の劣化は、特に片面触媒領域において著しい。そのため、片面触媒領域を含む帯状領域又は非発電領域を予めカチオンでイオン交換し、あるいは、オルガノメタロキサンポリマで強化すると、化学的要因及び機械的要因による膜の劣化を同時に抑制することができる。さらに、膜中の含水率を最適化すると、化学的要因による膜の劣化を抑制することができる。
When all or part of protons of the solid polymer electrolyte membrane are ion exchanged with cations (particularly complex cations, quaternary alkylammonium cations, and / or high-value cations), the membranes are caused by chemical and mechanical factors. Degradation can be suppressed at the same time. In addition, when the film and the organometalloxane polymer are combined, deterioration of the film due to chemical factors and mechanical factors can be suppressed at the same time.
Further, the deterioration of the membrane due to chemical factors is particularly remarkable in the single-sided catalyst region. Therefore, when the belt-like region or the non-power generation region including the single-sided catalyst region is previously ion-exchanged with a cation or strengthened with an organometalloxane polymer, the deterioration of the film due to chemical and mechanical factors can be suppressed at the same time. Furthermore, when the moisture content in the membrane is optimized, the deterioration of the membrane due to chemical factors can be suppressed.

図1(a)は、本発明の第2の実施の形態に係るMEAの正面図であり、図1(b)は、その平面図である。Fig.1 (a) is a front view of MEA which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, FIG.1 (b) is the top view. 図2(a)は、本発明の第3の実施の形態に係るMEAの正面図であり、図2(b)は、その平面図である。FIG. 2 (a) is a front view of an MEA according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 2 (b) is a plan view thereof.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明の第1の実施の形態に係る膜電極接合体(MEA)は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に接合された電極とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The membrane electrode assembly (MEA) according to the first embodiment of the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane and electrodes joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane.

本発明において、固体高分子電解質膜には、種々の材料を用いることができる。すなわち、固体高分子電解質膜は、炭化水素系電解質及び炭化フッ素系電解質のいずれであっても良い。また、炭化フッ素系電解質は、部分炭化フッ素系電解質及び全炭化フッ素系電解質のいずれであっても良い。
ここで、「炭化水素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−H結合を含み、かつ、C−F結合を含まないものをいう。「炭化フッ素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−F結合を含むものをいう。「部分炭化フッ素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−H結合とC−F結合の双方を含むものをいう。「全炭化フッ素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−F結合を含み、かつ、C−H結合を含まないものをいう。本発明において、「全炭化フッ素系電解質」というときは、ポリマ骨格中に、C−F結合以外に、C−Cl結合(例えば、−CFCl−、−CCl−など)や、その他の構造(例えば、−O−、−S−、−C(=O)−、−N(R)−等。但し、「R」は、アルキル基。)を有するものも含まれる。
固体高分子電解質膜に含まれる陽イオン交換基の種類も、特に限定されるものではない。陽イオン交換基としては、具体的には、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、亜ホスホン酸基、フェノール基などがある。上述したポリマには、これらの陽イオン交換基のいずれか1種を備えたものでも良く、あるいは、2種以上を備えたものでも良い。
In the present invention, various materials can be used for the solid polymer electrolyte membrane. That is, the solid polymer electrolyte membrane may be either a hydrocarbon electrolyte or a fluorocarbon electrolyte. Further, the fluorocarbon electrolyte may be a partial fluorocarbon electrolyte or a total fluorocarbon electrolyte.
Here, the “hydrocarbon electrolyte” means a polymer skeleton containing a C—H bond and no C—F bond. “Fluorocarbon-based electrolyte” refers to a polymer skeleton containing a C—F bond. The “partial fluorocarbon electrolyte” means a polymer skeleton containing both C—H bonds and C—F bonds. “Fully fluorinated electrolyte” means a polymer skeleton containing a C—F bond and no C—H bond. In the present invention, the term “fully-fluorinated electrolyte” refers to a C—Cl bond (for example, —CFCl—, —CCl 2 —, etc.) other than the C—F bond, and other structures ( For example, -O-, -S-, -C (= O)-, -N (R)-, etc., where "R" is an alkyl group.
The kind of cation exchange group contained in the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited. Specific examples of the cation exchange group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, a phosphonous acid group, and a phenol group. The polymer described above may be provided with any one of these cation exchange groups, or may be provided with two or more.

ポリマ骨格の全部又は一部がフッ素化された固体高分子電解質としては、具体的には、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマ、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマ、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマ、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマなどがある。
また、フッ素を含まない炭化水素系の固体高分子電解質としては、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸などがある。
これらの中でも、全炭化フッ素系電解質は、高い化学的耐性を有しているので、MEAを構成する固体高分子電解質膜として特に好適である。
Specific examples of the solid polymer electrolyte in which all or part of the polymer skeleton is fluorinated include a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, a perfluorocarbon phosphonic acid polymer, a trifluorostyrene sulfonic acid polymer, and ethylene tetrafluoroethylene. -G-styrene sulfonic acid polymer.
Specific examples of the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte not containing fluorine include polysulfonesulfonic acid, polyaryletherketonesulfonic acid, polybenzimidazolealkylsulfonic acid, and polybenzimidazolealkylphosphonic acid.
Among these, the total fluorocarbon electrolyte is particularly suitable as a solid polymer electrolyte membrane constituting the MEA because it has high chemical resistance.

電極は、触媒層のみからなるものでも良く、あるいは、触媒層と拡散層の2層構造を有するものでも良い。
拡散層は、触媒層への反応ガスの供給及び電子の授受を行うための層である。その材質は、多孔質かつ電子伝導性を有するものであれば良く、特に限定されるものではない。一般的には、多孔質のカーボン布、カーボン紙等が用いられる。
触媒層は、電極反応の反応場となる層であり、触媒と、陽イオン交換基を有する触媒層内電解質とを備えている。触媒は、単独で触媒層に含まれていても良く、あるいは、触媒担体に担持された状態で触媒層に含まれていても良い。また、触媒あるいは触媒担体の材質は、特に限定されるものではなく、用途に応じて種々の材質を用いることができる。通常は、触媒として、Pt又はPt系の合金を用い、カーボンブラック等の触媒担体の表面に担持した状態で使用される。
触媒層内電解質は、触媒層にイオン伝導性を付与すると共に、触媒層内に三相界面を形成するために加えられるものである。触媒層内電解質の材質は、特に限定されるものではなく、用途に応じて種々の材質を用いることができる。通常は、固体高分子電解質膜と同一成分を有する電解質が用いられるが、異なる成分の電解質を用いても良い。
The electrode may be composed of only the catalyst layer, or may have a two-layer structure of the catalyst layer and the diffusion layer.
The diffusion layer is a layer for supplying the reaction gas to the catalyst layer and transferring electrons. The material is not particularly limited as long as it is porous and has electron conductivity. In general, a porous carbon cloth, carbon paper or the like is used.
The catalyst layer is a layer serving as a reaction field for electrode reaction, and includes a catalyst and an electrolyte in the catalyst layer having a cation exchange group. The catalyst may be contained alone in the catalyst layer, or may be contained in the catalyst layer while being supported on the catalyst carrier. In addition, the material of the catalyst or the catalyst carrier is not particularly limited, and various materials can be used depending on the application. Usually, Pt or a Pt-based alloy is used as a catalyst, and is used in a state of being supported on the surface of a catalyst carrier such as carbon black.
The electrolyte in the catalyst layer is added to impart ion conductivity to the catalyst layer and to form a three-phase interface in the catalyst layer. The material of the electrolyte in the catalyst layer is not particularly limited, and various materials can be used depending on the application. Usually, an electrolyte having the same component as the solid polymer electrolyte membrane is used, but an electrolyte having a different component may be used.

本実施の形態において、固体高分子電解質膜は、その全体が特定の方法によって強化されている。ここで、「膜の全体が強化されている」とは、膜の全面に渡って、膜の表層及び/又は内部が強化されていることをいう。MEAの耐久性を向上させるためには、膜の全面に渡って、少なくとも膜の表層が強化されていることが好ましい。また、MEAの耐久性を大幅に向上させるためには、膜の全面に渡って、膜の表層及び内部が強化されているのが好ましい。膜の表層及び内部を強化する場合、両者の強化の程度は、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。   In the present embodiment, the entire solid polymer electrolyte membrane is reinforced by a specific method. Here, “the whole film is strengthened” means that the surface layer and / or the inside of the film is strengthened over the entire surface of the film. In order to improve the durability of the MEA, it is preferable that at least the surface layer of the film is reinforced over the entire surface of the film. In order to greatly improve the durability of the MEA, it is preferable that the surface layer and the inside of the membrane are reinforced over the entire surface of the membrane. When the surface layer and the inside of the film are strengthened, the degree of strengthening of both may be the same or different.

膜の全体を強化する方法としては、具体的には、以下のような方法がある。
第1の方法は、固体高分子電解質膜に含まれるプロトンの一部を、カチオンでイオン交換する方法である。プロトンを交換するカチオンの種類は、特に限定されるものではないが、MEAの化学的耐性及び/又は機械的特性を向上させる作用が相対的に高いカチオンとしては、具体的には、(1)錯体カチオン、(2)4級アルキルアンモニウムカチオン、(3)高価数側カチオン、(4)その他のカチオン、がある。
Specific methods for strengthening the entire film include the following methods.
The first method is a method in which a part of protons contained in the solid polymer electrolyte membrane is ion-exchanged with cations. The type of cation for exchanging protons is not particularly limited. Specific examples of the cation having relatively high action to improve the chemical resistance and / or mechanical properties of MEA include (1) There are complex cations, (2) quaternary alkylammonium cations, (3) expensive cation cations, and (4) other cations.

「錯体カチオン」とは、金属原子の周囲に配位子が結合した化合物であって、化合物全体でプラスの価数を有するものをいう。本発明において、錯体カチオンの種類は特に限定されるものではなく、種々の錯体カチオンを用いることができる。錯体カチオンとしては、具体的には、
(1) ヘキサアンミンコバルト(III)カチオン([Co(NH)]3+)、テトラアンミン白金(II)カチオン([Pt(NH)]2+)、ヘキサアンミンルテニウム(III)カチオン([Ru(NH)]3+)、ヘキサアンミン白金(IV)カチオン([Pt(NH)]4+)などのアンミン錯体カチオン、
(2) ペンタアンミンニトロシルコバルト(II)カチオン([Co(NH)(NO)]2+)、ペンタアンミンクロロコバルト(III)カチオン([Co(NH)Cl]3+)、テトラアンミンクロロニトロシルルテニウム(III)カチオン([RuCl(NH)(NO)]2+)などの数種類の配位子を含む錯体カチオン、
などがある。
これらの中でも、アンミン錯体カチオンは、膜の化学的耐性及び機械的特性を著しく向上させる作用があるので、プロトンを交換する錯体カチオンとして特に好適である。
The “complex cation” refers to a compound in which a ligand is bound around a metal atom, and the compound as a whole has a positive valence. In the present invention, the type of complex cation is not particularly limited, and various complex cations can be used. Specifically, as the complex cation,
(1) Hexaammine cobalt (III) cation ([Co (NH 3 ) 6 ] 3+ ), tetraammine platinum (II) cation ([Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ), hexaammineruthenium (III) cation ([Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ ), ammine complex cations such as hexaammine platinum (IV) cation ([Pt (NH 3 ) 6 ] 4+ ),
(2) pentaamminenitrosylcobalt (II) cation ([Co (NH 3 ) 5 (NO)] 2+ ), pentaammine chlorocobalt (III) cation ([Co (NH 3 ) 5 Cl] 3+ ), tetraammine chloronitrosyl Complex cations containing several types of ligands such as ruthenium (III) cations ([RuCl (NH 3 ) 4 (NO)] 2+ ),
and so on.
Among these, ammine complex cations are particularly suitable as complex cations for exchanging protons because they have the effect of significantly improving the chemical resistance and mechanical properties of the membrane.

「4級アルキルアンモニウムカチオン」とは、一般式:R(Rは、アルキル基)で表されるカチオンをいう。N原子に結合している4個のアルキル基Rは、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。4級アルキルアンモニウムカチオンとしては、具体的には、テトラプロピルアンモニウムカチオン([(CHCHCH)N])、テトラブチルアンモニウムカチオン([(CHCHCHCH)4N])、トリメチルベンジルアンモニウムカチオン([(CH)N])などがある。 The “quaternary alkyl ammonium cation” refers to a cation represented by the general formula: R 4 N + (R is an alkyl group). The four alkyl groups R bonded to the N atom may be the same or different from each other. Specific examples of the quaternary alkyl ammonium cation include a tetrapropyl ammonium cation ([(CH 3 CH 2 CH 2 ) 4 N] + ) and a tetrabutyl ammonium cation ([(CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 ) 4N. ] + ), Trimethylbenzylammonium cation ([(CH 3 ) 3 C 6 H 5 N] + ) and the like.

「高価数側カチオン」とは、複数の価数を取りうる金属イオンであって、最低価数より大きい価数を持つカチオンをいう。例えば、セリウムは、3価と4価の2つの酸化状態をとる。この場合、高価数側カチオンとは、Ce4+を指す。これ以外の高価数側カチオンとしては、具体的には、Pr4+、Sm3+、Eu3+、Tb4+、Yb3+などがある。 The “expensive cation” is a metal ion that can have a plurality of valences and has a valence greater than the minimum valence. For example, cerium takes two oxidation states, trivalent and tetravalent. In this case, the expensive number side cation refers to Ce 4+ . Specific examples of the other high-value cation include Pr 4+ , Sm 3+ , Eu 3+ , Tb 4+ and Yb 3+ .

その他のカチオンであって、膜の機械的特性(特に、初期弾性率)を向上させる作用が相対的に高いものとしては、セシウムイオン(Cs)、カルシウムイオン(Ca2+)、ストロンチウムイオン(Sr2+)、バリウムイオン(Ba2+)、ジルコニルイオン(ZrO2+)、クロム(III)イオン(Cr3+)、セリウム(III)イオン(Ce3+)などがある。
また、その他のカチオンであって、膜の化学的耐性を高める作用が相対的に高いものとしては、ジルコニルイオン(ZrO2+)、アルミニウムイオン(Al3+)、クロム(III)イオン(Cr3+)、セリウム(III)イオン(Ce3+)などがある。
Other cations that have a relatively high effect of improving the mechanical properties (particularly the initial elastic modulus) of the membrane include cesium ions (Cs + ), calcium ions (Ca 2+ ), strontium ions (Sr 2+ ), barium ions (Ba 2+ ), zirconyl ions (ZrO 2+ ), chromium (III) ions (Cr 3+ ), cerium (III) ions (Ce 3+ ), and the like.
Other cations that have a relatively high effect on enhancing the chemical resistance of the film include zirconyl ion (ZrO 2+ ), aluminum ion (Al 3+ ), chromium (III) ion (Cr 3+ ), There is cerium (III) ion (Ce 3+ ).

固体高分子電解質膜に含まれるプロトンの一部は、上述した各種のカチオンのいずれか1種で置換されていても良く、あるいは、2種以上で置換されていても良い。
また、各種カチオンによるイオン交換率(=カチオンの数×カチオンの価数×100/陽イオン交換基の数(%))は、0.01%以上が好ましい。イオン交換率が0.01%未満であると、実用上十分な化学的耐性及び機械的特性が得られない。イオン交換率は、さらに好ましくは、0.1%以上、さらに好ましくは、1%以上である。
一方、イオン交換率が高すぎると、固体高分子電解質膜の電気伝導度が低下し、発電性能を維持できない。従って、イオン交換率は、95%以下が好ましく、さらに好ましくは、50%以下、さらに好ましくは、30%以下である。
A part of protons contained in the solid polymer electrolyte membrane may be substituted with any one of the above-mentioned various cations, or may be substituted with two or more.
Further, the ion exchange rate (= number of cations × cation number × 100 / number of cation exchange groups (%)) by various cations is preferably 0.01% or more. When the ion exchange rate is less than 0.01%, practically sufficient chemical resistance and mechanical properties cannot be obtained. The ion exchange rate is more preferably 0.1% or more, and further preferably 1% or more.
On the other hand, if the ion exchange rate is too high, the electric conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is lowered, and the power generation performance cannot be maintained. Therefore, the ion exchange rate is preferably 95% or less, more preferably 50% or less, and still more preferably 30% or less.

膜を強化する第2の方法は、固体高分子電解質膜にオルガノメタロキサンポリマを導入する方法である。
ここで、「オルガノメタロキサンポリマ」とは、オルガノメタロキサンモノマ(及び、必要に応じて、他のメタロキサンモノマ)を加水分解・重縮合させることにより得られるポリマをいう。また、「オルガノメタロキサンモノマ」とは、その末端にアンモニウムカチオン又は4級アンモニウムカチオンを有する化合物であって、次の(1)式で表されるものをいう。
[(RO)M−(CH)−(R')(R'')(R''')N]X ・・・(1)
但し、Mは、4価の金属元素(例えば、Ge、Si、Ti、Zrなど)。
nは、0以上の整数。
ROは、アルコキシ基。
R'、R''、R'''は、水素又はアルキル基。
Xは、Cl、Br等のハロゲン元素。
なお、Mに結合している3個のアルコキシ基ROは、それぞれ、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。同様に、Nに結合しているR'、R''、R'''は、それぞれ、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
The second method for reinforcing the membrane is a method of introducing an organometalloxane polymer into the solid polymer electrolyte membrane.
Here, the “organometalloxane polymer” refers to a polymer obtained by hydrolysis and polycondensation of an organometalloxane monomer (and other metalloxane monomers as required). Further, the “organometalloxane monomer” is a compound having an ammonium cation or a quaternary ammonium cation at its terminal and represented by the following formula (1).
[(RO) 3 M- (CH 2 ) n − (R ′) (R ″) (R ′ ″) N] X (1)
However, M is a tetravalent metal element (for example, Ge, Si, Ti, Zr, etc.).
n is an integer of 0 or more.
RO is an alkoxy group.
R ′, R ″, R ′ ″ are hydrogen or an alkyl group.
X is a halogen element such as Cl and Br.
The three alkoxy groups RO bonded to M may be the same or different from each other. Similarly, R ′, R ″, R ′ ″ bonded to N may be the same or different.

オルガノメタロキサンモノマとしては、具体的には、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−トリメチルアンモニウムクロリド((TMSiTMA)Cl;[(CHO)SiCHCHCH(CH)N]Cl)、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−ブチルアンモニウムブロミド([(CHO)Si(CH)(C)N]Br)、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−ブチルアンモニウムクロリド([(CHO)Si(CH)(C)N]Cr)などのオルガノアルコキシシラン、などがある。 As the organometalloxane monomer, specifically, N-trimethoxysilylpropyl-N, N, N-trimethylammonium chloride ((TMSiTMA) Cl; [(CH 3 O) 3 SiCH 2 CH 2 CH 2 (CH 3 ) 3 N] Cl), N-trimethoxysilylpropyl-N, N, N-butylammonium bromide ([(CH 3 O) 3 Si (CH 2 ) 3 (C 4 H 9 ) 3 N] Br), N - trimethoxysilylpropyl -N, N, N-butyl ammonium chloride ([(CH 3 O) 3 Si (CH 2) 3 (C 4 H 9) 3 N] Cr) organoalkoxysilane, such as, and the like.

オルガノメタロキサンポリマは、これらのオルガノメタロキサンモノマの内、いずれか1種を加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良く、あるいは、2種以上を加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良い。また、オルガノメタロキサンポリマは、1種又は2種以上のオルガノメタロキサンモノマと、1種又は2種以上のメタロキサンモノマとを加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良い。
ここで、「メタロキサンモノマ」とは、加水分解・重縮合させることにより、メタロキサン結合(M−O−M。M、Mは、金属元素)を有するポリマを形成することができる化合物をいう。
メタロキサンモノマとしては、具体的には、
(1) テトラエトキシシラン(TEOS;Si(OC))、メチルトリエトキシシラン(CHSi(OC))、ジメチルジエトキシシラン((CH)Si(OC))、フェニルトリエトキシシラン(CSi(OC))、ジエトキシジフェニルシラン((C)Si(OC))などのシラン化合物、
(2) テトラエトキシゲルマン(Ge(OC))、テトラメトキシゲルマン(Ge(OCH))などのゲルマニウムアルコキサイド、
(3) チタンエトキサイド(Ti(OC))、チタンジクロライドジエトキサイド(TiCl(OC))などのチタンアルコキサイド、
などがある。
特に、メチル基、フェニル基などの疎水基を有するシラン化合物は、電解質膜の含水率を低下させ、MEAの化学的耐性を向上させる作用があるので、オルガノメタロキサンモノマと組み合わせて用いるモノマとして、特に好適である。
さらに、固体高分子電解質膜には、これらのオルガノメタロキサンポリマのいずれか1種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
The organometalloxane polymer may be obtained by hydrolysis / polycondensation of any one of these organometalloxane monomers, or may be obtained by hydrolysis / polycondensation of two or more. Things can be used. Further, the organometalloxane polymer may be obtained by hydrolyzing and polycondensing one or more types of organometalloxane monomers and one or more types of metalloxane monomers.
Here, the “metalloxane monomer” can form a polymer having a metalloxane bond (M 1 -O-M 2, where M 1 and M 2 are metal elements) by hydrolysis and polycondensation. Refers to a compound.
As a metalloxane monomer, specifically,
(1) Tetraethoxysilane (TEOS; Si (OC 2 H 5 ) 4 ), methyltriethoxysilane (CH 3 Si (OC 2 H 5 ) 3 ), dimethyldiethoxysilane ((CH 3 ) 2 Si (OC 2 ) H 5) 2), phenyltriethoxysilane (C 6 H 5 Si (OC 2 H 5) 3), diethoxy diphenyl silane ((C 6 H 5) 2 Si (OC 2 H 5) 2) silane compounds such as ,
(2) germanium alkoxide such as tetraethoxygermane (Ge (OC 2 H 5 ) 4 ), tetramethoxygermane (Ge (OCH 3 ) 4 ),
(3) titanium alkoxides such as titanium ethoxide (Ti (OC 2 H 5 ) 4 ), titanium dichloride diethoxide (TiCl 2 (OC 2 H 5 ) 2 ),
and so on.
In particular, since a silane compound having a hydrophobic group such as a methyl group or a phenyl group has an effect of reducing the water content of the electrolyte membrane and improving the chemical resistance of MEA, as a monomer used in combination with an organometalloxane monomer, Particularly preferred.
Furthermore, the solid polymer electrolyte membrane may contain any one of these organometalloxane polymers, or may contain two or more.

オルガノメタロキサンポリマは、後述するように、オルガノメタロキサンモノマ(及び、必要に応じてメタロキサンモノマ)を含む溶液を固体高分子電解質膜に含浸させ、膜内部において加水分解・重縮合させることにより形成される。
この場合、オルガノメタロキサンモノマは、その末端にあるカチオンによるイオン交換率が上述した範囲となるように導入する。すなわち、実用上十分な化学的耐性及び機械的特性を得るためには、オルガノメタロキサンポリマの導入量は、オルガノメタロキサンモノマによるイオン交換率に換算して、0.01%以上が好ましく、さらに好ましくは、0.1%以上、さらに好ましくは、1%以上である。また、実用上十分な発電性能を維持するためには、オルガノメタロキサンポリマの導入量は、イオン交換率に換算して、95%以下が好ましく、さらに好ましくは、50%以下、さらに好ましくは、30%以下である。
オルガノメタロキサンモノマに加えてさらにメタロキサンモノマを導入する場合、メタロキサンモノマの導入量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。これは、メタロキサンモノマは、カチオンを含まないので、過剰に導入しても発電性能を低下させるおそれが少ないがないためである。
As described later, the organometalloxane polymer is obtained by impregnating a solid polymer electrolyte membrane with a solution containing an organometalloxane monomer (and a metalloxane monomer as required), and hydrolyzing and polycondensing the inside of the membrane. It is formed.
In this case, the organometalloxane monomer is introduced so that the ion exchange rate by the cation at the terminal is in the above-described range. That is, in order to obtain practically sufficient chemical resistance and mechanical properties, the introduction amount of the organometalloxane polymer is preferably 0.01% or more in terms of the ion exchange rate by the organometalloxane monomer, Preferably, it is 0.1% or more, more preferably 1% or more. In order to maintain practically sufficient power generation performance, the amount of the organometalloxane polymer introduced is preferably 95% or less, more preferably 50% or less, more preferably, in terms of ion exchange rate. 30% or less.
When a metalloxane monomer is further introduced in addition to the organometalloxane monomer, the amount of the metalloxane monomer introduced is not particularly limited and can be arbitrarily selected according to the purpose. This is because the metalloxane monomer does not contain a cation, and therefore there is little risk of reducing the power generation performance even if it is introduced excessively.

第1の方法(イオン交換による強化法)及び第2の方法(オルガノメタロキサンポリマの導入による強化法)は、それぞれ、単独で用いても良く、あるいは、組み合わせて用いても良い。また、第1の方法及び第2の方法を組み合わせて用いる場合、各種カチオン及びオルガノメタロキサンモノマによるイオン交換率の合計が上述した範囲となるように、これらを膜中に導入するのが好ましい。   The first method (strengthening method by ion exchange) and the second method (strengthening method by introduction of organometalloxane polymer) may be used alone or in combination. Moreover, when using combining a 1st method and a 2nd method, it is preferable to introduce | transduce these in a film | membrane so that the sum total of the ion exchange rate by various cations and organometalloxane monomer may become the range mentioned above.

次に、本発明の第2の実施の形態に係るMEAについて説明する。本実施の形態に係るMEAは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に接合された触媒層を含む電極とを備えている。また、本実施の形態において、固体高分子電解質膜は、少なくとも非発電領域が特定の方法によって強化されている。   Next, an MEA according to the second embodiment of the present invention will be described. The MEA according to the present embodiment includes a solid polymer electrolyte membrane and an electrode including a catalyst layer bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. In the present embodiment, at least the non-power generation region of the solid polymer electrolyte membrane is reinforced by a specific method.

ここで、「非発電領域が強化されている」とは、非発電領域の全面に渡って、膜の表層及び/又は内部が強化されていることをいう。MEAの耐久性を向上させるためには、非発電領域の全面に渡って、少なくとも膜の表層が強化されていることが好ましい。また、MEAの耐久性を大幅に向上させるためには、非発電領域の全面に渡って、膜の表層及び内部が強化されているのが好ましい。膜の表層及び内部を強化する場合、両者の強化の程度は、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
また、「非発電領域」とは、固体高分子電解質膜の外周部であって、少なくとも一方の面に触媒層が形成されていない領域をいう。
Here, “the non-power generation region is strengthened” means that the surface layer and / or the inside of the membrane is strengthened over the entire surface of the non-power generation region. In order to improve the durability of the MEA, it is preferable that at least the surface layer of the film is reinforced over the entire surface of the non-power generation region. Moreover, in order to significantly improve the durability of the MEA, it is preferable that the surface layer and the inside of the membrane are reinforced over the entire surface of the non-power generation region. When the surface layer and the inside of the film are strengthened, the degree of strengthening of both may be the same or different.
Further, the “non-power generation region” refers to a region that is an outer peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane and in which a catalyst layer is not formed on at least one surface.

図1に、本実施の形態に係るMEAの概略構成図を示す。図1において、MEA10は、固体高分子電解質膜12と、その両面に接合された触媒層14a、14bとを備えている。触媒層14a、14bは、通常、同一の大きさを有している。また、触媒層14a、14bは、通常、固体高分子電解質膜12のほぼ中央部に、かつ、固体高分子電解質膜12に対して対称に接合される。
しかしながら、製造工程上の誤差によって触媒層14a、14bの大きさがばらついたり、あるいは、触媒層14a、14bの接合位置がずれると、固体高分子電解質膜12の両面に触媒層14a、14bが形成された領域(発電領域)と、固体高分子電解質膜12の片面にのみ触媒層14a、14bが形成された領域(片面触媒領域)が形成される。「非発電領域」とは、このような片面触媒領域と、触媒層14a、14bが全く形成されていない領域を合わせた領域いう。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an MEA according to the present embodiment. In FIG. 1, the MEA 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 12 and catalyst layers 14a and 14b bonded to both surfaces thereof. The catalyst layers 14a and 14b usually have the same size. In addition, the catalyst layers 14 a and 14 b are usually joined to substantially the center of the solid polymer electrolyte membrane 12 and symmetrically with respect to the solid polymer electrolyte membrane 12.
However, if the size of the catalyst layers 14a and 14b varies due to an error in the manufacturing process or the joining position of the catalyst layers 14a and 14b is shifted, the catalyst layers 14a and 14b are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 12. A region where the catalyst layers 14a and 14b are formed only on one side of the solid polymer electrolyte membrane 12 (single-sided catalyst region) is formed. The “non-power generation region” is a region obtained by combining such a single-sided catalyst region and a region where the catalyst layers 14a and 14b are not formed at all.

非発電領域を強化する方法としては、具体的には、以下のような方法がある。
第1の方法は、非発電領域に含まれるプロトンの全部又は一部を、カチオンでイオン交換する方法である。プロトンを交換するカチオンの種類は、特に限定されるものではないが、MEAの化学的耐性及び/又は機械的特性を向上させる作用が相対的に高いカチオンとしては、具体的には、(1)錯体カチオン、(2)4級アルキルアンモニウムカチオン、(3)高価数側カチオン、(4)その他のカチオン、がある。
特に、プロトンを交換するカチオンが、錯体カチオン、4級アルキルアンモニウムカチオン、及び、高価数側カチオンから選ばれる1以上である時には、MEAの化学的耐性及び機械的特性が著しく向上する。
Specific methods for strengthening the non-power generation area include the following methods.
The first method is a method in which all or part of protons included in the non-power generation region are ion-exchanged with cations. The type of cation for exchanging protons is not particularly limited. Specific examples of the cation having relatively high action to improve the chemical resistance and / or mechanical properties of MEA include (1) There are complex cations, (2) quaternary alkylammonium cations, (3) expensive cation cations, and (4) other cations.
In particular, when the cation exchanging protons is at least one selected from a complex cation, a quaternary alkylammonium cation, and an expensive cation, the chemical resistance and mechanical properties of MEA are significantly improved.

一般に、これらのカチオンによるイオン交換率が高くなるほど、高い化学的耐性及び機械的特性が得られるが、固体高分子電解質膜の電気伝導度は低下する。しかしながら、非発電領域は、発電に寄与しない領域であるので、イオン交換率は、高いほど良く、プロトンの全部が所定のカチオンでイオン交換されていても良い。
各種カチオンによるイオン交換率は、具体的には、1%以上が好ましく、さらに好ましくは、50%以上、さらに好ましくは、90%以上である。
In general, the higher the ion exchange rate by these cations, the higher the chemical resistance and mechanical properties, but the lower the electrical conductivity of the solid polymer electrolyte membrane. However, since the non-power generation region is a region that does not contribute to power generation, the higher the ion exchange rate, the better. The protons may all be ion-exchanged with a predetermined cation.
Specifically, the ion exchange rate by various cations is preferably 1% or more, more preferably 50% or more, and still more preferably 90% or more.

非発電領域を強化する第2の方法は、非発電領域に、オルガノメタロキサンモノマ(及び、必要に応じて他のメタロキサンモノマ)を含浸させ、加水分解・重縮合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマを導入する方法である。
オルガノメタロキサンポリマは、上述したオルガノメタロキサンモノマの内、いずれか1種を加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良く、あるいは、2種以上を加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良い。また、オルガノメタロキサンポリマは、1種又は2種以上のオルガノメタロキサンモノマと、1種又は2種以上のメタロキサンモノマとを加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良い。
さらに、非発電領域には、これらのオルガノメタロキサンポリマのいずれか1種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
The second method for strengthening the non-power generation region is to impregnate the non-power generation region with an organometalloxane monomer (and another metalloxane monomer as required), and then hydrolyze and polycondensate the organometallosiloxane. This is a method of introducing xanthene polymer.
The organometalloxane polymer may be obtained by hydrolysis / polycondensation of any one of the above-mentioned organometalloxane monomers, or may be obtained by hydrolysis / polycondensation of two or more. Things can be used. Further, the organometalloxane polymer may be obtained by hydrolyzing and polycondensing one or more types of organometalloxane monomers and one or more types of metalloxane monomers.
Further, the non-power generation region may contain any one of these organometalloxane polymers, or may contain two or more.

非発電領域は、発電に寄与しない領域であるので、MEAの耐久性を向上させるためには、オルガノメタロキサンポリマの導入量は、多いほどよい。非発電領域へのオルガノメタロキサンポリマの導入量は、オルガノメタロキサンモノマによるイオン交換率に換算して、1%以上が好ましく、さらに好ましくは、50%以上、さらに好ましくは、90%以上である。   Since the non-power generation region is a region that does not contribute to power generation, in order to improve the durability of MEA, it is better that the amount of organometalloxane polymer introduced is larger. The amount of the organometalloxane polymer introduced into the non-power generation region is preferably 1% or more, more preferably 50% or more, and still more preferably 90% or more in terms of the ion exchange rate with the organometalloxane monomer. .

第1の方法(イオン交換による強化法)及び第2の方法(オルガノメタロキサンポリマの導入による強化法)は、それぞれ、単独で用いても良く、あるいは、組み合わせて用いても良い。また、第1の方法及び第2の方法を組み合わせて用いる場合、各種カチオン及びオルガノメタロキサンモノマによるイオン交換率の合計が上述した範囲となるように、これらを非発電領域に導入するのが好ましい。   The first method (strengthening method by ion exchange) and the second method (strengthening method by introduction of organometalloxane polymer) may be used alone or in combination. Further, when the first method and the second method are used in combination, it is preferable to introduce them into the non-power generation region so that the total ion exchange rate by various cations and organometalloxane monomers is in the above-described range. .

本実施の形態において、非発電領域のみが上述した第1の方法及び/又は第2の方法で強化されていても良い。あるいは、非発電領域に加えて、発電領域の全部、又は、発電領域の一部であって、非発電領域に隣接する領域が強化されていても良い。特に、非発電領域に隣接する領域を強化すると、製造工程上の誤差によって片面触媒領域が形成された場合であっても、確実に劣化を抑制することができる。
但し、発電領域内を強化する場合において、イオン交換率が高くなるほど、及び/又は、発電領域内の強化される領域の面積が大きくなるほど、化学的耐性及び機械的特性は高くなるが、発電性能は低下する傾向がある。従って、発電領域の全体を強化する場合には、発電領域内のイオン交換率を非発電領域より小さくするのが好ましい。また、発電領域内の一部であって、非発電領域に隣接する領域を、非発電領域とほぼ同等のイオン交換率で強化する場合には、強化する領域の面積は、発電領域の面積の50%以下が好ましい。
なお、各種カチオン、オルガノメタロキサンポリマ、オルガノメタロキサンモノマ及びシロキサンモノマに関するその他の点、並びに、固体高分子電解質膜及び電極に関するその他の点等については、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
In the present embodiment, only the non-power generation region may be strengthened by the first method and / or the second method described above. Alternatively, in addition to the non-power generation region, the entire power generation region or a part of the power generation region and adjacent to the non-power generation region may be strengthened. In particular, when the region adjacent to the non-power generation region is strengthened, deterioration can be reliably suppressed even when the single-sided catalyst region is formed due to an error in the manufacturing process.
However, when strengthening the power generation region, the higher the ion exchange rate and / or the larger the area of the region to be strengthened in the power generation region, the higher the chemical resistance and mechanical properties, but the power generation performance. Tend to decline. Therefore, when strengthening the whole power generation region, it is preferable to make the ion exchange rate in the power generation region smaller than that in the non-power generation region. In addition, when an area that is a part of the power generation area and is adjacent to the non-power generation area is strengthened at an ion exchange rate substantially equal to that of the non-power generation area, 50% or less is preferable.
The other points related to various cations, organometalloxane polymers, organometalloxane monomers, and siloxane monomers, and other points related to the solid polymer electrolyte membrane and the electrodes are the same as in the first embodiment. Description is omitted.

次に、本発明の第3の実施の形態に係るMEAについて説明する。本実施の形態に係るMEAは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に接合された触媒層を含む電極とを備えている。また、本実施の形態において、固体高分子電解質膜は、少なくとも帯状領域が特定の方法によって補強されている。   Next, an MEA according to a third embodiment of the present invention will be described. The MEA according to the present embodiment includes a solid polymer electrolyte membrane and an electrode including a catalyst layer bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. In the present embodiment, at least the belt-like region of the solid polymer electrolyte membrane is reinforced by a specific method.

ここで、「帯状領域が強化されている」とは、帯状領域の全面に渡って、膜の表層及び/又は内部が強化されていることをいう。MEAの耐久性を向上させるためには、帯状領域の全面に渡って、少なくとも膜の表層が強化されていることが好ましい。また、MEAの耐久性を大幅に向上させるためには、帯状領域の全面に渡って、膜の表層及び内部が強化されているのが好ましい。膜の表層及び内部を強化する場合、両者の強化の程度は、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
また、「帯状領域」とは、固体高分子電解質膜の中間部であって、触媒層の外周部をその内部に含む領域をいう。
Here, “the band-shaped region is strengthened” means that the surface layer and / or the inside of the film is strengthened over the entire surface of the band-shaped region. In order to improve the durability of the MEA, it is preferable that at least the surface layer of the film is reinforced over the entire surface of the belt-shaped region. Further, in order to greatly improve the durability of the MEA, it is preferable that the surface layer and the inside of the film are reinforced over the entire surface of the band-shaped region. When the surface layer and the inside of the film are strengthened, the degree of strengthening of both may be the same or different.
Further, the “strip-shaped region” refers to a region that is an intermediate portion of the solid polymer electrolyte membrane and includes the outer peripheral portion of the catalyst layer therein.

図2に、本実施の形態に係るMEAの概略構成図を示す。図2において、MEA20は、固体高分子電解質膜22と、その両面に接合された触媒層24a、24bとを備えている。触媒層24a、24bは、通常、同一の大きさを有している。また、触媒層24a、24bは、通常、固体高分子電解質膜22のほぼ中央部に、かつ、固体高分子電解質膜22に対して対称に接合される。
しかしながら、製造工程上の誤差によって触媒層24a、24bの大きさがばらついたり、あるいは、触媒層24a、24bの接合位置がずれると、上述したように、固体高分子電解質膜22上に発電領域と、片面触媒領域が形成される。「帯状領域」とは、一対の触媒層24a、24bの外周部をその内部に含み、かつ所定の幅を有する枠状の領域をいう。また、製造工程上の誤差によって片面触媒領域が形成された場合には、「帯状領域」とは、この片面触媒領域をその内部に含む領域をいう。
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of the MEA according to the present embodiment. In FIG. 2, the MEA 20 includes a solid polymer electrolyte membrane 22 and catalyst layers 24a and 24b bonded to both surfaces thereof. The catalyst layers 24a and 24b usually have the same size. In addition, the catalyst layers 24 a and 24 b are usually joined to substantially the center of the solid polymer electrolyte membrane 22 and symmetrically with respect to the solid polymer electrolyte membrane 22.
However, if the size of the catalyst layers 24a and 24b varies due to an error in the manufacturing process or the joining position of the catalyst layers 24a and 24b is shifted, as described above, the power generation region is formed on the solid polymer electrolyte membrane 22. A single-sided catalyst region is formed. The “band-like region” refers to a frame-like region that includes the outer peripheral portions of the pair of catalyst layers 24a and 24b and has a predetermined width. Further, when the single-sided catalyst region is formed due to an error in the manufacturing process, the “band-like region” refers to a region including the single-sided catalyst region therein.

帯状領域は、製造工程上の誤差によって片面触媒領域が形成された場合であっても、片面触媒領域がその内部に収まる程度の幅を有している必要がある。そのためには、帯状領域の幅は、少なくとも、その外周の幅が触媒層24a、24bの幅より広く、かつ、その内周の幅が触媒層24a、24bの幅より狭くなっている必要がある。最適な帯状領域の幅は、製造工程上の誤差により定まる。一般に、帯状領域の幅が広くなるほど、触媒層24a、24bの寸法精度、及び/又は、触媒層24a、24bの接合位置の精度が低い場合であっても、片面触媒領域を確実に帯状領域内に納めることができる。
一方、MEAの発電性能は、発電領域の面積にほぼ比例する。そのため、帯状領域の幅が必要以上に広くなると、イオン交換率によっては、発電性能の低下を招く場合がある。従って、帯状領域は、その内周によって囲まれる領域の面積が触媒層の面積の0.5倍以上が好ましい。換言すれば、帯状領域の内周の幅は、触媒層の外周の幅の0.7倍以上が好ましい。また、膜の劣化を確実に抑制するためには、帯状領域は、その内周によって囲まれる領域の面積が発電領域の面積以下が好ましい。
帯状領域の外周の幅は、特に限定されるものではないが、同一寸法を有する触媒層24a、24bの接合位置がずれると、発電領域の幅が減少すると同時に、減少した発電領域の幅と同一の幅を有する片面触媒領域が発電領域の左右に形成される。従って、帯状領域の外周の幅は、少なくとも発電領域の幅と左右の片面触媒領域の幅とを加え合わせた幅以上が好ましい。
Even when the single-sided catalyst region is formed due to an error in the manufacturing process, the belt-like region needs to have a width that allows the single-sided catalyst region to be contained therein. For this purpose, at least the width of the belt-shaped region needs to be wider at the outer periphery than the catalyst layers 24a and 24b, and the inner periphery must be narrower than the catalyst layers 24a and 24b. . The optimum width of the belt-like region is determined by an error in the manufacturing process. In general, the wider the width of the band-like region, the more reliable the single-sided catalyst region within the band-like region even when the dimensional accuracy of the catalyst layers 24a, 24b and / or the accuracy of the joining position of the catalyst layers 24a, 24b is low. Can be paid.
On the other hand, the power generation performance of the MEA is substantially proportional to the area of the power generation region. Therefore, if the width of the band-like region becomes wider than necessary, the power generation performance may be reduced depending on the ion exchange rate. Therefore, the area of the region surrounded by the inner periphery of the belt-like region is preferably 0.5 times or more the area of the catalyst layer. In other words, the width of the inner periphery of the belt-like region is preferably 0.7 times or more the width of the outer periphery of the catalyst layer. Further, in order to surely suppress the deterioration of the film, it is preferable that the area of the band-shaped region surrounded by the inner periphery is equal to or less than the area of the power generation region.
The width of the outer periphery of the belt-shaped region is not particularly limited, but when the joining positions of the catalyst layers 24a and 24b having the same dimensions are shifted, the width of the power generation region is reduced and at the same time the width of the reduced power generation region is the same. Are formed on the left and right sides of the power generation region. Therefore, the width of the outer periphery of the belt-like region is preferably at least the width obtained by adding at least the width of the power generation region and the widths of the left and right single-sided catalyst regions.

帯状領域を強化する方法としては、具体的には、以下のような方法がある。
第1の方法は、帯状領域に含まれるプロトンの全部又は一部を、カチオンでイオン交換する方法である。プロトンを交換するカチオンの種類は、特に限定されるものではないが、MEAの化学的耐性及び/又は機械的特性を向上させる作用が相対的に高いカチオンとしては、具体的には、(1)錯体カチオン、(2)4級アルキルアンモニウムカチオン、(3)高価数側カチオン、(4)その他のカチオン、がある。
特に、プロトンを交換するカチオンが、錯体カチオン、4級アルキルアンモニウムカチオン、及び、高価数側カチオンから選ばれる1以上である時には、MEAの化学的耐性及び機械的特性が著しく向上する。
As a method for strengthening the band-like region, specifically, there are the following methods.
The first method is a method in which all or a part of protons contained in the band-like region are ion-exchanged with cations. The type of cation for exchanging protons is not particularly limited. Specific examples of the cation having relatively high action to improve the chemical resistance and / or mechanical properties of MEA include (1) There are complex cations, (2) quaternary alkylammonium cations, (3) expensive cation cations, and (4) other cations.
In particular, when the cation exchanging protons is at least one selected from a complex cation, a quaternary alkylammonium cation, and an expensive cation, the chemical resistance and mechanical properties of MEA are significantly improved.

一般に、これらのカチオンによるイオン交換率が高くなるほど、高い化学的耐性及び機械的特性が得られるが、固体高分子電解質膜の電気伝導度は低下する。しかしながら、帯状領域は、発電にほとんど寄与しない領域であるので、イオン交換率は、高いほど良く、プロトンの全部が所定のカチオンでイオン交換されていても良い。
各種カチオンによるイオン交換率は、具体的には、1%以上が好ましく、さらに好ましくは、50%以上、さらに好ましくは、90%以上である。
In general, the higher the ion exchange rate by these cations, the higher the chemical resistance and mechanical properties, but the lower the electrical conductivity of the solid polymer electrolyte membrane. However, since the band-like region is a region that hardly contributes to power generation, the higher the ion exchange rate, the better. The entire proton may be ion-exchanged with a predetermined cation.
Specifically, the ion exchange rate by various cations is preferably 1% or more, more preferably 50% or more, and still more preferably 90% or more.

帯状領域を強化する第2の方法は、帯状領域に、オルガノメタロキサンモノマ(及び、必要に応じて他のメタロキサンモノマ)を含浸させ、加水分解・重縮合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマを導入する方法である。
オルガノメタロキサンポリマは、上述したオルガノメタロキサンモノマの内、いずれか1種を加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良く、あるいは、2種以上を加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良い。また、オルガノメタロキサンポリマは、1種又は2種以上のオルガノメタロキサンモノマと、1種又は2種以上のメタロキサンモノマとを加水分解・重縮合させることにより得られるものでも良い。
さらに、帯状領域には、これらのオルガノメタロキサンポリマのいずれか1種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
The second method for strengthening the band-like region is that an organometalloxane polymer obtained by impregnating the band-like region with an organometalloxane monomer (and other metalloxane monomer if necessary) and subjecting it to hydrolysis and polycondensation. It is a method to introduce.
The organometalloxane polymer may be obtained by hydrolysis / polycondensation of any one of the above-mentioned organometalloxane monomers, or may be obtained by hydrolysis / polycondensation of two or more. Things can be used. Further, the organometalloxane polymer may be obtained by hydrolyzing and polycondensing one or more types of organometalloxane monomers and one or more types of metalloxane monomers.
Furthermore, the belt-like region may contain any one of these organometalloxane polymers, or may contain two or more.

帯状領域は、発電にほとんど寄与しない領域であるので、MEAの耐久性を向上させるためには、オルガノメタロキサンポリマの導入量は、多いほどよい。帯状領域へのオルガノメタロキサンポリマの導入量は、オルガノメタロキサンモノマによるイオン交換率に換算して、1%以上が好ましく、さらに好ましくは、50%以上、さらに好ましくは、90%以上である。   Since the belt-like region is a region that hardly contributes to power generation, the larger the amount of organometalloxane polymer introduced, the better in order to improve the durability of MEA. The amount of the organometalloxane polymer introduced into the band-like region is preferably 1% or more, more preferably 50% or more, and still more preferably 90% or more in terms of the ion exchange rate by the organometalloxane monomer.

第1の方法(イオン交換による強化法)及び第2の方法(オルガノメタロキサンポリマの導入による強化法)は、それぞれ、単独で用いても良く、あるいは、組み合わせて用いても良い。また、第1の方法及び第2の方法を組み合わせて用いる場合、各種カチオン及びオルガノメタロキサンモノマによるイオン交換率の合計が上述した範囲となるように、これらを帯状領域に導入するのが好ましい。   The first method (strengthening method by ion exchange) and the second method (strengthening method by introduction of organometalloxane polymer) may be used alone or in combination. Moreover, when using it combining a 1st method and a 2nd method, it is preferable to introduce | transduce these to a strip | belt-shaped area | region so that the sum total of the ion exchange rate by various cations and organometalloxane monomers may become the range mentioned above.

本実施の形態において、帯状領域のみが上述した第1の方法及び/又は第2の方法で強化されていても良い。あるいは、帯状領域に加えて、帯状領域以外の発電領域が強化されていても良い。但し、発電領域内を強化する場合において、イオン交換率が高くなるほど、化学的耐性及び機械的特性は高くなるが、発電性能は低下する傾向がある。
従って、帯状領域以外の発電領域を強化する場合には、そのイオン交換率を帯状領域より小さくするのが好ましい。
なお、各種カチオン、オルガノメタロキサンポリマ、オルガノメタロキサンモノマ及びシロキサンモノマに関するその他の点、並びに、固体高分子電解質膜及び電極に関するその他等の点については、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
In the present embodiment, only the band-like region may be strengthened by the first method and / or the second method described above. Alternatively, in addition to the belt-like region, a power generation region other than the belt-like region may be strengthened. However, in strengthening the power generation region, the higher the ion exchange rate, the higher the chemical resistance and mechanical properties, but the power generation performance tends to decrease.
Therefore, when strengthening the power generation region other than the belt-like region, it is preferable to make the ion exchange rate smaller than that of the belt-like region.
Since other points regarding various cations, organometalloxane polymers, organometalloxane monomers, and siloxane monomers, and other points regarding the solid polymer electrolyte membrane and the electrodes are the same as those in the first embodiment. Description is omitted.

次に、本発明に係るMEAの製造方法について説明する。
プロトンの全部又は一部が所定のカチオンでイオン交換された固体高分子電解質膜は、以下のような方法により作製することができる。
第1の方法は、所定のカチオン(Mn+)を所定量含む溶液中に電解質膜を所定時間浸漬する方法である。電解質膜を溶液中に浸漬すると、電解質膜内におけるプロトン(H)に対するプロトン以外のカチオン(Mn+)の濃度比([Mn+]/[H])が、電解質膜外における濃度比とおよそ等しくなるか、あるいは、それより大きくなるまでカチオン(Mn+)が膜中に入る傾向がある。
従って、溶液中のカチオン(Mn+)の濃度比及び浸漬時間を最適化することによって、電解質膜内のカチオン(Mn+)の濃度比を任意に制御することができる。また、電解質膜を、液中のプロトンに対して過剰にカチオン(Mn+)を含む溶液に長時間浸漬すると、溶液中のほとんどのカチオン(Mn+)を電解質膜中のプロトンに置き換えることができる。また、溶液中のカチオン(Mn+)の量を、液中のプロトンに対して過剰にし、かつ、電解質膜の陽イオン交換基の量よりも多くすると、電解質膜中のほとんどのプロトンをカチオン(Mn+)に置き換えることができる。
さらに、溶液中への浸漬時間を最適化すると、膜の表面近傍のみをイオン交換したり、あるいは、膜内部までほぼ均一にイオン交換することができる。
Next, the MEA manufacturing method according to the present invention will be described.
A solid polymer electrolyte membrane in which all or a part of protons are ion-exchanged with a predetermined cation can be produced by the following method.
The first method is a method of immersing the electrolyte membrane in a solution containing a predetermined amount of a predetermined cation (M n + ) for a predetermined time. When the electrolyte membrane is immersed in the solution, the concentration ratio ([M n + ] / [H + ]) of the cation (M n + ) other than the proton to the proton (H + ) in the electrolyte membrane is the concentration ratio outside the electrolyte membrane. Cations (M n + ) tend to enter the membrane until they are approximately equal or larger.
Therefore, by optimizing the concentration ratio and the dipping time of the cations in the solution (M n +), it is possible to arbitrarily control the concentration ratio of cations in the electrolyte membrane (M n +). Further, when the electrolyte membrane is immersed in a solution containing cations (M n + ) excessively with respect to protons in the liquid for a long time, most of the cations (M n + ) in the solution can be replaced with protons in the electrolyte membrane. . Further, when the amount of the cation (M n + ) in the solution is excessive with respect to the proton in the solution and more than the amount of the cation exchange group in the electrolyte membrane, most of the protons in the electrolyte membrane are converted to the cation ( M n + ).
Furthermore, when the immersion time in the solution is optimized, only the vicinity of the surface of the membrane can be ion-exchanged, or ion exchange can be performed almost uniformly up to the inside of the membrane.

第2の方法は、所定のカチオン(Mn+)を所定量含む溶液を所定の形状を有する多孔質材料(例えば、ろ紙など)に含浸させ、この多孔質材料を電解質膜の全体又は特定部分に所定時間接触させる方法である。この方法は、電解質膜の全体をイオン交換する方法としても使用できるが、電解質膜の一部のみをイオン交換する方法、あるいは、発電領域と非発電領域又は帯状領域のイオン交換率を変える方法として特に好適である。
この場合も、溶液中のカチオン(Mn+)の濃度比及び接触時間を最適化することによって、電解質膜内のカチオン(Mn+)の濃度比を任意に制御することができる。また、多孔質材料との接触時間を最適化することによって、膜の表面近傍のみをイオン交換したり、あるいは、膜内部までほぼ均一にイオン交換することができる。
In the second method, a porous material (eg, filter paper) having a predetermined shape is impregnated with a solution containing a predetermined amount of a predetermined cation (M n + ), and this porous material is applied to the whole or a specific portion of the electrolyte membrane. This is a method of contacting for a predetermined time. This method can also be used as a method of ion exchange of the entire electrolyte membrane, but as a method of ion exchange of only a part of the electrolyte membrane, or a method of changing the ion exchange rate between the power generation region and the non-power generation region or the belt-like region. Particularly preferred.
Again, by optimizing the concentration ratio and contact time of cations in the solution (M n +), it is possible to arbitrarily control the concentration ratio of the cation (M n +) in the electrolyte membrane. Further, by optimizing the contact time with the porous material, only the vicinity of the surface of the membrane can be ion-exchanged, or ion exchange can be performed almost uniformly up to the inside of the membrane.

オルガノメタロキサンポリマを含有する固体高分子電解質膜は、以下のような方法により作製することができる。
第1の方法は、予め電解質膜に水を含ませておき、次いで、電解質膜をオルガノメタロキサンモノマ(及び、必要に応じて、メタロキサンモノマ)を含む溶液に接触させ、さらに電解質膜を加熱する方法である。
第2の方法は、予め電解質膜にオルガノメタロキサンモノマ(及び、必要に応じてメタロキサンモノマ)を含ませておき、次いで、電解質膜を水と接触させ、さらに、電解質膜を加熱する方法である。
第3の方法は、電解質膜を、水及びオルガノメタロキサンモノマ(及び、必要に応じて、メタロキサンモノマ)を含む溶液に接触させ、次いで、電解質膜を加熱する方法である。第3の方法は、オルガノメタロキサンモノマ(及び、メタロキサンモノマ)の脱水重縮合速度が相対的に遅い場合に有効な方法である。
A solid polymer electrolyte membrane containing an organometalloxane polymer can be produced by the following method.
In the first method, water is contained in the electrolyte membrane in advance, and then the electrolyte membrane is brought into contact with a solution containing an organometalloxane monomer (and, if necessary, a metalloxane monomer), and the electrolyte membrane is further heated. It is a method to do.
The second method is a method in which an organometalloxane monomer (and a metalloxane monomer if necessary) is included in the electrolyte membrane in advance, then the electrolyte membrane is brought into contact with water, and the electrolyte membrane is further heated. is there.
The third method is a method in which the electrolyte membrane is brought into contact with a solution containing water and an organometalloxane monomer (and, if necessary, a metalloxane monomer), and then the electrolyte membrane is heated. The third method is effective when the dehydration polycondensation rate of the organometalloxane monomer (and the metalloxane monomer) is relatively slow.

いずれの方法を用いる場合であっても、膜中に導入されたオルガノメタロキサンモノマ(及び、メタロキサンモノマ)は、水と接触することによって加水分解し、アルコキシ基が水酸基に入れ替わる。また、オルガノメタロキサンモノマが膜中に導入されると、その末端にあるアンモニウムカチオン又は4級アルキルアンモニウムカチオンと膜中のプロトンとがイオン交換する。さらにこの膜を加熱すると、水酸基が脱水縮合し、メタロキサン結合(M−O−M)が生成する。
その結果、電解質膜内部にオルガノメタロキサンポリマが形成される。また、オルガノメタロキサンポリマは、末端にあるアンモニウムカチオン又は4級アルキルアンモニウムカチオンを介して、膜中の陽イオン交換基とイオン結合する。
Regardless of which method is used, the organometalloxane monomer (and the metalloxane monomer) introduced into the membrane is hydrolyzed by contact with water, and the alkoxy group is replaced with a hydroxyl group. Further, when the organometalloxane monomer is introduced into the membrane, the ammonium cation or quaternary alkyl ammonium cation at the end thereof and the proton in the membrane undergo ion exchange. When this film is further heated, the hydroxyl group undergoes dehydration condensation, and a metalloxane bond (M 1 -O-M 2 ) is generated.
As a result, an organometalloxane polymer is formed inside the electrolyte membrane. The organometalloxane polymer is ionically bonded to the cation exchange group in the membrane via the terminal ammonium cation or quaternary alkyl ammonium cation.

電解質膜と水及び/又はオルガノメタロキサンモノマ(及び、必要に応じてメタロキサンモノマ)を含む溶液とを接触させる方法としては、具体的には、
(1) 膜全体を溶液中に所定時間浸漬する第1の方法、
(2) 溶液を所定の形状を有する多孔質材料(例えば、ろ紙など)に含浸させ、この多孔質材料を膜の全体又は特定部分に所定時間接触させる第2方法、
などがある。本発明においては、いずれの方法を用いても良い。特に、第2の方法は、電解質膜の一部にのみオルガノメタロキサンポリマを導入する方法、あるいは、発電領域と非発電領域又は帯状領域とのオルガノメタロキサンポリマ導入量を変える方法として特に好適である。
膜中へのオルガノメタロキサンポリマの導入量は、溶液中のオルガノメタロキサンモノマの濃度及びこの溶液との接触時間により任意に制御することができる。また、溶液との接触時間を最適化することによって、膜の表面近傍にのみオルガノメタロキサンポリマを導入したり、あるいは、膜内部までほぼ均一にオルガノメタロキサンポリマを導入することができる。
As a method of bringing the electrolyte membrane into contact with a solution containing water and / or an organometalloxane monomer (and a metalloxane monomer if necessary), specifically,
(1) a first method of immersing the entire membrane in a solution for a predetermined time;
(2) a second method in which a porous material (for example, filter paper) having a predetermined shape is impregnated with a solution, and the porous material is brought into contact with the entire membrane or a specific portion for a predetermined time;
and so on. Any method may be used in the present invention. In particular, the second method is particularly suitable as a method for introducing an organometalloxane polymer into only a part of the electrolyte membrane, or a method for changing the amount of the organometalloxane polymer introduced between the power generation region and the non-power generation region or the strip region. is there.
The amount of the organometalloxane polymer introduced into the film can be arbitrarily controlled by the concentration of the organometalloxane monomer in the solution and the contact time with this solution. Further, by optimizing the contact time with the solution, the organometalloxane polymer can be introduced only near the surface of the film, or the organometalloxane polymer can be introduced almost uniformly into the film.

なお、イオン交換及びオルガノメタロキサンポリマの導入は、いずれか一方のみを行っても良く、あるいは、双方を行っても良い。また、イオン交換及びオルガノメタロキサンポリマの導入の双方を行う場合には、いずれを先に行っても良い。   The ion exchange and the introduction of the organometalloxane polymer may be performed either alone or both. Moreover, when performing both ion exchange and introduction of an organometalloxane polymer, either may be performed first.

次に、イオン交換及び/又はオルガノメタロキサンポリマの導入が行われた電解質膜の両面に電極を接合する。電極を接合する方法としては、具体的には、
(1) 電解質膜の両面に、触媒層内電解質及び電極触媒を含むペースト(以下、これを「触媒ペースト」という)を塗布する第1の方法、
(2) 適当な基材(例えば、ポリテトラフルオロエチレンシート)表面に触媒ペーストを塗布し、これを電解質膜の両面に転写する第2の方法、
(3) 第1の方法又は第2の方法により、電解質膜の両面に触媒層を形成した後、その両面にさらに拡散層を接合する第3の方法、
(4) 拡散層の表面に触媒ペーストを塗布し、電解質膜の両面に触媒層を介して拡散層を接合する第4の方法、
などがある。
このようにして得られたMEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持して単電池とし、これを所定個数積層すれば、本発明に係る固体高分子型燃料電池が得られる。
Next, electrodes are bonded to both surfaces of the electrolyte membrane on which ion exchange and / or introduction of the organometalloxane polymer has been performed. As a method of joining the electrodes, specifically,
(1) a first method of applying a paste containing an electrolyte in a catalyst layer and an electrode catalyst (hereinafter referred to as “catalyst paste”) to both surfaces of an electrolyte membrane;
(2) a second method in which a catalyst paste is applied to the surface of an appropriate substrate (for example, a polytetrafluoroethylene sheet), and this is transferred to both surfaces of the electrolyte membrane;
(3) a third method in which a catalyst layer is formed on both surfaces of the electrolyte membrane by the first method or the second method, and then a diffusion layer is further bonded to both surfaces;
(4) a fourth method in which a catalyst paste is applied to the surface of the diffusion layer, and the diffusion layer is bonded to both surfaces of the electrolyte membrane via the catalyst layer;
and so on.
A solid polymer fuel cell according to the present invention can be obtained by sandwiching both surfaces of the MEA thus obtained with a separator having a gas flow path to form a unit cell and laminating a predetermined number thereof.

次に、本発明に係るMEA及びその製造方法、並びに、固体高分子型燃料電池の作用について説明する。
[1. イオン交換による弾性率の向上]
電解質膜中では、陽イオン交換基のアニオン(例えば、スルホン酸アニオン)とカチオンのイオンペアからなるマルチプレットが集まり、イオンのみからなる領域(イオン会合体)を形成しているといわれている。このイオン会合体の結合の強さは、カチオンとアニオンの静電引力で決まり、静電引力は、カチオン及びアニオンの半径、並びに、両者の半径の比に依存して変化すると考えられている。従って、カチオンの種類を変えることにより、イオン会合体の結合の強さ、ひいては膜の弾性率を変化させることができると考えられる。
Next, the operation of the MEA according to the present invention, the manufacturing method thereof, and the polymer electrolyte fuel cell will be described.
[1. Improving elastic modulus by ion exchange]
In the electrolyte membrane, it is said that multiples composed of cation-exchange group anions (for example, sulfonate anions) and cation ion pairs gather to form a region (ion aggregate) composed only of ions. The bond strength of the ion aggregate is determined by the electrostatic attractive force of the cation and the anion, and the electrostatic attractive force is considered to change depending on the radius of the cation and the anion and the ratio of the radii of both. Therefore, it is considered that by changing the kind of the cation, the strength of binding of the ion aggregate, and hence the elastic modulus of the membrane can be changed.

上述した各種カチオンの中でも、
(1)ヘキサアンミンコバルト(III)イオン等の錯体カチオン、
(2)Ce4+等の高価数側カチオン、及び、
(3)セシウムイオン(Cs)、カルシウムイオン(Ca2+)、ストロンチウムイオン(Sr2+)、バリウムイオン(Ba2+)、ジルコニルイオン(ZrO2+)、クロム(III)イオン(Cr3+)、セリウム(III)イオン(Ce3+
は、弾性率を向上させる効果が大きい。特に、錯体カチオンでイオン交換した場合の弾性率の増加率は、群を抜いている。
そのため、電解質膜のプロトンの一部をこれらのカチオンで置換すれば、電解質膜の弾性率が向上し、機械的ストレスに起因する膜の劣化を抑制することができる。また、この時、イオン交換率を最適化すれば、膜の電気伝導度を大きく低下させることなく、膜の弾性率を向上させることができる。
Among the various cations mentioned above,
(1) Complex cations such as hexaamminecobalt (III) ions,
(2) an expensive cation such as Ce 4+ and
(3) Cesium ion (Cs + ), calcium ion (Ca 2+ ), strontium ion (Sr 2+ ), barium ion (Ba 2+ ), zirconyl ion (ZrO 2+ ), chromium (III) ion (Cr 3+ ), cerium ( III) Ions (Ce 3+ )
Has a great effect of improving the elastic modulus. In particular, the rate of increase in elastic modulus when ion exchange is performed with a complex cation is outstanding.
Therefore, if a part of protons in the electrolyte membrane is replaced with these cations, the elastic modulus of the electrolyte membrane is improved, and deterioration of the membrane due to mechanical stress can be suppressed. At this time, if the ion exchange rate is optimized, the elastic modulus of the membrane can be improved without greatly reducing the electrical conductivity of the membrane.

[2. オルガノメタロキサンポリマの導入による弾性率の向上]
テトラエトキシシランなどのケイ酸エステルを電解質膜に含浸させ、電解質膜内部でケイ酸エステルの加水分解及び脱水重縮合を行わせると、膜内にシリカ(シロキサンポリマ)を導入することができる。膜内にシリカが導入されると、膜の強度は増大する。しかしながら、シリカは、膜中の陽イオン交換基とせいぜい水素結合により結びついているだけと考えられるので、シリカの導入による弾性率の増加率は、相対的に小さい。
これに対し、その末端にアンモニウムカチオン又は4級アルキルアンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンモノマを電解質膜に含浸させ、電解質膜内部でオルガノメタロキサンモノマの加水分解及び脱水重縮合を行わせると、単に膜内部にオルガノメタロキサンポリマが形成されるだけでなく、膜中の陽イオン交換基とポリマの末端にあるアンモニウムカチオン又は4級アルキルアンモニウムカチオンとがイオン結合により強固に結びつく。そのため、シリカを導入した場合に比べて、膜の弾性率が著しく向上すると考えられる。
[2. Improvement of elastic modulus by introduction of organometalloxane polymer]
When the electrolyte membrane is impregnated with a silicate ester such as tetraethoxysilane, and the hydrolysis and dehydration polycondensation of the silicate ester is performed inside the electrolyte membrane, silica (siloxane polymer) can be introduced into the membrane. When silica is introduced into the membrane, the strength of the membrane increases. However, since silica is considered to be bonded to the cation exchange group in the membrane only by hydrogen bonds at most, the rate of increase in elastic modulus due to the introduction of silica is relatively small.
On the other hand, when an electrolyte membrane is impregnated with an organometalloxane monomer having an ammonium cation or a quaternary alkylammonium cation at its end, and hydrolysis and dehydration polycondensation of the organometalloxane monomer is performed inside the electrolyte membrane, the membrane is simply Not only an organometalloxane polymer is formed inside, but also the cation exchange group in the membrane and the ammonium cation or quaternary alkylammonium cation at the end of the polymer are firmly bonded by ionic bond. Therefore, it is considered that the elastic modulus of the film is remarkably improved as compared with the case where silica is introduced.

[3. 化学的耐性の向上]
本発明に係る方法によりMEAの化学的耐性が向上する理由の詳細は、不明であるが、以下のような機構が考えられる。
第1の機構は、膜内に導入されたカチオン又はポリマが、ラジカル等による高分子への攻撃に対する犠牲剤として働き、自らが消耗することによって高分子の分解を抑制する、というものである。所定の方法で強化処理した膜についてフェントン試験を行うと、1回目の試験では重量減少がほとんど生じないのに対し、同一の膜に対してフェントン試験を繰り返すと、2回目以降の重量減少が増加する場合がある。これは、膜中に導入されたカチオン又はポリマがラジカルに対する犠牲剤として働いていることを示していると考えられる。このような現象を強く示すカチオン又はポリマとしては、
(1) テトラエチルアンモニウムカチオン又はそれ以上の嵩高さを持つ4級アルキルアンモニウムカチオン、
(2) その末端にアンモニウムカチオン又は4級アンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンポリマ、
などがある。
[3. Improved chemical resistance]
Although the details of the reason why the chemical resistance of MEA is improved by the method according to the present invention are not clear, the following mechanism is conceivable.
The first mechanism is that the cation or polymer introduced into the membrane acts as a sacrificial agent against attack on the polymer by radicals and the like, and suppresses decomposition of the polymer by its own consumption. When the Fenton test is performed on a film that has been reinforced by a predetermined method, there is almost no weight reduction in the first test, but when the Fenton test is repeated on the same film, the weight loss after the second time increases. There is a case. This is believed to indicate that the cation or polymer introduced into the membrane acts as a sacrificial agent for radicals. As a cation or polymer strongly showing such a phenomenon,
(1) Tetraethylammonium cation or a quaternary alkylammonium cation having a bulkiness higher than that,
(2) an organometalloxane polymer having an ammonium cation or a quaternary ammonium cation at its end;
and so on.

第2の機構は、膜中に導入されたカチオンが過酸化水素又は過酸化物ラジカルを不活性化させる触媒として働き、高分子の分解を抑制する、というものである。所定の方法で強化処理した膜についてフェントン試験を行うと、1回目の試験のみならず、同一の膜に対してフェントン試験を繰り返しても、重量減少がほとんど生じない場合がある。これは、
(a)カチオンが、ラジカルを生成させない仕方で過酸化水素を積極的に分解させる触媒として機能しているため、あるいは、
(b)カチオンが、ラジカルを捕捉する触媒として機能しているため、
と考えられる。
このような現象を強く示すカチオンとしては、
(1) ジルコニルイオン、アルミニウムイオン、クロム(III)イオン、セリウム(III)イオン、
(2) セリウム(IV)イオン等の高価数側カチオン、
(3) ヘキサアンミンコバルト(III)イオン等の錯体カチオン、
などがある。
The second mechanism is that the cation introduced into the membrane acts as a catalyst for inactivating hydrogen peroxide or peroxide radicals, and suppresses the decomposition of the polymer. When the Fenton test is performed on a film reinforced by a predetermined method, there is a case where the weight reduction hardly occurs even if the Fenton test is repeated on the same film as well as the first test. this is,
(A) the cation functions as a catalyst that actively decomposes hydrogen peroxide in a manner that does not generate radicals; or
(B) Since the cation functions as a catalyst for scavenging radicals,
it is conceivable that.
As a cation that strongly shows such a phenomenon,
(1) Zirconyl ion, aluminum ion, chromium (III) ion, cerium (III) ion,
(2) Expensive cations such as cerium (IV) ions,
(3) Complex cations such as hexaamminecobalt (III) ions,
and so on.

[4. 含水率の減少による化学的耐性及び機械的特性の向上]
水和エネルギは、カチオンが水に囲まれた時の安定性を示す尺度であり、水和エネルギが大きいことは、そのカチオンは水と結合しやすいことを意味する。電解質膜に含まれる一つのカチオン当たりの水和エネルギが小さくなるほど、電解質膜の含水率も小さくなると考えられる。
水和エネルギは、カチオンと水との間の静電引力と相関があり、カチオンの大きさが大きくなるほど水和エネルギは小さくなり、また、カチオンの価数が大きくなるほど、水和エネルギは大きくなると考えられる。但し、イオン交換率が同一である場合、カチオンの価数が2倍になると、電解質膜に導入されるカチオンの数が半分になり、また、カチオンの価数が3倍になると、電解質膜に導入されるカチオンの数が3分の1になる。すなわち、電解質膜全体の水和エネルギに及ぼす価数の影響は相殺され、電解質膜全体の水和エネルギは、主としてカチオンの大きさに依存すると考えられる。従って、考え得る最も小さいカチオンであるプロトンを、それよりも大きなカチオンで置き換えることにより、電解質膜全体の水和エネルギ、ひいては電解質膜の含水率を減少させることができる。
[4. Improved chemical resistance and mechanical properties due to reduced water content]
Hydration energy is a measure of stability when a cation is surrounded by water, and a large hydration energy means that the cation is likely to bind to water. It is considered that the moisture content of the electrolyte membrane decreases as the hydration energy per cation contained in the electrolyte membrane decreases.
Hydration energy correlates with the electrostatic attraction between the cation and water. The larger the cation size, the smaller the hydration energy, and the larger the cation valence, the greater the hydration energy. Conceivable. However, when the ion exchange rate is the same, when the cation valence is doubled, the number of cations introduced into the electrolyte membrane is halved, and when the cation valence is triple, The number of cations introduced is one third. That is, the influence of the valence on the hydration energy of the entire electrolyte membrane is offset, and the hydration energy of the entire electrolyte membrane is considered to depend mainly on the size of the cation. Therefore, by replacing the proton that is the smallest possible cation with a larger cation, the hydration energy of the entire electrolyte membrane, and hence the water content of the electrolyte membrane, can be reduced.

膜の含水率を著しく減少させる作用を有するカチオン又はポリマとしては、
(1) テトラプロピルアンモニウムカチオン、テトラブチルアンモニウムカチオン等の4級アルキルアンモニウムカチオン、
(2) ヘキサアンミンコバルト(III)カチオン等の錯体カチオン、
(3) その末端にアンモニウムカチオン又は4級アルキルアンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンポリマ、
(4) その末端にアンモニウムカチオン又は4級アルキルアンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンモノマと、疎水基を有するメタロキサンモノマとを加水分解・重縮合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマ、
などがある。
As a cation or polymer having the effect of significantly reducing the moisture content of the membrane,
(1) quaternary alkylammonium cations such as tetrapropylammonium cation and tetrabutylammonium cation,
(2) Complex cations such as hexaamminecobalt (III) cation,
(3) an organometalloxane polymer having an ammonium cation or a quaternary alkylammonium cation at its end;
(4) An organometalloxane polymer obtained by hydrolyzing and polycondensing an organometalloxane monomer having an ammonium cation or a quaternary alkylammonium cation at its end and a metalloxane monomer having a hydrophobic group,
and so on.

一般に、加湿雰囲気下においては、電解質膜の初期弾性率は著しく減少する。これは、加湿雰囲気下では、電解質膜中の分子間に水が入り込み、分子間のファンデルワールス力が弱まること、及び、イオン会合体の構造が壊れることが原因と考えられる。ここで、「初期弾性率」とは、歪み−応力曲線の原点を通る接線の傾きから求めた弾性率をいう。
これに対し、電解質膜の含水率を減少させると、加湿雰囲気下における初期弾性率の減少を緩和することができる。これは、電解質膜の含水率を減少させることによって、加湿雰囲気下でも乾燥状態における構造が維持されやすいためと考えられる。
さらに、電解質膜の含水率を減少させることによって、電解質膜の化学的耐性が向上する。これは、含水率を減少させることによって、高分子を攻撃する化学種が電解質膜全体に染み渡ることを抑制しているためと考えられる。
そのため、含水率を減少させる作用を有するカチオン又はポリマの含有量を最適化すれば、膜の電気伝導度を大きく低下させることなく、膜の化学的耐性及び機械的特性を向上させることができる。
In general, in a humidified atmosphere, the initial elastic modulus of the electrolyte membrane is significantly reduced. This is presumably because, under a humidified atmosphere, water enters between the molecules in the electrolyte membrane, the van der Waals force between the molecules is weakened, and the structure of the ion aggregate is broken. Here, the “initial elastic modulus” refers to an elastic modulus obtained from an inclination of a tangent line passing through the origin of the strain-stress curve.
On the other hand, when the moisture content of the electrolyte membrane is decreased, the decrease in the initial elastic modulus in a humidified atmosphere can be mitigated. This is presumably because the structure in the dry state is easily maintained even in a humidified atmosphere by reducing the water content of the electrolyte membrane.
Furthermore, the chemical resistance of the electrolyte membrane is improved by reducing the water content of the electrolyte membrane. This is presumably because chemical species attacking the polymer are prevented from spreading throughout the electrolyte membrane by reducing the water content.
Therefore, if the content of the cation or polymer having an action of reducing the water content is optimized, the chemical resistance and mechanical properties of the film can be improved without greatly reducing the electric conductivity of the film.

[5. 非発電領域の補強による耐久性の向上]
上述した各種カチオンによるイオン交換やオルガノメタロキサンポリマの導入は、膜の化学的耐性及び機械的特性を向上させる作用があるが、その反面、電解質膜の陽イオン交換基の数を減少させ、膜の電気伝導度を下げる作用がある。
一方、機械的要因及び化学的要因による電解質膜の劣化は、発電領域より非発電領域(特に、片面触媒領域)において著しい。また、非発電領域は、発電にほとんど寄与しない領域である。そのため、そこに含まれるプロトンのすべてを所定のカチオンでイオン交換し、あるいは、陽イオン交換基のすべてがアンモニウムカチオン又は4級アルキルアンモニウムカチオンとイオン結合するのに相当する量のオルガノメタロキサンポリマを導入しても、発電性能になんら悪影響を及ぼさない。むしろ、イオン交換率が高くなるほど、耐久性は向上する。
そのため、少なくとも非発電領域を補強することによって、発電性能を犠牲にすることなく、MEAの耐久性を大幅に向上させることができる。
[5. Improved durability by reinforcing non-power generation areas]
The above-described ion exchange with various cations and introduction of an organometalloxane polymer have the effect of improving the chemical resistance and mechanical properties of the membrane. On the other hand, the number of cation exchange groups in the electrolyte membrane is reduced, and the membrane It has the effect of lowering the electrical conductivity.
On the other hand, the deterioration of the electrolyte membrane due to mechanical and chemical factors is more significant in the non-power generation region (particularly the single-sided catalyst region) than in the power generation region. The non-power generation region is a region that hardly contributes to power generation. Therefore, all the protons contained therein are ion-exchanged with a predetermined cation, or an amount of an organometalloxane polymer corresponding to an ion-bonding of all cation exchange groups with an ammonium cation or a quaternary alkyl ammonium cation is formed. Even if installed, it will not have any adverse effect on power generation performance. Rather, durability increases as the ion exchange rate increases.
Therefore, by reinforcing at least the non-power generation region, the durability of the MEA can be significantly improved without sacrificing the power generation performance.

[6. 片面触媒領域を含む帯状領域の補強による耐久性の向上]
MEAを構成する電解質膜の劣化は、触媒層端部において顕著である。この劣化のメカニズムは、完全には明らかになっていないが、以下の要因が複合的に起きているためと推測している。
(1) 触媒層端部は、放電時の生成水により膨潤する領域と、それが起こらない領域との境界であるため、機械的ストレスが集中しやすいこと。
(2) MEAを作製する際に両極がわずかにずれると、触媒層端部に片面触媒領域が形成されるが、片面触媒領域は、他の領域に比べて化学的劣化が起こりやすいこと(なお、片面触媒領域において化学的劣化が顕著であることは、本願発明者らが初めて見出したものである)。
そのため、電解質膜の中央部であって、触媒層端部近傍の帯状領域を予め補強すれ、触媒層端部に生ずる機械的ストレスに起因する膜の劣化を抑制することができる。
また、製造工程上の誤差によって片面触媒領域が生じた場合であっても、帯状領域の幅を最適化することによって、片面触媒領域を帯状領域内に確実に納めることができる。そのため、片面触媒領域における化学的劣化を抑制することができる。
さらに、帯状領域の幅を最適化すると、帯状領域内のプロトンのすべてを所定のカチオンでイオン交換し、あるいは、陽イオン交換基のすべてがアンモニウムカチオン又は4級アルキルアンモニウムカチオンとイオン結合するのに相当する量のオルガノメタロキサンポリマを導入しても、MEAの発電性能への悪影響を最小限に抑えることができる。そのため、発電性能をほぼ同等に維持しながら、MEAの耐久性を大幅に向上させることができる。
[6. Improving durability by reinforcing band-like areas including single-sided catalyst areas]
The deterioration of the electrolyte membrane constituting the MEA is remarkable at the end of the catalyst layer. Although the mechanism of this deterioration is not completely clarified, it is assumed that the following factors occur in combination.
(1) The end of the catalyst layer is a boundary between a region swollen by generated water during discharge and a region where it does not occur, and mechanical stress is likely to concentrate.
(2) If both electrodes are slightly shifted during the production of MEA, a single-sided catalyst region is formed at the end of the catalyst layer, but the single-sided catalyst region is more susceptible to chemical degradation than other regions (note that The inventors of the present application have found that chemical deterioration is remarkable in the single-sided catalyst region).
Therefore, the band-like region in the central part of the electrolyte membrane and in the vicinity of the end portion of the catalyst layer can be reinforced in advance, and deterioration of the membrane due to mechanical stress generated at the end portion of the catalyst layer can be suppressed.
Further, even when a single-sided catalyst region is generated due to an error in the manufacturing process, the single-sided catalyst region can be reliably accommodated in the band-shaped region by optimizing the width of the band-shaped region. Therefore, chemical deterioration in the single-sided catalyst region can be suppressed.
Furthermore, when the width of the belt-like region is optimized, all the protons in the belt-like region are ion-exchanged with a predetermined cation, or all the cation exchange groups are ion-bonded with an ammonium cation or a quaternary alkyl ammonium cation. Even if a corresponding amount of the organometalloxane polymer is introduced, adverse effects on the power generation performance of the MEA can be minimized. Therefore, the durability of the MEA can be greatly improved while maintaining the power generation performance substantially equal.

(実施例1〜8)
8×8cmの電解質膜(ナフィオン(登録商標)112、約0.7g)を、種々のカチオンを含む水溶液に一晩以上浸漬した。なお、溶液の濃度は、いずれも、0.2M以上とし、溶液の量は、いずれも0.2Lとした。これは、過剰のカチオンを含む水溶液を用いて、膜中のすべてのスルホン酸基のプロトンをカチオンで交換したことに相当する。
(実施例9)
8×8cmの電解質膜(ナフィオン(登録商標)112、約0.7g)を、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−トリメチルアンモニウムクロリド((TMSiTMA)Cl)0.2Mメタノール溶液0.2Lに一晩浸漬した。得られた膜を蒸留水に10分浸漬した後、130℃で2時間真空乾燥した(Sol−Gel+イオン交換法)。なお、この処理は、イオン交換率100%に相当する。
(Examples 1-8)
An 8 × 8 cm electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 112, about 0.7 g) was immersed in an aqueous solution containing various cations overnight. Note that the concentration of each solution was 0.2 M or more, and the amount of the solution was 0.2 L in all cases. This corresponds to exchanging protons of all sulfonic acid groups in the membrane with cations using an aqueous solution containing excess cations.
Example 9
An 8 × 8 cm electrolyte membrane (Nafion® 112, approximately 0.7 g) was added to an N-trimethoxysilylpropyl-N, N, N-trimethylammonium chloride ((TMSiTMA) Cl) 0.2 M methanol solution. Soaked in 2 L overnight. The obtained membrane was immersed in distilled water for 10 minutes and then vacuum-dried at 130 ° C. for 2 hours (Sol-Gel + ion exchange method). This process corresponds to an ion exchange rate of 100%.

(比較例1)
8×8cmの電解質膜(ナフィオン(登録商標)112、約0.7g)を、67vol%メタノール水溶液に5時間浸漬した。次に、この膜を40vol%テトラエトキシシラン(TEOS)メタノール溶液に10分浸漬した後、130℃で2時間真空乾燥した(Sol−Gel法)。
(比較例2)
8×8cmの電解質膜(ナフィオン(登録商標)112、約0.7g)を、蒸留水に一晩以上浸漬したものをそのまま試験に供した。
(Comparative Example 1)
An 8 × 8 cm electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 112, approximately 0.7 g) was immersed in a 67 vol% methanol aqueous solution for 5 hours. Next, this film was immersed in a 40 vol% tetraethoxysilane (TEOS) methanol solution for 10 minutes and then vacuum-dried at 130 ° C. for 2 hours (Sol-Gel method).
(Comparative Example 2)
An 8 × 8 cm electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 112, approximately 0.7 g) immersed in distilled water for one night or longer was used for the test as it was.

実施例1〜9及び比較例1〜2で得られた膜について、初期弾性率、含水率、及び、フッ素イオン溶出速度を測定した。測定方法は、以下の通りである。
(1) 95℃水中での初期弾性率:
幅5mm、長さ20mmの電解質膜の断片を、95℃の水中で長さ方向に2mm/sの速度で伸ばし、歪み−応力曲線を測定した。この歪み−応力曲線を、原点を通る直線でフィッティングを行い、初期弾性率を求めた。
(2) 含水率:
電解質膜を切り出し、乾燥重量を測定した。次に、室温で蒸留水に10時間以上浸漬した後、余分な水分を拭き取り、再び重量を測定した。含水率は、重量変化を乾燥重量で除することにより求めた。
(3) フェントン試験中のフッ素イオン溶出速度:
10ppmのFe2+を溶解させた100℃の1wt%過酸化水素水溶液中で膜を8時間保持した後、F選択性電極により溶液中のFの濃度を測定した。得られたF濃度から、電解質膜の単位面積・単位時間当たりのF溶出速度を求めた。
表1に、その結果を示す。
About the film | membrane obtained in Examples 1-9 and Comparative Examples 1-2, the initial stage elasticity modulus, the moisture content, and the fluorine ion elution rate were measured. The measuring method is as follows.
(1) Initial elastic modulus in 95 ° C water:
A piece of electrolyte membrane having a width of 5 mm and a length of 20 mm was stretched in a length direction at a rate of 2 mm / s in 95 ° C. water, and a strain-stress curve was measured. The strain-stress curve was fitted with a straight line passing through the origin to determine the initial elastic modulus.
(2) Moisture content:
The electrolyte membrane was cut out and the dry weight was measured. Next, after being immersed in distilled water for 10 hours or more at room temperature, excess water was wiped off and the weight was measured again. The water content was determined by dividing the change in weight by the dry weight.
(3) Fluorine ion elution rate during Fenton test:
After holding the membrane in a 1 wt% aqueous hydrogen peroxide solution at 100 ° C. in which 10 ppm of Fe 2+ was dissolved, the concentration of F − in the solution was measured with an F selective electrode. From the obtained F concentration, the F elution rate per unit area / unit time of the electrolyte membrane was determined.
Table 1 shows the results.

Figure 2010212247
Figure 2010212247

表1より、
(1) 初期弾性率は、テトラプロピルアンモニウムカチオン(実施例5)及びTEOS(比較例1)で処理した場合を除き、いずれも水で処理した比較例2より向上する、
(2) Ce4+カチオン(実施例4)で処理すると、Ce3+カチオン(実施例3)で処理した場合に比べて、初期弾性率が向上する、
(3) ヘキサアンミンコバルト(III)カチオン(実施例1)で処理すると、初期弾性率が格段に向上する、
(4) (TMSiTMA)Cl(実施例9)で処理すると、TEOS(比較例1)で処理した場合に比べて、初期弾性率が格段に向上する、
ことがわかる。
高価数側カチオン又は錯体カチオンで処理することによって初期弾性率が格段に向上するのは、カチオンの大きさ及びアニオンとの半径比が最適化され、イオン会合体の強度が向上したためと考えられる。また、(TMSiTMA)Clで処理することによって初期弾性率が格段に向上するのは、その末端にある4級アルキルアンモニウムカチオンが膜中の陽イオン交換基とイオン結合するためと考えられる。
From Table 1,
(1) The initial elastic modulus is improved over Comparative Example 2 treated with water, except when treated with tetrapropylammonium cation (Example 5) and TEOS (Comparative Example 1).
(2) When treated with Ce 4+ cation (Example 4), the initial elastic modulus is improved as compared with the case of treatment with Ce 3+ cation (Example 3).
(3) When treated with hexaamminecobalt (III) cation (Example 1), the initial elastic modulus is remarkably improved.
(4) When treated with (TMSiTMA) Cl (Example 9), the initial elastic modulus is remarkably improved as compared with the case treated with TEOS (Comparative Example 1).
I understand that.
The reason why the initial elastic modulus is remarkably improved by treatment with the expensive cation or complex cation is considered to be because the size of the cation and the radius ratio with the anion are optimized and the strength of the ion aggregate is improved. In addition, it is considered that the initial elastic modulus is remarkably improved by treating with (TMSiTMA) Cl because the quaternary alkylammonium cation at the terminal is ionically bonded to the cation exchange group in the membrane.

また、表1より、
(1) ヘキサアンミンコバルト(III)カチオン(実施例1)又はテトラプロピルアンモニウムカチオン(実施例5)で処理すると、他のカチオンで処理した場合に比べて膜の含水率が著しく減少する、
(2) (TMSiTMA)Cl(実施例9)で処理すると、TEOS(比較例1)で処理した場合に比べて膜の含水率が著しく減少する、
ことがわかる。
特定のカチオン又は(TMSiTMA)Clで処理することによって含水率が著しく減少するのは、膜全体の水和エネルギが小さくなったためと考えられる。
From Table 1,
(1) When treated with hexaamminecobalt (III) cation (Example 1) or tetrapropylammonium cation (Example 5), the water content of the membrane is significantly reduced compared to treatment with other cations.
(2) When treated with (TMSiTMA) Cl (Example 9), the moisture content of the membrane is significantly reduced compared to when treated with TEOS (Comparative Example 1).
I understand that.
The reason why the water content is remarkably reduced by the treatment with a specific cation or (TMSiTMA) Cl is considered to be because the hydration energy of the entire membrane is reduced.

さらに、表1より、
(1) F溶出速度は、Naカチオン(実施例6)、Mg2+カチオン(実施例7)、及びTEOS(比較例1)で処理した場合を除き、いずれも水で処理した比較例2より向上する、
(2) Ce4+カチオン(実施例4)で処理すると、Ce3+カチオン(実施例3)で処理した場合に比べて、F溶出速度が低下する、
(3) 特に、ヘキサアンミンコバルト(III)カチオン(実施例1)、Ce3+カチオン(実施例3)又はCe4+カチオン(実施例4)で処理すると、F溶出速度が格段に低下する、
(4) テトラプロピルアンモニウムカチオン(実施例5)又は(TMSiTMA)Cl(実施例9)で処理すると、比較例2に比べてF溶出速度が大きく低下する、
ことがわかる。
特定のカチオン又は(TMSiTMA)Clで処理することによってF溶出速度が大きく低下したのは、特定のカチオンが過酸化水素若しくはそのラジカルを不活性化させているため、特定のカチオンがラジカルに対する犠牲剤として作用するため、又は、含水率が低下することによって膜中へのラジカルの侵入が抑制されるため、と考えられる。
Furthermore, from Table 1,
(1) F - dissolution rate, Na + cation (Example 6), Mg 2+ cations (Example 7), and TEOS unless treated with (Comparative Example 1), compared both treated with water Example 2 To improve,
(2) When treated with Ce 4+ cation (Example 4), the F - elution rate is lower than when treated with Ce 3+ cation (Example 3).
(3) In particular, when treated with hexaamminecobalt (III) cation (Example 1), Ce 3+ cation (Example 3) or Ce 4+ cation (Example 4), the F elution rate is significantly reduced.
(4) When treated with tetrapropylammonium cation (Example 5) or (TMSiTMA) Cl (Example 9), the F - elution rate is greatly reduced as compared with Comparative Example 2.
I understand that.
The F - elution rate was greatly reduced by treatment with a specific cation or (TMSiTMA) Cl because the specific cation inactivates hydrogen peroxide or its radical, and the specific cation was sacrificed for the radical. This is considered to be because it acts as an agent, or because the penetration of radicals into the film is suppressed due to a decrease in water content.

(実施例10、11)
プロトンをイオン交換するための試薬として、[Pt(NH)]Cl(実施例10)、又は、[Ru(NH)]Cl(実施例11)を用いた以外は、実施例1〜8と同一の手順に従い、イオン交換処理を行った。得られた膜について、実施例1〜8と同一条件下で初期弾性率を測定した。表2に、その結果を示す。表1及び表2より、錯体カチオンは、他のカチオンに比べて、初期弾性率を著しく向上させる効果があることがわかる。
(Examples 10 and 11)
Implementation was performed except that [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 (Example 10) or [Ru (NH 3 ) 6 ] Cl 3 (Example 11) was used as a reagent for ion exchange of protons. The ion exchange process was performed according to the same procedure as Examples 1-8. About the obtained film | membrane, the initial stage elasticity modulus was measured on the same conditions as Examples 1-8. Table 2 shows the results. From Table 1 and Table 2, it can be seen that the complex cation has an effect of significantly improving the initial elastic modulus as compared with other cations.

Figure 2010212247
Figure 2010212247

(実施例12)
6×6cmの電解質膜(ナフィオン(登録商標)112)を用意し、この電解質膜中のスルホン酸基の1/30の量のヘキサアンミンコバルトカチオンを含むヘキサアンミンコバルト(III)クロリド([Co(NH)]Cl)の水溶液に10時間以上浸漬した。溶液中のヘキサアンミンコバルトイオンがすべてスルホン酸基のプロトンと入れ替わるとすると、電解質膜全域で10%のプロトンをヘキサアンミンコバルトイオンでイオン交換することに相当する。実際に、処理後の電解質膜中のプロトン量を測定したところ、イオン交換率は9.9%であった。次に、3×3cmの正方形の触媒層を電解質膜の両面にホットプレスし、MEAを作製した。なお、アノードとカソードの位置は、図1に示すように、意図的にずらした。ずらし幅は、x方向に1mm、y方向に1mmとした。また、ホットプレスは、120℃にて50kgf/cm(4.9MPa)の荷重で6分間保持することにより行った。
(実施例13、14)
膜を処理する溶液として、電解質膜全域で10%のプロトンをイオン交換できる濃度の硫酸セリウム(IV)(Ce(SO))水溶液(実施例13)、又は、テトラ−n−プロピルアンモニウム−ヒドロキシド([CHCHCH)N]OH)水溶液(実施例14)を用いた以外は、実施例12と同一の手順に従い、MEAを作製した。
(実施例15)
6×6cmの電解質膜(ナフィオン(登録商標)112)を、電解質膜全域で10%のプロトンをイオン交換できる濃度の(TMSiTMA)Clのメタノール溶液(濃度50wt%)に一晩以上浸漬した。次に、蒸留水に10分浸漬した後、130℃で2時間真空乾燥した。以下、実施例12と同一の手順に従い、MEAを作製した。
Example 12
A 6 × 6 cm electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 112) was prepared, and hexaamminecobalt (III) chloride ([Co ( It was immersed in an aqueous solution of NH 3 ) 6 ] Cl 3 ) for 10 hours or more. If all hexaamminecobalt ions in the solution are replaced with protons of the sulfonic acid group, this corresponds to ion exchange of 10% of the protons with hexaamminecobalt ions throughout the electrolyte membrane. Actually, when the amount of protons in the treated electrolyte membrane was measured, the ion exchange rate was 9.9%. Next, a 3 × 3 cm square catalyst layer was hot-pressed on both surfaces of the electrolyte membrane to produce an MEA. The positions of the anode and the cathode were intentionally shifted as shown in FIG. The shifting width was 1 mm in the x direction and 1 mm in the y direction. Moreover, the hot press was performed by hold | maintaining for 6 minutes at a load of 50 kgf / cm < 2 > (4.9 MPa) at 120 degreeC.
(Examples 13 and 14)
As a solution for treating the membrane, an aqueous solution of cerium (IV) sulfate (Ce (SO 4 ) 2 ) having a concentration capable of ion-exchange of 10% protons in the entire electrolyte membrane (Example 13), or tetra-n-propylammonium- An MEA was produced according to the same procedure as in Example 12, except that an aqueous solution of hydroxide ([CH 3 CH 2 CH 2 ) 4 N] OH) (Example 14) was used.
(Example 15)
A 6 × 6 cm electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 112) was immersed in a methanol solution (concentration 50 wt%) of (TMSiTMA) Cl having a concentration capable of ion-exchange of 10% protons over the entire electrolyte membrane overnight. Next, after being immersed in distilled water for 10 minutes, it was vacuum-dried at 130 ° C. for 2 hours. Hereafter, MEA was produced according to the same procedure as Example 12.

(比較例1)
膜を処理する溶液として、蒸留水を用いた以外は、実施例12と同一の手順に従い、MEAを作製した。
(参考例1、2)
膜を処理する溶液として、電解質膜全域で10%のプロトンをイオン交換できる濃度の硝酸マグネシウム(Mg(NO))水溶液(参考例1)、又は、硫酸セリウム(III)(Ce(SO))水溶液(参考例2)を用いた以外は、実施例1と同一の手順に従い、MEAを作製した。
(Comparative Example 1)
An MEA was produced according to the same procedure as in Example 12 except that distilled water was used as a solution for treating the membrane.
(Reference Examples 1 and 2)
As a solution for treating the membrane, an aqueous magnesium nitrate (Mg (NO 3 ) 2 ) solution (Reference Example 1) having a concentration capable of ion-exchange of 10% protons in the entire electrolyte membrane, or cerium (III) sulfate (Ce 2 (SO 2 4 ) 3 ) MEA was produced in accordance with the same procedure as Example 1 except having used aqueous solution (reference example 2).

(実施例16)
6×6cmの正方形のろ紙に、3×3cmの正方形の穴を開け、6×6cmの電解質膜(ナフィオン(登録商標)112)の一方の側からかぶせた。次に、ろ紙に2mLのヘキサアンミンコバルト(III)クロリド([Co(NH)]Cl)の0.1M水溶液を含ませた後、電解質膜とろ紙とが十分に密着するように重りを乗せ、10時間以上放置した。さらに、3×3cmの正方形のカソード用触媒シートと、ろ紙の正方形の穴とが正確に合うように位置決めし、ホットプレスにより電極触媒を転写した。ホットプレスは、120℃にて50kg/cm(4.9MPa)の荷重で6分間保持することにより行った。
次に、電解質膜のもう一方の側において、同じように強化処理及びアノード用触媒層の転写を行った。
なお、アノードとカソードの位置は、図1に示すように、意図的にずらした。ずらし幅は、x方向に1mm、y方向に1mmとした。また、非発電領域のイオン交換率は、100%であった。
(Example 16)
A 6 × 6 cm square filter paper was punched with a 3 × 3 cm square hole and covered with a 6 × 6 cm electrolyte membrane (Nafion® 112) from one side. Next, 2 mL of hexaamminecobalt (III) chloride ([Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 ) in 0.1 M aqueous solution is added to the filter paper, and then the weight is applied so that the electrolyte membrane and the filter paper are in close contact with each other. And left for more than 10 hours. Further, the cathode catalyst sheet having a square shape of 3 × 3 cm and the square hole of the filter paper were positioned accurately, and the electrode catalyst was transferred by hot pressing. Hot pressing was performed by holding for 6 minutes at 120 ° C. with a load of 50 kg / cm 2 (4.9 MPa).
Next, the reinforcing treatment and the transfer of the anode catalyst layer were performed in the same manner on the other side of the electrolyte membrane.
The positions of the anode and the cathode were intentionally shifted as shown in FIG. The shifting width was 1 mm in the x direction and 1 mm in the y direction. Further, the ion exchange rate in the non-power generation region was 100%.

(実施例17)
3.7×3.7cmの正方形のろ紙に、2.3×2.3cmの正方形の穴を開け、6×6cmの電解質膜(ナフィオン(登録商標)112)の一方の側からかぶせた。次に、ろ紙に2mLのヘキサアンミンコバルト(III)クロリド([Co(NH)]Cl)の0.1M水溶液を含ませた後、電解質膜とろ紙とが十分に密着するように重りを乗せ、10時間以上放置した。また、もう一方の側にも、同じ位置に強化処理を行った。
次に、3×3cmの正方形の触媒層を、片面触媒領域が強化処理を施した帯状領域の中心付近に収まるようにホットプレスした(図2参照)。ホットプレスは、120℃にて50kgf/cm(4.9MPa)の荷重で6分間保持することにより行った。
なお、アノードとカソードの位置は、図2に示すように、意図的にずらした。ずらし幅は、x方向に1mm、y方向に1mmとした。また、帯状領域のイオン交換率は、100%であった。
(Example 17)
A 2.3 × 2.3 cm square hole was formed in a 3.7 × 3.7 cm square filter paper and covered with a 6 × 6 cm electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 112) from one side. Next, 2 mL of hexaamminecobalt (III) chloride ([Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 ) in 0.1 M aqueous solution is added to the filter paper, and then the weight is applied so that the electrolyte membrane and the filter paper are in close contact with each other. And left for more than 10 hours. Moreover, the reinforcement | strengthening process was performed in the same position also on the other side.
Next, a 3 × 3 cm square catalyst layer was hot-pressed so that the single-sided catalyst region was in the vicinity of the center of the band-shaped region subjected to the strengthening treatment (see FIG. 2). Hot pressing was performed by holding at 120 ° C. with a load of 50 kgf / cm 2 (4.9 MPa) for 6 minutes.
The positions of the anode and the cathode were intentionally shifted as shown in FIG. The shifting width was 1 mm in the x direction and 1 mm in the y direction. Further, the ion exchange rate in the band-like region was 100%.

実施例12〜16、比較例1、及び、参考例1〜2で得られたMEAについて、以下の手順により耐久試験を行った。
まず、触媒層の外周が拡散層の外周の内側に位置するように、3.6×3.6cmの拡散層でMEA(電解質膜−触媒層接合体)を挟持した。さらに、拡散層を含むMEAの両面を3.6×3.6cmの集電体により挟持し、この集電体に820Nの荷重を加えた。その後、セル温度を90℃まで上げ、アノード側に加湿度20%の水素を、カソード側に加湿度33%の酸素を、それぞれ、0.1L/minの流量で流した。
この状態で、(1)開回路状態で3分間保持すること、及び、(2)電流値を0.1A/cmに制御した状態で1分間保持すること、を交互に繰り返した。耐久試験中に、カソード側の排ガス中の水素濃度(ガスのクロスリーク量に相当)を測定し、500ppmを超えた時点で試験を終了した。表3に、耐久時間(水素濃度が500ppmを超えた時間)を示す。
Durability tests were performed on the MEAs obtained in Examples 12 to 16, Comparative Example 1 and Reference Examples 1 and 2 according to the following procedure.
First, MEA (electrolyte membrane-catalyst layer assembly) was sandwiched between 3.6 × 3.6 cm diffusion layers so that the outer periphery of the catalyst layer was positioned inside the outer periphery of the diffusion layer. Further, both sides of the MEA including the diffusion layer were sandwiched between current collectors of 3.6 × 3.6 cm, and a load of 820 N was applied to the current collector. Thereafter, the cell temperature was raised to 90 ° C., 20% humidified hydrogen was supplied to the anode side, and 33% humidified oxygen was supplied to the cathode side at a flow rate of 0.1 L / min.
In this state, (1) holding in an open circuit state for 3 minutes and (2) holding for 1 minute in a state where the current value was controlled to 0.1 A / cm were alternately repeated. During the durability test, the hydrogen concentration in the exhaust gas on the cathode side (corresponding to the amount of cross-leakage of gas) was measured, and the test was terminated when it exceeded 500 ppm. Table 3 shows the durability time (time when the hydrogen concentration exceeded 500 ppm).

Figure 2010212247
Figure 2010212247

表3より、
(1) 実施例12〜17及び参考例1〜2のMEAは、いずれも、無処理の比較例1に比べて、耐久性が向上する、
(2) 実施例12〜15のMEAは、イオン交換率がわずか10%であっても、耐久性が比較例1の約1.5倍以上に向上する、
(3) Ce4+(高価数側カチオン)でイオン交換したMEA(実施例13)は、Ce3+でイオン交換したMEA(参考例2)に比べて耐久性が向上する、
(4) 特に、ヘキサアンミンコバルト(III)カチオン(実施例12)は、MEAの耐久性を向上させる効果が大きい、
ことがわかる。
弾性率を向上させる効果がほとんど無いテトラプロピルアンモニウムカチオンでイオン交換したMEA(実施例14)であっても、耐久性が向上しているのは、イオン交換によって含水率が小さくなり、これによって、耐久試験中の発電・休止に伴う膜の膨潤・収縮、及び、膜中へのラジカルの侵入が抑制されたためと考えられる。
また、Mg2+でイオン交換したMEA(参考例1)の耐久性の向上がわずかであるのは、耐久性に及ぼすMg2+の効果が相対的に小さいため、及び、イオン交換率が相対的に小さいためと考えられる。
From Table 3,
(1) The MEAs of Examples 12 to 17 and Reference Examples 1 and 2 all have improved durability as compared with the untreated Comparative Example 1.
(2) The MEAs of Examples 12 to 15 have durability improved to about 1.5 times or more that of Comparative Example 1 even if the ion exchange rate is only 10%.
(3) MEA ion-exchanged with Ce 4+ (expensive number side cation) (Example 13) has improved durability compared to MEA ion-exchanged with Ce 3+ (Reference Example 2).
(4) In particular, the hexaamminecobalt (III) cation (Example 12) has a large effect of improving the durability of MEA.
I understand that.
Even in the MEA ion-exchanged with tetrapropylammonium cation having little effect of improving the elastic modulus (Example 14), the durability is improved because the water content is reduced by ion exchange. This is thought to be because the swelling / shrinkage of the membrane and the invasion of radicals into the membrane during power generation / rest during the durability test were suppressed.
Further, the improvement in durability of MEA ion-exchanged with Mg 2+ (Reference Example 1) is slight because the effect of Mg 2+ on durability is relatively small, and the ion exchange rate is relatively low. It is thought that it is small.

また、表3より、膜全体を強化処理したMEA(実施例12〜15)に比べて、非発電領域(実施例16)又は帯状領域(実施例17)のみを強化処理したMEAの方が、耐久性が高いことがわかる。これは、片面触媒領域を含む非発電領域又は帯状領域のイオン交換率が、膜全体を強化処理した場合に比べて高いためである。また、この結果は、MEAの中でも、特に、片面触媒領域での劣化が著しく、片面触媒領域を強化処理することによってMEAの耐久性が著しく向上することを示している。   In addition, from Table 3, the MEA in which only the non-power generation region (Example 16) or the band-like region (Example 17) was reinforced as compared with the MEA in which the entire membrane was reinforced (Examples 12 to 15), It can be seen that the durability is high. This is because the ion exchange rate in the non-power generation region or the band-like region including the single-sided catalyst region is higher than that in the case where the entire membrane is reinforced. Moreover, this result shows that deterioration in the single-sided catalyst region is particularly remarkable among the MEAs, and that the durability of the MEA is remarkably improved by strengthening the single-sided catalyst region.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
例えば、上記実施例では、いずれも触媒層を接合する前に膜を強化処理しているが、触媒層を接合した後、片面触媒領域を含む帯状領域又は非発電領域を強化処理しても良い。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
For example, in each of the above embodiments, the membrane is strengthened before joining the catalyst layer. However, after joining the catalyst layer, the band-like region including the one-side catalyst region or the non-power generation region may be strengthened. .

本発明に係る膜電極接合体は、燃料電池、二次電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる膜電極接合体として使用することができる。
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等に使用することができる。
The membrane electrode assembly according to the present invention includes various electrochemical devices such as a fuel cell, a secondary battery, a water electrolysis apparatus, a hydrohalic acid electrolysis apparatus, a salt electrolysis apparatus, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. It can be used as a membrane electrode assembly used in the above.
Moreover, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be used for an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.

10 膜電極接合体
12 固体高分子電解質膜
14a、14b 触媒層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane electrode assembly 12 Solid polymer electrolyte membrane 14a, 14b Catalyst layer

Claims (20)

固体高分子電解質膜と、
該固体高分子電解質膜の両面に接合された電極とを備え、
前記固体高分子電解質膜は、プロトンの一部が錯体カチオン、4級アルキルアンモニウムカチオン、及び、複数の価数を取りうる金属イオンであって、最低価数より大きい価数を持つ高価数側カチオンから選ばれる1以上のカチオンによりイオン交換され、並びに/又は、
前記固体高分子電解質膜は、その末端にアンモニウムカチオン若しくは4級アンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンモノマを含む溶液を含浸させ、加水分解・縮重合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマを含む膜電極接合体。
A solid polymer electrolyte membrane;
An electrode bonded on both sides of the solid polymer electrolyte membrane,
In the solid polymer electrolyte membrane, a part of protons is a complex cation, a quaternary alkylammonium cation, and a metal ion capable of taking a plurality of valences, and an expensive cation having a valence larger than the minimum valence Ion exchanged with one or more cations selected from: and / or
The solid polymer electrolyte membrane is a membrane / electrode assembly containing an organometalloxane polymer obtained by impregnating a solution containing an organometalloxane monomer having an ammonium cation or a quaternary ammonium cation at its end, and hydrolyzing / condensing the polymer. body.
前記錯体カチオンは、アンミン錯体カチオンである請求項1に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the complex cation is an ammine complex cation. 前記4級アルキルアンモニウムカチオンは、[(CHCHCH)N]、[(CHCHCHCH)N]、又は、[(CH)N]である請求項1に記載の膜電極接合体。 The quaternary alkylammonium cation includes [(CH 3 CH 2 CH 2 ) 4 N] + , [(CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 ) 4 N] + , or [(CH 3 ) 3 C 6 H 5. The membrane electrode assembly according to claim 1, which is N] + . 前記高価数側カチオンは、Ce4+、Pr4+、Sm3+、Eu3+、Tb4+、又は、Yb3+である請求項1に記載の膜電極接合体。 2. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the expensive number side cation is Ce 4+ , Pr 4+ , Sm 3+ , Eu 3+ , Tb 4+ , or Yb 3+ . イオン交換率(=前記カチオンの数×前記カチオンの価数×100/陽イオン交換基の数(%))が、0.01%以上95%以下である請求項1に記載の膜電極接合体。   2. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein an ion exchange rate (= number of the cations × valence of the cations × 100 / number of cation exchange groups (%)) is 0.01% or more and 95% or less. . 固体高分子電解質膜と、
該固体高分子電解質膜の両面に接合された、触媒層を含む電極とを備え、
前記固体高分子電解質膜は、その外周部であって、少なくとも一方の面に前記触媒層が形成されていない非発電領域に含まれるプロトンの全部又は一部が一種又は2種以上のカチオンによりイオン交換され、並びに/又は、
前記固体高分子電解質膜は、前記非発電領域に、その末端にアンモニウムカチオン若しくは4級アンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンモノマを含む溶液を含浸させ、加水分解・縮重合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマを含む膜電極接合体。
A solid polymer electrolyte membrane;
An electrode including a catalyst layer bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane,
In the solid polymer electrolyte membrane, all or part of protons contained in a non-power generation region at the outer peripheral portion where the catalyst layer is not formed on at least one surface are ionized by one kind or two or more kinds of cations. Exchanged and / or
The solid polymer electrolyte membrane is obtained by impregnating the non-power generation region with a solution containing an organometalloxane monomer having an ammonium cation or a quaternary ammonium cation at the terminal, and hydrolyzing / condensing the organometalloxane. A membrane electrode assembly containing a polymer.
前記プロトンを交換する前記カチオンは、錯体カチオン、4級アルキルアンモニウムカチオン、及び、複数の価数を取りうる金属イオンであって、最低価数より大きい価数を持つ高価数側カチオンから選ばれる1以上である請求項6に記載の膜電極接合体。   The cation exchanging protons is a complex cation, a quaternary alkylammonium cation, or a metal ion capable of taking a plurality of valences, and is selected from an expensive cation having a valence greater than the minimum valence 1 It is the above, The membrane electrode assembly of Claim 6. 前記錯体カチオンは、アンミン錯体カチオンである請求項7に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 7, wherein the complex cation is an ammine complex cation. 前記4級アルキルアンモニウムカチオンは、[(CHCHCH)N]、[(CHCHCHCH)N]、又は、[(CH)N]である請求項7に記載の膜電極接合体。 The quaternary alkylammonium cation includes [(CH 3 CH 2 CH 2 ) 4 N] + , [(CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 ) 4 N] + , or [(CH 3 ) 3 C 6 H 5. The membrane electrode assembly according to claim 7, which is N] + . 前記高価数側カチオンは、Ce4+、Pr4+、Sm3+、Eu3+、Tb4+、又は、Yb3+である請求項7に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 7, wherein the expensive cation is Ce 4+ , Pr 4+ , Sm 3+ , Eu 3+ , Tb 4+ , or Yb 3+ . イオン交換率(=前記カチオンの数×前記カチオンの価数×100/陽イオン交換基の数(%))が、1%以上である請求項6に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 6, wherein an ion exchange rate (= number of the cations × valence of the cations × 100 / number of cation exchange groups (%)) is 1% or more. 固体高分子電解質膜と、
該固体高分子電解質膜の両面に接合された、触媒層を含む電極とを備え、
前記固体高分子電解質膜は、その中間部であって、前記触媒層の外周部をその内部に含む帯状領域に含まれるプロトンの全部又は一部が1種又は2種以上のカチオンによりイオン交換され、並びに/又は、
前記固体高分子電解質膜は、前記帯状領域に、その末端にアンモニウムカチオン若しくは4級アンモニウムカチオンを有するオルガノメタロキサンモノマを含浸させ、加水分解・縮重合させることにより得られるオルガノメタロキサンポリマを含む膜電極接合体。
A solid polymer electrolyte membrane;
An electrode including a catalyst layer bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane,
The solid polymer electrolyte membrane is an intermediate portion thereof, and all or part of protons contained in a belt-like region including the outer peripheral portion of the catalyst layer therein is ion-exchanged by one or more cations. And / or
The solid polymer electrolyte membrane is a membrane containing an organometalloxane polymer obtained by impregnating the band-like region with an organometalloxane monomer having an ammonium cation or a quaternary ammonium cation at the end thereof, followed by hydrolysis and condensation polymerization Electrode assembly.
前記帯状領域は、その外周の幅が前記触媒層の幅より広く、かつ、その内周の幅が前記触媒層の幅より狭い請求項12に記載の膜電極接合体。   13. The membrane electrode assembly according to claim 12, wherein the belt-like region has an outer circumference width wider than the catalyst layer width and an inner circumference width narrower than the catalyst layer width. 前記帯状領域は、その内周によって囲まれる領域の面積が前記触媒層の面積の0.5倍以上である請求項12に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 12, wherein the area of the band-shaped region surrounded by the inner periphery thereof is 0.5 times or more of the area of the catalyst layer. 前記プロトンを交換する前記カチオンは、錯体カチオン、4級アルキルアンモニウムカチオン、及び、複数の価数を取りうる金属イオンであって、最低価数より大きい価数を持つ高価数側カチオンから選ばれる1以上である請求項12に記載の膜電極接合体。   The cation exchanging protons is a complex cation, a quaternary alkylammonium cation, or a metal ion capable of taking a plurality of valences, and is selected from an expensive cation having a valence greater than the minimum valence 1 It is the above, The membrane electrode assembly of Claim 12. 前記錯体カチオンは、アンミン錯体カチオンである請求項15に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 15, wherein the complex cation is an ammine complex cation. 前記4級アルキルアンモニウムカチオンは、[(CHCHCH)N]、[(CHCHCHCH)N]、又は、[(CH)N]である請求項15に記載の膜電極接合体。 The quaternary alkylammonium cation includes [(CH 3 CH 2 CH 2 ) 4 N] + , [(CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 ) 4 N] + , or [(CH 3 ) 3 C 6 H 5. The membrane electrode assembly according to claim 15, which is N] + . 前記高価数側カチオンは、Ce4+、Pr4+、Sm3+、Eu3+、Tb4+、又は、Yb3+である請求項15に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 15, wherein the expensive cation is Ce 4+ , Pr 4+ , Sm 3+ , Eu 3+ , Tb 4+ , or Yb 3+ . イオン交換率(=前記カチオンの数×前記カチオンの価数×100/陽イオン交換基の数(%))が、1%以上である請求項12に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 12, wherein an ion exchange rate (= number of the cations × valence of the cations × 100 / number of cation exchange groups (%)) is 1% or more. 請求項1から19までのいずれかに記載の膜電極接合体を備えた固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 19.
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