JP2010257771A - High-durability electrolyte film, electrode, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-durability electrolyte film that achieves improvement of hydrogen peroxide resistance, and restraint of performance degradation caused by decrease of impurity ion with Fenton activity as well as elution of precious metal elements and that sustains these effects for a long period of time; and to provide an electrode and a polymer electrolyte fuel cell. <P>SOLUTION: The high-durability electrolyte film includes a solid polymer electrolyte membrane and heteropolyacid salt dispersed in the solid polymer electrolyte membrane, wherein the heteropolyacid salt is one or more selected from pyridinium salt, imidazolium salt, phosphonium salt, guanidinium salt, 1,10 phenanthroline salt, nucleic acid base salt, and pyrazolone compound salt. The electrode includes such heteropolyacid salt, and the polymer electrolyte fuel cell uses such a high-durability electrolyte film or such an electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、高耐久性電解質膜、電極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、並びに、これに用いられる高耐久性電解質膜及び電極に関する。   The present invention relates to a highly durable electrolyte membrane, an electrode, and a solid polymer fuel cell. More specifically, the present invention relates to a solid polymer fuel cell suitable as an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, The present invention relates to a highly durable electrolyte membrane and an electrode used therefor.

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.

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 perfluorinated 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.
In addition, perfluorinated electrolytes are excellent in oxidation resistance but are generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the solid polymer fuel cell, a hydrocarbon electrolyte (an electrolyte that includes a C—H bond and does not include a C—F bond in a polymer chain) or a partial fluorine 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、MEAを構成する電解質膜は、触媒層で副生成する過酸化水素又はその分解生成物であるラジカルに対して不安定であり、耐久性を向上させる必要がある。触媒層内電解質や電解質膜が全フッ素系電解質である場合には、耐久性の低下は比較的少ない。これに対し、炭化水素系電解質の場合は、過酸化水素及びラジカルに対する安定性が全フッ素系電解質に比べて著しく劣るため、燃料電池を長期間安定的に作動させることは困難である。   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, the electrolyte membrane constituting the MEA is unstable with respect to hydrogen peroxide generated as a by-product in the catalyst layer or a radical that is a decomposition product thereof, and it is necessary to improve durability. When the electrolyte in the catalyst layer or the electrolyte membrane is a perfluorinated electrolyte, the deterioration in durability is relatively small. On the other hand, in the case of a hydrocarbon-based electrolyte, the stability against hydrogen peroxide and radicals is remarkably inferior to that of a perfluorinated electrolyte, so that it is difficult to stably operate the fuel cell for a long period of time.

さらに、燃料電池の空気極の触媒として用いられているPt等の貴金属元素は、燃料電池の運転中に触媒層から溶出し、膜内部で析出したり、あるいは、触媒層で再析出し、触媒層内の触媒粒子が粒成長することが知られている。貴金属元素の溶出や粒成長は、電池性能を低下させる原因となる。また、貴金属イオンの中にもフェントン活性を示すものがある事が知られており、このような貴金属イオンの溶出は、電解質を劣化させ、その劣化生成物が電極を被毒し、電池性能を低下させると言われている。   Further, the noble metal element such as Pt used as a catalyst for the air electrode of the fuel cell is eluted from the catalyst layer during the operation of the fuel cell and is deposited inside the membrane or re-precipitated in the catalyst layer. It is known that the catalyst particles in the layer grow. The elution and grain growth of the noble metal element causes a decrease in battery performance. In addition, it is known that some precious metal ions exhibit Fenton activity, and such elution of precious metal ions degrades the electrolyte, and the degradation products poison the electrodes, thereby improving battery performance. It is said to decrease.

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、炭化水素系固体高分子電解質膜に、二酸化マンガンなどの酸化物触媒、鉄フタロシアニンなどの大環状金属錯体触媒、又は、Cu−Ni合金粒子などの遷移金属合金触媒を添加した固体高分子電解質膜が開示されている。
同文献には、炭化水素系電解質に酸化物触媒等を添加すると、過酸化水素が不均化反応により水に分解し、過酸化水素による電解質の劣化を抑制できる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, in Patent Document 1, an oxide catalyst such as manganese dioxide, a macrocyclic metal complex catalyst such as iron phthalocyanine, or a transition metal alloy catalyst such as Cu—Ni alloy particles is provided on a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane. An added solid polymer electrolyte membrane is disclosed.
This document describes that when an oxide catalyst or the like is added to a hydrocarbon electrolyte, hydrogen peroxide is decomposed into water by a disproportionation reaction, and deterioration of the electrolyte due to hydrogen peroxide can be suppressed.

また、特許文献2には、スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜のスルホン酸基のプロトンの一部をMg、Ca、Al、Laなどの多価金属で置換したプロトン伝導性高分子膜が開示されている。
同文献には、スルホン酸基のプロトンの一部を、ある種の多価金属で置換すると、過酸化物ラジカルに対する耐性(耐酸化性)が向上する点が記載されている。
Patent Document 2 discloses a proton conductive polymer membrane in which a part of protons of a sulfonic acid group of a sulfonated polyphenylene sulfide membrane is substituted with a polyvalent metal such as Mg, Ca, Al, or La.
This document describes that when a part of protons of a sulfonic acid group is replaced with a certain polyvalent metal, resistance to peroxide radicals (oxidation resistance) is improved.

また、特許文献3には、ラジカルに起因する電解質の劣化の抑制や貴金属元素の溶出の抑制を目的とするものではないが、貴金属及び/又は遷移金属からなる分子量800〜10000のヘテロポリ酸の部分塩である固体ヘテロポリ酸燃料電池用触媒が開示されている。
同文献には、ポリ酸中で白金はすべてポリ酸クラスター表面に存在しすべての白金が活性になるため、これらのポリ酸中での白金含有量は極めて少量であるにもかかわらず高活性を示す点が記載されている。
Further, Patent Document 3 does not aim at suppressing electrolyte degradation caused by radicals or suppressing elution of noble metal elements, but a part of a heteropolyacid having a molecular weight of 800 to 10,000 made of noble metal and / or transition metal. A solid heteropolyacid fuel cell catalyst that is a salt is disclosed.
In this document, all platinum in polyacids is present on the surface of the polyacid cluster and all platinum becomes active. Therefore, even though the platinum content in these polyacids is very small, it has high activity. The points to show are described.

また、特許文献4には、スルホン酸基を有するイオン交換膜を硝酸セリウム水溶液に浸漬してスルホン酸基の一部をセリウムイオンにイオン交換し、次いでこの膜をリン酸水溶液に浸漬する固体高分子型燃料電池用電解質膜の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法により膜中にリン酸第一セリウムを析出させることができる点、及び、膜中に難溶性のセリウム化合物を析出させることによって、電解質膜の過酸化水素又は過酸化物ラジカル耐性が向上する点が記載されている。
Further, Patent Document 4 discloses a solid high membrane in which an ion exchange membrane having a sulfonic acid group is immersed in an aqueous cerium nitrate solution to partially exchange sulfonic acid groups with cerium ions, and then this membrane is immersed in an aqueous phosphoric acid solution. A method for producing an electrolyte membrane for a molecular fuel cell is disclosed.
In this document, it is possible to deposit cerium phosphate in the film by such a method, and by depositing a hardly soluble cerium compound in the film, The point that oxide radical tolerance improves is described.

また、特許文献5には、ラジカルに起因する電解質の劣化の抑制や貴金属元素の溶出の抑制を目的とするものはないが、ヘテロポリ酸−Pt−Cからなる直接型メタノール燃料電池用メタノール燃料極材料が開示されている。   Further, although Patent Document 5 does not have any purpose for suppressing electrolyte deterioration due to radicals or suppressing elution of noble metal elements, a methanol fuel electrode for a direct type methanol fuel cell made of heteropolyacid-Pt-C. A material is disclosed.

さらに、特許文献6には、2,2−ビピリジンのような白金捕捉剤を含む固体高分子型燃料電池用電極触媒層が開示されている。
同文献には、触媒層に白金捕捉剤を添加すると、電極触媒層からの白金イオンの溶出が防止され、触媒活性の低下が抑制される点が記載されている。
Patent Document 6 discloses an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell containing a platinum scavenger such as 2,2-bipyridine.
This document describes that when a platinum scavenger is added to the catalyst layer, elution of platinum ions from the electrode catalyst layer is prevented, and a decrease in catalyst activity is suppressed.

特開2000−106203号公報JP 2000-106203 A 特開2004−018573号公報JP 2004-018573 A 国際公開WO04/045009号公報International Publication WO 04/045009 特開2008−98179号公報JP 2008-98179 A 特開2002−134122号公報JP 2002-134122 A 特開2006−147345号公報JP 2006-147345 A

全フッ素系電解質に対して、ある種の大環状金属錯体や遷移金属酸化物を添加し、あるいは、全フッ素系電解質のプロトンの一部を、ある種の金属イオンで置換すると、過酸化水素及びラジカルに対する耐性を向上させることができる。しかしながら、これらの技術をそのまま炭化水素系電解質に転用しても、十分な耐食性が得られない場合が多い。
これは、炭化水素系電解質は、全フッ素系電解質に比べて基本骨格が不安定であるため、過酸化水素を分解する作用を持つ添加物が過酸化水素だけでなく炭化水素骨格も分解するためと考えられる。
When a certain macrocyclic metal complex or transition metal oxide is added to the perfluorinated electrolyte, or a part of protons of the perfluorinated electrolyte is replaced with a certain metal ion, hydrogen peroxide and Resistance to radicals can be improved. However, there are many cases where sufficient corrosion resistance cannot be obtained even if these techniques are directly applied to hydrocarbon-based electrolytes.
This is because hydrocarbon electrolytes have an unstable basic skeleton compared to perfluorinated electrolytes, so additives that have the ability to decompose hydrogen peroxide decompose not only hydrogen peroxide but also the hydrocarbon skeleton. it is conceivable that.

さらに、従来知られている過酸化水素耐性を有する化合物やイオンは、水に易溶であるものが多い。そのため、長期間の使用によりこれらが系外に持ち出され、良好な耐久性を維持できない場合があった。一方、耐久性を維持するために化合物やイオンの添加量を過剰にすると、燃料電池の性能低下を引き起こす場合がある。特に炭化水素系電解質の場合、化合物やイオンを多量に導入すると、炭化水素系電解質の一般的な欠点である剛直さが一層高まる。その結果、機械的強度や可撓性は大きく低下し、燃料電池の運転初期にクロスリーク(孔開きや割れ)に至ることがあった。   Furthermore, many of the conventionally known compounds and ions having hydrogen peroxide resistance are readily soluble in water. For this reason, they may be taken out of the system due to long-term use, and good durability may not be maintained. On the other hand, if the amount of compound or ion added is excessive in order to maintain durability, the performance of the fuel cell may be degraded. In particular, in the case of a hydrocarbon-based electrolyte, when a large amount of a compound or ion is introduced, rigidity, which is a general drawback of hydrocarbon-based electrolytes, is further increased. As a result, the mechanical strength and flexibility are greatly reduced, and cross leaks (perforations and cracks) may occur in the initial operation of the fuel cell.

また、従来、高分子電解質の過酸化水素耐性試験には、フェントン試験を用いるのが一般的であった。フェントン試験(Fe2+イオン添加過酸化水素水浸漬試験)は、高湿度状態(飽和湿度)下での劣化程度を調べる方法である。
一方、燃料電池運転中には、MEAは十分な湿潤状態ではなく、ドライな状態に置かれる場合も多く、高分子電解質の耐久性を評価するにはフェントン試験のみでは不十分である。そのため、最近では、低湿度下(ドライ環境)で高温の過酸化水素蒸気を被試験体に当てる、いわゆるドライフェントン試験がMEAの劣化を模擬できる促進試験として採用されつつある。しかしながら、上述した耐久性改善法で処理した電解質膜をドライフェントン試験で評価すると、フェントン試験とは全く別の結果を示すものがある。
Conventionally, the Fenton test is generally used for the hydrogen peroxide resistance test of polymer electrolytes. The Fenton test (Fe 2+ ion-added hydrogen peroxide solution immersion test) is a method for examining the degree of deterioration under high humidity conditions (saturated humidity).
On the other hand, during fuel cell operation, the MEA is often not in a sufficiently wet state but in a dry state, and the Fenton test alone is insufficient to evaluate the durability of the polymer electrolyte. Therefore, recently, a so-called dry Fenton test in which high-temperature hydrogen peroxide vapor is applied to a device under test in a low humidity (dry environment) is being adopted as an accelerated test that can simulate the deterioration of MEA. However, when the electrolyte membrane treated by the durability improving method described above is evaluated by the dry Fenton test, there are some that show completely different results from the Fenton test.

また、遷移金属イオン(特に、Feイオン(Fe2+/Fe3+))があるしきい値を超えて電解質に存在すると、電解質の過酸化水素耐性を悪化させることが知られている。また、今まで知られていなかったことであるが、フェントン活性を有する不純物と、過酸化水素耐性を有する各種添加剤や添加イオンとの間に相互作用があり、遷移金属イオン(特に、Feイオン)があるしきい値を超えて存在すると、各種添加剤や添加イオンの効果が喪失したり、逆に過酸化水素耐性を悪化させる場合がある。
また、白金の溶出を抑制するために2,2−ビピリジンのような含窒素有機化合物を添加する方法は、2,2−ビピリジンの過酸化水素に対する安定性が不十分であり、かつ水溶性であるために、長期間に渡って白金の溶出を抑制するのは困難である。
It is also known that transition metal ions (particularly Fe ions (Fe 2+ / Fe 3+ )) are present in an electrolyte exceeding a certain threshold value, thereby degrading the hydrogen peroxide resistance of the electrolyte. In addition, although not known so far, there is an interaction between impurities having Fenton activity and various additives and added ions having hydrogen peroxide resistance, and transition metal ions (especially Fe ions). ) Exceeds a certain threshold value, the effects of various additives and added ions may be lost, or the hydrogen peroxide resistance may be worsened.
In addition, the method of adding a nitrogen-containing organic compound such as 2,2-bipyridine in order to suppress the elution of platinum is insufficient in stability of 2,2-bipyridine to hydrogen peroxide and is water-soluble. For this reason, it is difficult to suppress the elution of platinum over a long period of time.

さらに、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減、及び、貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を図るためには、従来、別個の対策を講じる必要があり、これらを同時に解決する方法が提案された例は従来にはない。   Furthermore, in order to improve resistance to hydrogen peroxide, reduce impurity ions having Fenton activity, and suppress performance degradation caused by elution of noble metal elements, it has been necessary to take separate measures in the past. There has never been an example in which a method for solving the problem simultaneously has been proposed.

本発明が解決しようとする課題は、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減及び貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を同時に解決することが可能な高耐久性電解質膜、電極、及び、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、これらの効果を長期間に渡って持続させることが可能な高耐久性電解質膜、電極、及び、固体高分子型燃料電池を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is a highly durable electrolyte membrane capable of simultaneously solving the improvement of hydrogen peroxide resistance, the reduction of impurity ions having Fenton activity, and the suppression of the performance degradation due to the elution of noble metal elements An electrode and a polymer electrolyte fuel cell are provided.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a highly durable electrolyte membrane, an electrode, and a solid polymer fuel cell capable of sustaining these effects over a long period of time. is there.

上記課題を解決するために本発明に係る高耐久性電解質膜は、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜内に分散しているヘテロポリ酸塩とを備え、
前記ヘテロポリ酸塩は、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩、グアニジウム塩、1,10フェナントロリン塩、核酸塩基塩、及び、ピラゾロン化合物塩から選ばれるいずれか1以上であることを要旨とする。
In order to solve the above problems, a highly durable electrolyte membrane according to the present invention is:
A solid polymer electrolyte membrane;
A heteropolyacid salt dispersed in the solid polymer electrolyte membrane,
The gist of the heteropolyacid salt is at least one selected from pyridinium salts, imidazolium salts, phosphonium salts, guanidinium salts, 1,10 phenanthroline salts, nucleobase salts, and pyrazolone compound salts.

本発明に係る電極は、
電極触媒と、
前記電極触媒を被覆する固体高分子電解質と、
前記固体高分子電解質内に分散しているヘテロポリ酸塩とを備え、
前記ヘテロポリ酸塩は、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩、グアニジウム塩、1,10フェナントロリン塩、核酸塩基塩、及び、ピラゾロン化合物塩から選ばれるいずれか1以上であることを要旨とする。
The electrode according to the present invention is
An electrocatalyst;
A solid polymer electrolyte covering the electrode catalyst;
A heteropolyacid salt dispersed in the solid polymer electrolyte,
The gist of the heteropolyacid salt is at least one selected from pyridinium salts, imidazolium salts, phosphonium salts, guanidinium salts, 1,10 phenanthroline salts, nucleobase salts, and pyrazolone compound salts.

さらに、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、本発明に係る高耐久性電解質膜又は本発明に係る電極を用いたことを要旨とする。   Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is summarized in that the highly durable electrolyte membrane according to the present invention or the electrode according to the present invention is used.

電解質膜又は電極にヘテロポリ酸のピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩、グアニジウム塩、1,10フェナントロリン塩、核酸塩基塩、及び、ピラゾロン化合物塩から選ばれるいずれか1以上を添加すると、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減及び貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を同時に図ることができる。
これは、
(1)ヘテロポリ酸塩自体が過酸化水素のイオン分解触媒となって過酸化水素を無害化するため、
(2)ヘテロポリ酸塩がフェントン活性を有する不純物遷移金属イオン(特に、可溶性鉄イオン)を捕捉し、フェントン活性を失活させるため、及び、
(3)ヘテロポリ酸塩が溶出した貴金属イオンを捕捉してキレート化し、貴金属イオンが電極沖合に溶出・拡散することを防ぐため、
と考えられる。
さらに、所定のカチオンとヘテロポリ酸との塩は難溶性であり、長期間に渡って電解質膜又は電極内に留まることができるため、これらの効果を長期間に渡って持続させることができる。
When any one or more selected from pyridinium salt, imidazolium salt, phosphonium salt, guanidinium salt, 1,10 phenanthroline salt, nucleobase salt and pyrazolone compound salt of heteropolyacid is added to the electrolyte membrane or electrode, hydrogen peroxide It is possible to simultaneously improve resistance, reduce impurity ions having Fenton activity, and suppress performance degradation due to elution of noble metal elements.
this is,
(1) Since the heteropolyacid salt itself becomes an ion decomposition catalyst for hydrogen peroxide and detoxifies hydrogen peroxide,
(2) The heteropolyacid salt traps impurity transition metal ions (particularly soluble iron ions) having Fenton activity and deactivates Fenton activity; and
(3) To capture and chelate the precious metal ions eluted by the heteropoly acid salt and prevent the precious metal ions from eluting and diffusing off the electrode,
it is conceivable that.
Furthermore, since the salt of a predetermined cation and heteropolyacid is hardly soluble and can remain in an electrolyte membrane or an electrode for a long period of time, these effects can be sustained for a long period of time.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 高耐久性電解質膜]
本発明に係る高耐久性電解質膜は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜内に分散しているヘテロポリ酸塩とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. High durability electrolyte membrane]
A highly durable electrolyte membrane according to the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane and a heteropolyacid salt dispersed in the solid polymer electrolyte membrane.

[1.1. 固体高分子電解質膜]
本発明において、固体高分子電解質膜の材質は、特に限定されるものではなく、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の材質は、高分子鎖内にC−H結合を含み、かつC−F結合を含まない炭化水素系電解質、及び高分子鎖内にC−F結合を含むフッ素系電解質のいずれであっても良い。また、フッ素系電解質は、高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む部分フッ素系電解質であっても良く、あるいは、高分子鎖内にC−F結合を含み、かつC−H結合を含まない全フッ素系電解質であっても良い。
なお、フッ素系電解質は、フルオロカーボン構造(−CF2−、−CFCl−)の他、クロロカーボン構造(−CCl2−)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)を備えていてもよい。また、固体高分子電解質膜を構成する高分子の分子構造は、特に限定されるものではなく、直鎖状又は分岐状のいずれであっても良く、あるいは環状構造を備えていても良い。
[1.1. Solid polymer electrolyte membrane]
In the present invention, the material of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and various materials can be used.
That is, the material of the solid polymer electrolyte membrane is a hydrocarbon-based electrolyte containing a C—H bond in the polymer chain and not containing a C—F bond, and a fluorine-based material containing a C—F bond in the polymer chain. Any of electrolytes may be used. Further, the fluorine-based electrolyte may be a partial fluorine-based electrolyte containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain, or contains C—F bonds in the polymer chain, and A perfluorinated electrolyte containing no C—H bond may be used.
In addition to the fluorocarbon structure (—CF 2 —, —CFCl—), the fluorine-based electrolyte includes a chlorocarbon structure (—CCl 2 —) and other structures (eg, —O—, —S—, —C ( ═O) —, —N (R) —, etc. provided that “R” may be an alkyl group). The molecular structure of the polymer constituting the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and may be either linear or branched, or may have a cyclic structure.

また、固体高分子電解質に備えられる酸基の種類についても、特に限定されるものではない。酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基等がある。固体高分子電解質には、これらの酸基の内、いずれか1種類のみ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。さらに、これらの酸基は、直鎖状固体高分子化合物に直接結合していても良く、あるいは、分枝状固体高分子化合物の主鎖又は側鎖のいずれかに結合していても良い。   Also, the type of acid group provided in the solid polymer electrolyte is not particularly limited. Examples of the acid group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group. Only one of these acid groups may be contained in the solid polymer electrolyte, or two or more of them may be contained. Furthermore, these acid groups may be directly bonded to the linear solid polymer compound, or may be bonded to either the main chain or the side chain of the branched solid polymer compound.

炭化水素系電解質としては、具体的には、
(1)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテル等、及びこれらの誘導体(脂肪族炭化水素系電解質)、
(2)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリスチレン、芳香環を有するポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート等、及びこれらの誘導体(部分芳香族炭化水素系電解質)、
(3)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレン、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド等、及びこれらの誘導体(全芳香族炭化水素系電解質)、
などがある。
Specifically, as the hydrocarbon electrolyte,
(1) Polyamide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, etc. in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, and derivatives thereof (aliphatic hydrocarbons) System electrolyte),
(2) Polystyrene having an acid group such as a sulfonic acid group introduced into any of the polymer chains, polyamide having an aromatic ring, polyamideimide, polyimide, polyester, polysulfone, polyetherimide, polyethersulfone, polycarbonate, and the like, and These derivatives (partial aromatic hydrocarbon electrolytes),
(3) Polyetheretherketone, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyetherimide, polyphenylene, polyphenylene ether, polycarbonate, in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, Polyamide, polyamideimide, polyester, polyphenylene sulfide, etc., and derivatives thereof (fully aromatic hydrocarbon electrolytes),
and so on.

また、部分フッ素系電解質としては、具体的には、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン等、及びこれらの誘導体などがある。
また、全フッ素系電解質としては、具体的には、デュポン社製ナフィオン(登録商標)、旭化成(株)製アシプレックス(登録商標)、旭硝子(株)製フレミオン(登録商標)等、及びこれらの誘導体などがある。
Further, as the partial fluorine-based electrolyte, specifically, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft-polytetra, in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains. There are fluoroethylene and the like and derivatives thereof.
Further, as the perfluorinated electrolyte, specifically, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., etc. There are derivatives.

さらに、本発明において、固体高分子電解質膜は、固体高分子電解質のみからなるものであっても良く、あるいは、多孔質材料、長繊維材料、短繊維材料等からなる補強材を含む複合体であっても良い。   Further, in the present invention, the solid polymer electrolyte membrane may be composed of only a solid polymer electrolyte, or a composite including a reinforcing material composed of a porous material, a long fiber material, a short fiber material, or the like. There may be.

一般に、フッ素系電解質、特に全フッ素系電解質は、高分子鎖内にC−F結合を有しているため、耐酸化性に優れているが、フッ素系電解質に対して本発明を適用すると、さらに耐酸化性が向上する。また、炭化水素系電解質は、フッ素系電解質に比べて耐酸化性が低い。そのため、炭化水素系電解質に対して本発明を適用すると、燃料電池の作動環境下(特に、ドライ環境下)においても高い耐酸化性を示し、しかも低コストな固体高分子型燃料電池が得られる。   In general, fluorine-based electrolytes, particularly all-fluorine-based electrolytes have excellent oxidation resistance because they have a C—F bond in the polymer chain, but when the present invention is applied to fluorine-based electrolytes, Furthermore, the oxidation resistance is improved. In addition, hydrocarbon electrolytes have lower oxidation resistance than fluorine electrolytes. Therefore, when the present invention is applied to a hydrocarbon-based electrolyte, a solid polymer fuel cell that exhibits high oxidation resistance even in the operating environment of the fuel cell (particularly in a dry environment) and is low in cost can be obtained. .

[1.2. ヘテロポリ酸塩]
「ヘテロポリ酸塩」とは、ヘテロポリ酸に含まれるプロトンの全部又は一部がカチオンに置換されたものをいう。
本発明において、ヘテロポリ酸塩とは、特に、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩、グアニジウム塩、1,10フェナントロリン塩、核酸塩基塩、及びピラゾロ化合物塩から選ばれるいずれか1以上をいう。これらのヘテロポリ酸塩は、いずれもMEAの耐久性を改善する作用がある。また、これらのヘテロポリ酸塩の内、水に対して高い難溶性を有するものは、電解質膜内に長期間留まることができる。
[1.2. Heteropolyacid salt]
“Heteropolyacid salt” refers to a compound in which all or part of the protons contained in the heteropolyacid are replaced with cations.
In the present invention, the heteropolyacid salt particularly means any one or more selected from pyridinium salts, imidazolium salts, phosphonium salts, guanidinium salts, 1,10 phenanthroline salts, nucleobase salts, and pyrazolo compound salts. All of these heteropolyacid salts have the effect of improving the durability of MEA. Further, among these heteropolyacid salts, those having poor solubility in water can remain in the electrolyte membrane for a long period of time.

ヘテロポリ酸塩は、後述するように、ピリジニウムイオンなどのカチオンを含む溶液にヘテロポリ酸を含む溶液を加え、これらを反応させることにより得られる。
電解質膜には、これらのヘテロポリ酸塩の内、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。また、ヘテロポリ酸塩は、2種以上のカチオンと1つのヘテロポリ酸アニオンが結合した複合塩でも良く、あるいは、単独のカチオンと結合したヘテロポリ酸塩を複数混合した混合物でも良い。
As will be described later, the heteropolyacid salt is obtained by adding a solution containing a heteropolyacid to a solution containing a cation such as pyridinium ion and reacting them.
Any one of these heteropolyacid salts may be contained in the electrolyte membrane, or two or more thereof may be contained. The heteropolyacid salt may be a complex salt in which two or more kinds of cations and one heteropolyacid anion are bonded, or may be a mixture in which a plurality of heteropolyacid salts bonded to a single cation are mixed.

[1.2.1. ヘテロポリ酸]
ヘテロポリ酸とは、Mo、W、Vを中心元素Mとする酸素酸アニオンと、P、Si、Ge、Ti、Zr、Sn、Ce、Thなどを中心元素Xとする酸素酸アニオンとが結合した多元素のポリアニオンをいい、ポリオキソメタレートと総称される。これらは、一般に多量の水を水和していることが多く、ポリアニオンの分子量は、800以上になる場合がある。
[1.2.1. Heteropoly acid]
The heteropolyacid is a combination of an oxyacid anion having Mo, W, V as the central element M and an oxyacid anion having P, Si, Ge, Ti, Zr, Sn, Ce, Th, etc. as the central element X. Multi-element polyanion is a generic term for polyoxometalates. These generally generally hydrate a large amount of water, and the molecular weight of the polyanion may be 800 or more.

例えば、酸素が40個結合したヘテロポリ酸イオンは、Xを中心元素、Mをポリ酸を構成する原子とすると、M=Mo、X=P5+、As5+、Si4+、Ge4+、Ti4+、Zr4+、Sn4+の時、アニオン構造として[Xn+1240]-10+nを取る。
X=Ce4+、Th4+、Sn4+では、アニオン構造として[Xn+1240]-12+nを取る。
X:M=1:11であり、X=P5+、As5+、Fe3+、Ce4+では、アニオン構造として[Xn+1139]-12+nを取る。
X:M=1:10であり、X=P5+、As5+、Pt4+では、アニオン構造として[Xn+10x]-2x+60+nを取る。
X:M=1:9であり、X=Mn4+、Co4+、Ni4+では、アニオン構造として[Xn+932]-10+nを取る。
X:M=2:18であり、X=P5+、As5+では、アニオン構造として[X2 n+1856]-16+2nを取る。
X:M=2:17であり、X=P5+、As5+では、アニオン構造として[X2 n+17x]-2x+10+2nを取る。
X:M=2:12であり、X=Co3+、Al3+、Cr3+、Fe3+、Rh3+では、アニオン構造として[X2 n+1242]-12+2nを取る。
X:M=1:6であり、X=Ni2+、Co2+、Mn2+、Cu2+、Se4+、P3+、As3+、P5+では、アニオン構造として[Xn+6x]-2x+36+nを取る。
For example, in a heteropolyacid ion in which 40 oxygen atoms are bonded, when X is a central element and M is an atom constituting a polyacid, M = Mo, X = P 5+ , As 5+ , Si 4+ , Ge 4+ , Ti 4+ , Zr 4+ and Sn 4+ take [X n + M 12 O 40 ] −10 + n as the anion structure.
In X = Ce 4+ , Th 4+ and Sn 4+ , [X n + M 12 O 40 ] -12 + n is taken as the anion structure.
X: M = 1: 11, and X = P 5+ , As 5+ , Fe 3+ , Ce 4+ takes [X n + M 11 O 39 ] -12 + n as the anion structure.
X: M = 1: 10, and X = P 5+ , As 5+ , Pt 4+ takes [X n + M 10 O x ] −2x + 60 + n as the anion structure.
X: M = 1: 9, and X = Mn 4+ , Co 4+ , and Ni 4+ take [X n + M 9 O 32 ] −10 + n as the anion structure.
X: M = 2: 18, and X = P 5+ and As 5+ take [X 2 n + M 18 O 56 ] -16 + 2n as the anion structure.
X: M = 2: 17, and X = P 5+ and As 5+ take [X 2 n + M 17 O x ] −2x + 10 + 2n as the anion structure.
X: M = 2: 12, and in X = Co 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Rh 3+ , [X 2 n + M 12 O 42 ] -12 + 2n is used as the anion structure. take.
X: M = 1: 6, and X = Ni 2+ , Co 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ , Se 4+ , P 3+ , As 3+ , P 5+ , [X n + M 6 O x ] -2x + 36 + n .

これらの中でも、X:M=1:12では、熱的に安定ないわゆるケギン構造([Xn+1240]-8+n)が代表的なものである。例えば、水和水を除外して表すと、H4SiW1240(けいタングステン酸)、H3PW1240(りんタングステン酸)、H4SiMo1240(けいモリブデン酸)、H3PMo1240(りんモリブデン酸)が挙げられる。
また、これらのW、Moの一部がVで置換された複合ヘテロポリ酸(例えば、H3PMo12-xx40、H3PW12-xx40等)も知られている。
さらに、これらの酸は、プロトン、タングステン又はモリブデンの一部が1価カチオン、2価カチオン、又は遷移金属カチオンと置換し、塩を形成することが知られている。
また、ケギン構造とは別のポリアニオンであるドーソン構造([X21262]n-)のようなサンドイッチ構造イオンや、アンダーソン構造のイソポリアニオンMo724 6-をベースにしたヘテロポリアニオンCo(III)Mo6246 3-、及びNi(II)Mo6246 4-等も比較的安定な遷移金属元素を含んだヘテロポリアニオンとして知られている。
Among these, when X: M = 1: 12, a thermally stable so-called Keggin structure ([X n + M 12 O 40 ] −8 + n ) is representative. For example, when excluding hydration water, H 4 SiW 12 O 40 (silicotungstic acid), H 3 PW 12 O 40 (phosphotungstic acid), H 4 SiMo 12 O 40 (silicomolybdic acid), H 3 PMo 12 O 40 (phosphomolybdic acid) may be mentioned.
In addition, composite heteropolyacids (for example, H 3 PMo 12-x V x O 40 , H 3 PW 12-x V x O 40, etc.) in which some of these W and Mo are substituted with V are also known. .
Furthermore, these acids are known to form a salt by substituting a part of proton, tungsten or molybdenum with a monovalent cation, a divalent cation or a transition metal cation.
Heteropolyanions based on sandwich structure ions such as the Dawson structure ([X 2 M 12 O 62 ] n− ), which is a polyanion different from the Keggin structure, and the isopolyanion Mo 7 O 24 6− of the Anderson structure Co (III) Mo 6 O 24 H 6 3− , Ni (II) Mo 6 O 24 H 6 4− and the like are also known as heteropolyanions containing a relatively stable transition metal element.

これらヘテロポリ酸の構造体のプロトンと置換して中心部に位置するイオンは、フリーのイオンとは異なった状態にあり、配位安定化されている。
例えば、ポルフィリン化合物は、酸素40個からなるヘテロポリ酸と類似の構造を持ち、4方向からN原子に配位された金属イオンを有する有機化合物である。ポルフィリン化合物は、過酸化水素の攻撃によりポルフィリン環が開裂し、分解しやすい。
一方、ヘテロポリ酸塩は、遙かに安定であり、過酸化水素を用いた有機合成触媒に繰り返し使用できることが知られている。その中でもプロトンを特定のイオンで置換すると、溶解度は小さくなり、pHが小さい強酸性下でも難溶性となる。例えば、りんモリブデン酸にあっては、セシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ホスホニウムイオン、白金イオン等である。
The ions located in the central portion of the heteropolyacid structure, which are substituted with protons, are in a different state from the free ions and are coordinated and stabilized.
For example, a porphyrin compound is an organic compound having a structure similar to a heteropolyacid composed of 40 oxygen atoms and having a metal ion coordinated to an N atom from four directions. Porphyrin compounds are easily decomposed by cleavage of the porphyrin ring by the attack of hydrogen peroxide.
On the other hand, it is known that heteropolyacid salts are much more stable and can be used repeatedly for organic synthesis catalysts using hydrogen peroxide. Among them, when a proton is substituted with a specific ion, the solubility becomes small, and it becomes hardly soluble even under strong acidity at a low pH. For example, phosphomolybdic acid includes cesium ions, quaternary alkyl ammonium ions, phosphonium ions, platinum ions, and the like.

[1.2.2. ピリジニウム塩]
「ピリジニウム塩」とは、ヘテロポリ酸のプロトンの全部又は一部がピリジニウムイオンで置換されたものをいう。
ピリジニウムイオンを形成する化合物としては、具体的には、ピリジン、ジピリジン、テルピリジン、及び、これらの塩などがある。
[1.2.2. Pyridinium salt]
The “pyridinium salt” refers to a compound in which all or part of the protons of the heteropolyacid are substituted with pyridinium ions.
Specific examples of compounds that form pyridinium ions include pyridine, dipyridine, terpyridine, and salts thereof.

[1.2.3. イミダゾリウム塩]
「イミダゾリウム塩」とは、ヘテロポリ酸のプロトンの全部又は一部がイミダゾリウムイオンで置換されたものをいう。
イミダゾリウムイオンを形成する化合物としては、具体的には、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、1,3−ジメチルイミダゾール、及び、これらの塩などがある。
[1.2.3. Imidazolium salt]
The “imidazolium salt” refers to a compound in which all or part of the protons of the heteropolyacid are replaced with imidazolium ions.
Specific examples of the compound that forms an imidazolium ion include imidazole, 1-methylimidazole, 1,3-dimethylimidazole, and salts thereof.

[1.2.4. ホスホニウム塩]
「ホスホニウム塩」とは、ヘテロポリ酸のプロトンの全部又は一部がホスホニウムイオンで置換されたものをいう。
「ホスホニウムイオン」とは、P原子のまわりに4つのアルキル基が結合した1価のカチオンをいう。
ホスホニウムイオンを形成する化合物(ホスホニウム化合物)とは、ホスホニウムイオンと、これと対になるアニオンBとがイオン結合した化合物[P(R1)(R2)(R3)(R4)]+-をいう。R1〜R4は、アルキル基を表す。
[1.2.4. Phosphonium salt]
“Phosphonium salt” refers to a compound in which all or part of protons of a heteropolyacid are substituted with phosphonium ions.
“Phosphonium ion” refers to a monovalent cation in which four alkyl groups are bonded around a P atom.
A compound that forms a phosphonium ion (phosphonium compound) is a compound [P (R 1 ) (R 2 ) (R 3 ) (R 4 )] + in which a phosphonium ion and an anion B paired therewith are ionically bonded. B - refers to. R 1 to R 4 represent an alkyl group.

ホスホニウム化合物のカチオン部分としては、具体的には、テトラエチルホスホニウム、トリエチルベンジルホスホニウム、テトラブチルホスホニウム、テトラオクチルホスホニウム、トリメチルデシルホスホニウム、トリメチルドデシルホスホニウム、トリメチルヘキサデシルホスホニウム、トリメチルオクタデシルホスホニウム、トリブチルメチルホスホニウム、トリブチルドデシルホスホニウム、トリブチルオクタデシルホスホニウム、トリオクチルエチルホスホニウム、トリブチルヘキサデシルホスホニウム、メチルトリフェニルホスホニウム、エチルトリフェニルホスホニウム、ジフェニルジオクチルホスホニウム、トリフェニルオクタデシルホスホニウム、テトラフェニルホスホニウム、トリブチルアリルホスホニウム、テトラキス(ヒドロキシメチル)ホスホニウムなどがある。   Specific examples of the cation part of the phosphonium compound include tetraethylphosphonium, triethylbenzylphosphonium, tetrabutylphosphonium, tetraoctylphosphonium, trimethyldecylphosphonium, trimethyldodecylphosphonium, trimethylhexadecylphosphonium, trimethyloctadecylphosphonium, tributylmethylphosphonium, tributyl Dodecylphosphonium, tributyloctadecylphosphonium, trioctylethylphosphonium, tributylhexadecylphosphonium, methyltriphenylphosphonium, ethyltriphenylphosphonium, diphenyldioctylphosphonium, triphenyloctadecylphosphonium, tetraphenylphosphonium, tributylallylphosphonium, tetra Scan (hydroxymethyl), and the like phosphonium.

ホスホニウム化合物としては、具体的には、テトラエチルホスホニウムヒドロキシド、テトラ−n−ブチルホスホニウムヒドロキシド、エチルトリフェニルホスホニウムアセタート、テトラブチルホスホニウムアセタート、硫酸テトラキス(ヒドロキシメチル)ホスホニウム、硝酸テトラブチルホスホニウム、ビス(2,4,4−トリメチルペンチル)ホスフィン酸トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム、メタンスルホン酸テトラブチルホスホニウム、トシル酸トリイソブチルメチルホスホニウム、トシル酸テトラブチルホスホニウム、テトラブチルホスホニウムテトラフェニルボラート、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボラート、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフェニルボラート、ジ−tert−ブチルメチルホスホニウムテトラフェニルボラート、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウムビス[オキサラト(2−)]ボラート、テトラフェニルホスホニウムテトラ−P−トリルボラート、ベンジルフェニルホスホニウムテトラフェニルボラート、P−トリルトリフェニルホスホニウムテトラ−P−トリルボラート、トリエチルメチルホスホニウムジブチルフォスフェート、エチルトリフェニルホスホニウムホスフェート、トリブチルメチルホスホニウムジブチルフォスフェート、テトラブチルホスホニウムベンゾトリアゾラート、デカン酸トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム、トリブチルメチルホスホニウムメチルカーボネートなどがある。   Specific examples of the phosphonium compound include tetraethylphosphonium hydroxide, tetra-n-butylphosphonium hydroxide, ethyltriphenylphosphonium acetate, tetrabutylphosphonium acetate, tetrakis (hydroxymethyl) phosphonium sulfate, tetrabutylphosphonium nitrate, Bis (2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid trihexyl (tetradecyl) phosphonium, tetrabutylphosphonium methanesulfonate, triisobutylmethylphosphonium tosylate, tetrabutylphosphonium tosylate, tetrabutylphosphonium tetraphenylborate, tetraphenylphosphonium Tetraphenylborate, tri-tert-butylphosphonium tetraphenylborate, di-tert-butylmethylphos Nium tetraphenylborate, trihexyl (tetradecyl) phosphonium bis [oxalato (2-)] borate, tetraphenylphosphonium tetra-P-tolylborate, benzylphenylphosphonium tetraphenylborate, P-tolyltriphenylphosphonium tetra-P-tolylborate, Examples include triethylmethylphosphonium dibutyl phosphate, ethyltriphenylphosphonium phosphate, tributylmethylphosphonium dibutyl phosphate, tetrabutylphosphonium benzotriazolate, trihexyl (tetradecyl) phosphonium decanoate, tributylmethylphosphonium methyl carbonate, and the like.

[1.2.5. グアニジウム塩]
「グアニジウム塩」とは、ヘテロポリ酸のプロトンの全部又は一部がグアニジウムイオンに置換されたものをいう。
グアニジウムイオンを形成する化合物としては、具体的には、アミノグアニジン、グアニル尿素、ビグアニド、グアニジン、炭酸グアニジン、ホウ酸グアニジン、リン酸・モノグアニジン、リン酸・ジグアニジン、リン酸グアニル尿素、硫酸グアニジン、スルファミン酸グアニンジン、1,3ジフェニルグアニジンなどがある。
[1.2.5. Guanidium salt]
“Guanidinium salt” refers to a guanidinium ion in which all or part of the protons of the heteropolyacid are substituted.
Specific examples of compounds that form guanidinium ions include aminoguanidine, guanylurea, biguanide, guanidine, guanidine carbonate, guanidine borate, phosphoric acid / monoguanidine, phosphoric acid / diguanidine, guanylurea phosphate, sulfuric acid. Examples include guanidine, guanidine sulfamate, and 1,3 diphenylguanidine.

[1.2.6. 1,10フェナントロリン塩]
「1,10フェナントロリン塩」とは、ヘテロポリ酸のプロトンの全部又は一部が1,10フェナントロリンイオンに置換されたものをいう。
[1.2.6. 1,10 phenanthroline salt]
The “1,10 phenanthroline salt” refers to a compound in which all or part of the protons of the heteropolyacid are replaced with 1,10 phenanthroline ions.

[1.2.7. 核酸塩基塩]
「核酸塩基塩」とは、ヘテロポリ酸のプロトンの全部又は一部が核酸塩基イオンに置換されたものをいう。
核酸塩基としては、具体的には、
(a)シトシン、5−メチルシトシン、5−ヒドロキシルメチルシトシン、チミン、ウラシル等のピリミジン塩基、
(b)プリン、アデニン、グアニン、ヒポキサンチン、キサンチン、テオフィリン、テオブロミン、カフェイン、イソグアニン、尿酸等のプリン誘導体、
などがある。
[1.2.7. Nucleobase salt]
“Nucleobase salt” means a nucleobase ion in which all or part of the protons of the heteropolyacid are replaced.
Specifically, as a nucleobase,
(A) pyrimidine bases such as cytosine, 5-methylcytosine, 5-hydroxylmethylcytosine, thymine, uracil,
(B) Purine derivatives such as purine, adenine, guanine, hypoxanthine, xanthine, theophylline, theobromine, caffeine, isoguanine, uric acid,
and so on.

[1.2.8. ピラゾロン化合物塩]
「ピラゾロン化合物塩」とは、ヘテロポリ酸のプロトンの全部又は一部がピラゾロン化合物のイオンに置換されたものをいう。
ピラゾロンイオンを生成する化合物としては、具体的には、ケイモリブデン酸と反応することが知られているアミノピリン、アンチピリン、3メチル−1−フェニル−5−ピラゾロン、1フェニル−3−カルボキシ−5−ピラゾロン、1−(4−トリル)−3−メチル−5−ピラゾロンなどがある。
[1.2.8. Pyrazolone compound salt]
The “pyrazolone compound salt” refers to a compound in which all or part of the protons of the heteropolyacid are replaced with ions of the pyrazolone compound.
Specific examples of the compound that generates a pyrazolone ion include aminopyrine, antipyrine, 3methyl-1-phenyl-5-pyrazolone, and 1 phenyl-3-carboxy-5- which are known to react with silicomolybdic acid. Examples include pyrazolone and 1- (4-tolyl) -3-methyl-5-pyrazolone.

[1.3. 難溶性]
ヘテロポリ酸塩を電解質膜又は電極内に留め、長期間に渡って効果を持続させるためには、ヘテロポリ酸塩は、難溶性であるものが好ましい。
ここで、「難溶性」とは、ヘテロポリ酸を10g/Lの濃度で溶解した溶液5mLと、カチオンの濃度が4×10-3Nの溶液1mLとを混合し、室温で1日間放置したときに沈殿が生成することをいう。電解質内部のpHは、0〜1程度の強酸性であることが知られているので、ヘテロポリ酸塩は、強酸性下、80℃近傍(燃料電池作動温度)で完全に溶解しないこと、即ち不溶性が理想である。しかしながら、完全な不溶性でなくても、所定の条件下で沈殿を生成するヘテロポリ酸塩であれば、燃料電池作動下でも電池性能を阻害することなく、MEAの耐久性を十分改善することができる。
上述したヘテロポリ酸塩の中でも、特に高い難溶性を示すものとしては、例えば、対カチオンがホスホニウムイオン、グアニジウムイオンである、りんタングステン酸トリブチルメチルホスホニウム塩、ケイタングステン酸1,3−ジフェニルグアニジウム塩などがある。
[1.3. Slightly soluble]
In order to retain the heteropolyacid salt in the electrolyte membrane or electrode and maintain the effect for a long period of time, the heteropolyacid salt is preferably insoluble.
Here, “slightly soluble” means that 5 mL of a solution in which a heteropolyacid is dissolved at a concentration of 10 g / L and 1 mL of a solution having a cation concentration of 4 × 10 −3 N are mixed and left at room temperature for 1 day. This means that a precipitate is formed. Since the pH inside the electrolyte is known to be strong acidity of about 0 to 1, the heteropolyacid salt does not completely dissolve at around 80 ° C. (fuel cell operating temperature) under strong acidity, that is, insoluble. Is ideal. However, even if it is not completely insoluble, if it is a heteropoly acid salt that forms a precipitate under predetermined conditions, the durability of MEA can be sufficiently improved without impairing the cell performance even under the operation of the fuel cell. .
Among the above-mentioned heteropolyacid salts, those having particularly high solubility include, for example, tributylmethylphosphonium phosphotungstate, phosphotungstic acid 1,3-diphenyl group whose counter cation is phosphonium ion or guanidinium ion. Anidium salt.

[1.4. ヘテロポリ酸塩の含有量]
ヘテロポリ酸塩の含有量は、目的に応じて最適な量を選択する。一般に、ヘテロポリ酸の含有量が少ないと、過酸化水素分解活性が低下し、耐久性向上効果が小さくなる。実用上十分な耐久性を得るためには、ヘテロポリ酸塩の含有量は、固体高分子電解質膜重量に対して0.05重量%以上が好ましい。
一方、ヘテロポリ酸塩の含有量が過剰になると、部分的に溶解したヘテロポリ酸イオンによる電極被毒が大きくなり、電池性能が低下する。また、電解質膜が脆化し易く、機械的性質の低下が大きくなる。従って、ヘテロポリ酸塩の含有量は、固体高分子電解質膜重量に対して5重量%以下が好ましい。
[1.4. Content of heteropolyacid salt]
The optimum content of the heteropolyacid salt is selected according to the purpose. In general, when the content of the heteropolyacid is small, the hydrogen peroxide decomposition activity is lowered and the durability improving effect is reduced. In order to obtain practically sufficient durability, the content of the heteropolyacid salt is preferably 0.05% by weight or more based on the weight of the solid polymer electrolyte membrane.
On the other hand, when the content of the heteropolyacid salt becomes excessive, electrode poisoning due to partially dissolved heteropolyacid ions increases, and the battery performance decreases. In addition, the electrolyte membrane is easily embrittled and the mechanical properties are greatly reduced. Therefore, the content of the heteropolyacid salt is preferably 5% by weight or less based on the weight of the solid polymer electrolyte membrane.

[1.5. ハロゲンイオンの含有量]
ハロゲンイオン(特に、塩化物イオン)は、電極被毒や触媒金属の溶出を促進し、電池性能を低下させる原因となる。従って、膜中のハロゲンイオンの含有量は、少ない程よい。電池性能の低下を抑制するためには、ハロゲンイオンの含有量は、電解質重量当たり10ppm以下が好ましい。この点は、後述する電極も同様である。
[1.5. Halogen ion content]
Halogen ions (particularly chloride ions) promote electrode poisoning and elution of catalytic metals, and cause battery performance to deteriorate. Therefore, the smaller the halogen ion content in the film, the better. In order to suppress a decrease in battery performance, the halogen ion content is preferably 10 ppm or less per electrolyte weight. This also applies to the electrodes described later.

[2. 電極]
本発明に係る電極は、電極触媒と、電極触媒を被覆する固体高分子電解質と、固体高分子電解質内に分散しているヘテロポリ酸塩とを備えている。
[2. electrode]
The electrode according to the present invention includes an electrode catalyst, a solid polymer electrolyte covering the electrode catalyst, and a heteropolyacid salt dispersed in the solid polymer electrolyte.

[2.1. 電極触媒]
一般に、電極触媒には、MEAの使用目的、使用条件等に応じて最適なものが用いられる。固体高分子型燃料電池の場合、電極触媒には、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等若しくはこれらの合金、又は、Pt等の貴金属とコバルト、鉄、ニッケル等の遷移金属元素との合金が用いられる。電極に含まれる電極触媒の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。
[2.1. Electrode catalyst]
In general, an optimum electrode catalyst is used depending on the purpose of use of MEA, use conditions, and the like. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, the electrode catalyst includes platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, or an alloy thereof, or an alloy of a noble metal such as Pt and a transition metal element such as cobalt, iron, or nickel. Used. As the amount of the electrode catalyst contained in the electrode, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.

電極触媒は、そのままの状態で使用しても良く、あるいは、触媒担体の表面に担持させた状態で使用しても良い。触媒担体は、微粒の電極触媒を担持すると同時に、電極における電子の授受を行うためのものである。触媒担体には、一般に、カーボン、活性炭、フラーレン、カーボンナノフォーン、カーボンナノチューブ等が用いられる。触媒担体表面への電極触媒の担持量は、電極触媒及び触媒担体の材質、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な担持量が選択される。   The electrode catalyst may be used as it is, or may be used while being supported on the surface of the catalyst carrier. The catalyst carrier is for carrying electrons at the electrodes at the same time as supporting a fine electrode catalyst. Generally, carbon, activated carbon, fullerene, carbon nanophone, carbon nanotube or the like is used as the catalyst carrier. As the amount of the electrode catalyst supported on the surface of the catalyst carrier, an optimum amount is selected according to the materials of the electrode catalyst and the catalyst carrier, the use of the MEA, use conditions, and the like.

[2.2. 触媒層内電解質]
電極触媒を被覆する固体高分子電解質(触媒層内電解質)は、固体高分子電解質膜と電極との間でプロトンの授受を行うためのものである。触媒層内電解質には、通常、固体高分子電解質膜を構成する材料と同一の材料が用いられるが、異なる材料を用いても良い。触媒層内電解質の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。
触媒層内電解質は、フッ素系電解質であっても良く、あるいは、炭化水素系電解質であっても良い。特に、触媒層内電解質が炭化水素系電解質である電極に対して本発明を適用すると、高い効果が得られる。触媒層内電解質に関するその他の点は、固体高分子電解質膜と同様であるので、説明を省略する。
[2.2. Electrolyte in catalyst layer]
The solid polymer electrolyte (electrolyte in the catalyst layer) that coats the electrode catalyst is for transferring protons between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode. For the electrolyte in the catalyst layer, the same material as that constituting the solid polymer electrolyte membrane is usually used, but a different material may be used. As the amount of the electrolyte in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.
The electrolyte in the catalyst layer may be a fluorine-based electrolyte or a hydrocarbon-based electrolyte. In particular, when the present invention is applied to an electrode whose catalyst layer electrolyte is a hydrocarbon electrolyte, a high effect can be obtained. Since the other points regarding the electrolyte in the catalyst layer are the same as those of the solid polymer electrolyte membrane, description thereof is omitted.

[2.3. ヘテロポリ酸塩]
本発明に係る電極は、電極触媒及び触媒層内電解質に加えて、触媒層内電解質に分散しているヘテロポリ酸塩を含む。この点が、従来の電極とは異なる。
ヘテロポリ酸塩の詳細は、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.3. Heteropolyacid salt]
The electrode according to the present invention includes a heteropolyacid salt dispersed in the electrolyte in the catalyst layer in addition to the electrode catalyst and the electrolyte in the catalyst layer. This is different from conventional electrodes.
Since the details of the heteropolyacid salt are as described above, the description thereof is omitted.

ヘテロポリ酸塩の含有量は、目的に応じて最適な量を選択する。一般に、ヘテロポリ酸の含有量が少ないと、過酸化水素分解活性が低下し、耐久性向上効果が小さくなる。実用上十分な耐久性を得るためには、ヘテロポリ酸塩の含有量は、電極重量に対して0.05重量%以上が好ましい。
一方、ヘテロポリ酸塩の含有量が過剰になると、部分的に溶解したヘテロポリ酸イオンによる電極被毒が大きくなり、電池性能が低下する。従って、ヘテロポリ酸塩の含有量は、電極重量に対して5重量%以下が好ましい。
なお「電極重量」とは、電極触媒、電極触媒を被覆する固体高分子電解質、固体高分子電解質内に分散しているヘテロポリ酸塩を含む層(触媒層)の重量をいう。
The optimum content of the heteropolyacid salt is selected according to the purpose. In general, when the content of the heteropolyacid is small, the hydrogen peroxide decomposition activity is lowered and the durability improving effect is reduced. In order to obtain practically sufficient durability, the content of the heteropolyacid salt is preferably 0.05% by weight or more with respect to the weight of the electrode.
On the other hand, when the content of the heteropolyacid salt becomes excessive, electrode poisoning due to partially dissolved heteropolyacid ions increases, and the battery performance decreases. Accordingly, the content of the heteropolyacid salt is preferably 5% by weight or less with respect to the weight of the electrode.
The “electrode weight” means the weight of the electrode catalyst, the solid polymer electrolyte covering the electrode catalyst, and the layer (catalyst layer) containing the heteropolyacid salt dispersed in the solid polymer electrolyte.

[2.4. 拡散層]
MEAを構成する電極は、通常、触媒層と拡散層の二層構造を取るが、触媒層のみによって構成される場合もある。電極が触媒層と拡散層の二層構造を取る場合、電極は、触媒層を介して電解質膜に接合される。
[2.4. Diffusion layer]
The electrode constituting the MEA usually has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, but may be constituted only by the catalyst layer. When the electrode has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, the electrode is joined to the electrolyte membrane via the catalyst layer.

触媒層は、電極反応の反応場となる部分である。拡散層は、触媒層との間で電子の授受を行うと同時に、反応ガスを触媒層に供給するためのものである。
拡散層には、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等が用いられる。また、撥水性を高めるために、カーボンペーパ等の表面に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性高分子の粉末とカーボンの粉末との混合物(撥水層)をコーティングしたものを拡散層として用いても良い。
A catalyst layer is a part used as the reaction field of an electrode reaction. The diffusion layer is for supplying and receiving a reaction gas to the catalyst layer at the same time as transferring electrons to and from the catalyst layer.
Generally, carbon paper, carbon cloth, or the like is used for the diffusion layer. In order to increase water repellency, a surface of carbon paper or the like coated with a mixture of water repellent polymer powder such as polytetrafluoroethylene and carbon powder (water repellent layer) is used as a diffusion layer. Also good.

[3. 固体高分子型燃料電池]
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜(電解質膜)の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を備えている。また、固体高分子型燃料電池は、通常、このようなMEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これを複数個積層したものからなる。
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、電解質膜として上述したヘテロポリ酸塩を含む高耐久性電解質膜を用い、及び/又は、電極として上述したヘテロポリ酸塩を含む電極を用いたことを特徴とする。
[3. Solid polymer fuel cell]
A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane). In addition, the polymer electrolyte fuel cell is usually formed by sandwiching both sides of such an MEA with a separator having a gas flow path and laminating a plurality of them.
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention uses a highly durable electrolyte membrane containing the above-described heteropoly acid salt as an electrolyte membrane and / or uses an electrode containing the above-mentioned heteropoly acid salt as an electrode. And

ヘテロポリ酸塩は、触媒層内電解質及び電解質膜のいずれに添加しても良いが、過酸化水素は電極で生成するため、触媒層内電解質に添加するか、あるいは、膜/触媒層の界面に濃化して触媒層又は電解質膜に存在させ、過酸化水素が膜内部へ拡散することを防止するのが好ましい。即ち、これらの化合物は、膜表面又は触媒層の最深部(膜との接合部)に濃化して添加すると良い。但し、過度の濃化は、膜/触媒層の接合性を低下させるため、注意が必要である。   The heteropolyacid salt may be added to either the electrolyte in the catalyst layer or the electrolyte membrane, but since hydrogen peroxide is generated at the electrode, it is added to the electrolyte in the catalyst layer or at the membrane / catalyst layer interface. It is preferable to concentrate and exist in the catalyst layer or electrolyte membrane to prevent hydrogen peroxide from diffusing into the membrane. That is, these compounds are preferably concentrated and added to the membrane surface or the deepest portion of the catalyst layer (junction with the membrane). However, caution is required because excessive concentration reduces the membrane / catalyst layer bondability.

[4. ヘテロポリ酸塩の製造方法]
次に、ヘテロポリ酸塩の製造方法について説明する。ヘテロポリ酸は、水やTHF等の極性溶媒に極めて良く溶ける。その溶解度は、一般に室温で10g/L以上である。試薬中には、不溶性の不純物成分として、SiO2やWO3が分解生成し、混入している場合がある。従って、ヘテロポリ酸を溶解した後、溶液をろ過又はデカンテーションして用いることが好ましい。
[4. Method for producing heteropolyacid salt]
Next, a method for producing a heteropolyacid salt will be described. Heteropolyacids are very soluble in polar solvents such as water and THF. Its solubility is generally 10 g / L or more at room temperature. In the reagent, SiO 2 and WO 3 may be decomposed and mixed as insoluble impurity components. Accordingly, it is preferable to use the solution after filtration or decantation after dissolving the heteropolyacid.

溶媒として水を使用した場合について述べると、水にヘテロポリ酸を1〜10g/Lの濃度で加えて十分攪拌し、不純物成分をろ過により取り除く。このろ液に、ホスホニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン等を0.01〜0.1モル/Lの濃度で溶かした溶液を加え、沈殿を生成させる。沈殿生成した固体を加熱熟成し、ろ過し、水洗して乾燥すると、ヘテロポリ酸塩が得られる。   In the case of using water as a solvent, the heteropolyacid is added to water at a concentration of 1 to 10 g / L and sufficiently stirred, and the impurity components are removed by filtration. A solution in which phosphonium ions, imidazolium ions, pyridinium ions and the like are dissolved at a concentration of 0.01 to 0.1 mol / L is added to the filtrate to form a precipitate. When the precipitated solid is heat-aged, filtered, washed with water and dried, a heteropolyacid salt is obtained.

ヘテロポリ酸とこれらのイオンとの量比は、化学量論比近くで加えても良い。あるいは、ヘテロポリ酸を過剰にした、いわゆる部分酸性塩の形で沈殿させても良い。部分酸性塩は、外部から侵入した不純物イオンを沈殿生成させ、フェントン活性を失活させる力が大きい。例えば、ホスホニウムイオン(Pho+)1モルと、りんタングステン酸1モルで生成する酸性塩は、(1)式及び(2)式のように、Fe2+イオン1モルを不活性化できる。
Pho++H3PW1240 → PhoH2PW1240+H+ ・・・(1)
PhoH2PW1240+Fe2+ → PhoFePW1240+2H+ ・・・(2)
The amount ratio between the heteropolyacid and these ions may be added close to the stoichiometric ratio. Alternatively, it may be precipitated in the form of a so-called partial acid salt in which the heteropolyacid is excessive. The partial acid salt has a large ability to precipitate impurity ions entering from the outside and deactivate the Fenton activity. For example, an acid salt formed by 1 mol of phosphonium ion (Pho + ) and 1 mol of phosphotungstic acid can inactivate 1 mol of Fe 2+ ions as shown in the formulas (1) and (2).
Pho + + H 3 PW 12 O 40 → Pho H 2 PW 12 O 40 + H + (1)
PhoH 2 PW 12 O 40 + Fe 2+ → PhoFePW 12 O 40 + 2H + (2)

ヘテロポリ酸塩を製造するために用いる試薬のカチオンと対になるアニオンは、非ハロゲンイオンが好ましい。特に、塩化物、臭化物、ヨウ化物は、薦められない。これらのハロゲンイオンがヘテロポリ酸塩に吸着して残留すると、電極被毒や触媒金属の溶出を促進し、電池性能の低下が甚だしくなる。   The anion paired with the cation of the reagent used to produce the heteropolyacid salt is preferably a non-halogen ion. In particular, chloride, bromide and iodide are not recommended. When these halogen ions are adsorbed and remain on the heteropolyacid salt, electrode poisoning and elution of the catalyst metal are promoted, resulting in a significant decrease in battery performance.

例えば、好ましい化合物の対イオンとしては、具体的には、水酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、ギ酸イオン、酢酸イオン、プロピオン酸イオン、シュウ酸イオン、マレイン酸イオン、アジピン酸イオン、サリチル酸イオン、酒石酸イオン、クエン酸イオン、メタスルホン酸イオン、スルファミン酸イオン、トシル酸イオン、テトラフェニルホウ酸イオン、ホウ酸イオン、硫酸イオン、硫酸水素イオン、硝酸イオン、過塩素酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオン、ジブチルリン酸イオン、ベンゾトリアゾラートイオン、デカン酸イオン、メチルカーボネートイオンなどが好ましい。
特に、ギ酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩は、pHを極端にアルカリにして共雑イオンを沈殿させることがなく、触媒への被毒作用が小さいので、ヘテロポリ酸塩製造用の原料として好適である。水酸化物も、低濃度であればpHを極端に増大させないので、問題なく使用する事ができる。
例えば、Cs+の場合、過塩素酸セシウム、硝酸セシウム、硫酸セシウム、ギ酸セシウム、酢酸セシウム、蓚酸セシウム、クエン酸セシウム、水酸化セシウム、炭酸セシウムなどが好ましい。
For example, specific examples of the counter ion of a preferred compound include hydroxide ion, carbonate ion, hydrogen carbonate ion, formate ion, acetate ion, propionate ion, oxalate ion, maleate ion, adipate ion, and salicylate ion. , Tartrate ion, citrate ion, metasulfonate ion, sulfamate ion, tosylate ion, tetraphenylborate ion, borate ion, sulfate ion, hydrogen sulfate ion, nitrate ion, perchlorate ion, phosphate ion, phosphorus Preference is given to oxyhydrogen ions, dibutyl phosphate ions, benzotriazolate ions, decanoic acid ions, methyl carbonate ions and the like.
In particular, formate, carbonate and bicarbonate are suitable as raw materials for producing heteropolyacid salts because the pH is extremely alkaline and does not precipitate coexisting ions and has a low poisoning effect on the catalyst. is there. The hydroxide can be used without any problem because it does not extremely increase the pH if the concentration is low.
For example, in the case of Cs + , cesium perchlorate, cesium nitrate, cesium sulfate, cesium formate, cesium acetate, cesium oxalate, cesium citrate, cesium hydroxide, cesium carbonate and the like are preferable.

2以上のカチオンを置換したヘテロポリ酸塩を形成する場合には、まず、ヘテロポリ酸溶液に、溶解度の比較的大きなヘテロポリ酸塩を作るカチオンを含む溶液を加える。次いで、このヘテロポリ酸溶液に、溶解度の比較的小さなヘテロポリ酸塩を作るカチオンを含む溶液を加えるのが好ましい。この方法は、先に沈殿生成したヘテロポリ酸塩が多元系ヘテロポリ酸塩の生成を妨害しないという利点がある。
あるいは、溶解度の比較的大きなヘテロポリ酸塩を作るカチオンと、溶解度の比較的小さなヘテロポリ酸塩を作るカチオンとを共存させた溶液と、ヘテロポリ酸を溶解した溶液とを混合し、反応させても良い。
When forming a heteropolyacid salt in which two or more cations are substituted, first, a solution containing a cation that forms a heteropolyacid salt having a relatively high solubility is added to the heteropolyacid solution. Then, it is preferable to add to this heteropolyacid solution a solution containing a cation that forms a heteropolyacid salt having a relatively low solubility. This method has the advantage that the heteropolyacid salt previously precipitated does not interfere with the formation of the multi-component heteropolyacid salt.
Alternatively, a solution in which a cation that forms a heteropoly acid salt having a relatively high solubility and a cation that forms a heteropoly acid salt having a relatively low solubility may be mixed with a solution in which a heteropoly acid is dissolved, and reacted. .

溶解度が比較的大きいヘテロポリ酸塩を作るカチオンとしては、例えば、
(1)Li+、Na+、K+等のアルカリイオン、
(2)Ni+、Ag+等の遷移金属イオン、
(3)Ce3+、Ce4+等の希土類金属イオン
などがある。
また、溶解度が比較的小さいヘテロポリ酸塩を作るカチオンとしては、例えば、セシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ホスホニウムイオン、グアニジウムイオン、1,10フェナントロリン、核酸塩基、白金イオン、ピラゾロン系イオンなどがある。
これらのヘテロポリ酸塩を沈殿生成する際に用いるカチオンのカウンターアニオンは、水酸イオン又は炭酸イオンのように、残留しても被毒作用が小さいものを用いるのが好ましい。
Examples of cations that produce heteropolyacid salts with relatively high solubility include:
(1) Alkali ions such as Li + , Na + , K + ,
(2) transition metal ions such as Ni + and Ag + ,
(3) There are rare earth metal ions such as Ce 3+ and Ce 4+ .
Examples of the cation that forms a heteropolyacid salt having a relatively low solubility include cesium ion, quaternary alkyl ammonium ion, pyridinium ion, imidazolium ion, phosphonium ion, guanidinium ion, 1,10 phenanthroline, nucleobase, There are platinum ions, pyrazolone ions, and the like.
It is preferable to use a cation counteranion used for precipitation of these heteropolyacid salts, such as a hydroxide ion or carbonate ion, which has a small poisoning action even if it remains.

例えば、H4SiMo1240を用いる場合には、ホスホニウムイオン(Pho+)とCe3+イオンとを含む溶液と、H4SiMo1240を含む溶液とを混合し、反応させることで、(3)式に従い、Ce3+イオンとPho+イオンを難溶性複合塩として固定する事が可能である。
Ce3++Pho++H4SiMo1240→CePhoSiMo1240↓+4H+ ・・(3)
For example, when H 4 SiMo 12 O 40 is used, a solution containing phosphonium ions (Pho + ) and Ce 3+ ions and a solution containing H 4 SiMo 12 O 40 are mixed and reacted. According to the formula (3), Ce 3+ ions and Pho + ions can be fixed as hardly soluble complex salts.
Ce 3+ + Pho + + H 4 SiMo 12 O 40 → CePhoSiMo 12 O 40 ↓ + 4H + (3)

[5. 高耐久性電解質膜及び電極の製造方法]
本発明に係る高耐久性電解質膜は、
(1)ヘテロポリ酸塩と固体高分子電解質とをアルコール等の溶媒に分散又は溶解させ、溶液を金属容器、ガラス容器、PTFEフィルム、PETフィルムなどの上にキャストし、溶媒を加熱除去するキャスト法、
(2)ヘテロポリ酸塩と固体高分子電解質とを加熱溶融して混合し、押し出し成型機でフィルム成型する溶融押し出し法、
などにより製造することができる。
[5. Manufacturing method of highly durable electrolyte membrane and electrode]
The highly durable electrolyte membrane according to the present invention is
(1) A casting method in which a heteropolyacid salt and a solid polymer electrolyte are dispersed or dissolved in a solvent such as alcohol, the solution is cast on a metal container, glass container, PTFE film, PET film, etc., and the solvent is removed by heating. ,
(2) A melt extrusion method in which a heteropoly acid salt and a solid polymer electrolyte are heated and melted and mixed, and a film is formed by an extruder.
Etc. can be manufactured.

また、本発明に係る電極は、
(1)溶媒に溶かした触媒層内電解質、ヘテロポリ酸塩、及び、電極触媒又は導電性担体に担持された電極触媒を混合して触媒ペーストとし、触媒ペーストを電解質膜(又は拡散層)にスプレー塗布するスプレー法、
(2)PTFEフィルムやPETフィルム上にドクターブレード法等で上記触媒ペーストを塗布して転写シートとし、膜と転写シートとをホットプレスで接合する転写シート法、
などにより製造することができる。
The electrode according to the present invention is
(1) A catalyst paste is prepared by mixing an electrolyte in a catalyst layer dissolved in a solvent, a heteropoly acid salt, and an electrode catalyst or an electrode catalyst supported on a conductive carrier, and the catalyst paste is sprayed on the electrolyte membrane (or diffusion layer). Spray method to apply,
(2) A transfer sheet method in which the catalyst paste is applied onto a PTFE film or PET film by a doctor blade method or the like to form a transfer sheet, and the film and the transfer sheet are joined by hot pressing,
Etc. can be manufactured.

一般に、高分子電解質に残存する重合触媒及びこの分解物である遷移金属元素及び不純物のFeイオンが電解質から十分除去しきれていないと、過酸化水素や・OHラジカルに対する耐性が不十分なことが知られている。例えば、炭化水素系高分子電解質の重合触媒としては、Ru、Pd、Cu、Niの無機塩(塩化物等)やこれらの有機錯体が使用され、触媒層の担体材料である炭素微粒子にはFe、Ni等の遷移金属元素が不純物として100ppmを超える濃度で含まれていることがある。これらの金属イオンは、いずれもフェントン活性を有しており、電解質(特に、炭化水素系電解質)にこれらのイオンがしきい値(いずれも数10ppm)以上の濃度で存在すると、電解質のドライ状態でのラジカル耐性を大きく低下させる。
本発明においては、これらフェントン活性を有する遷移金属イオンを捕捉できるヘテロポリ酸が膜又は電極に添加されているので、フェントン活性が失活し、電解質のラジカル耐性を上げることができる。しかしながら、耐久性をさらに向上させるためには、ヘテロポリ酸塩の添加前に、電解質の酸洗い又は還元処理と酸洗いを施し、不純物遷移金属イオンを電解質からできるだけ除去しておくことが好ましい。
In general, if the polymerization catalyst remaining in the polymer electrolyte and its decomposition product, transition metal element and impurity Fe ions are not sufficiently removed from the electrolyte, resistance to hydrogen peroxide and .OH radicals may be insufficient. Are known. For example, as a polymerization catalyst for hydrocarbon-based polymer electrolytes, inorganic salts (such as chlorides) of Ru, Pd, Cu, and Ni and organic complexes thereof are used. , Transition metal elements such as Ni may be contained as impurities in concentrations exceeding 100 ppm. All of these metal ions have Fenton activity, and when these ions are present in the electrolyte (especially hydrocarbon-based electrolyte) at a concentration equal to or higher than a threshold value (both tens of ppm), the electrolyte is in a dry state. Greatly reduces the radical resistance at.
In the present invention, since the heteropolyacid capable of capturing the transition metal ions having the fenton activity is added to the film or the electrode, the fenton activity is deactivated and the radical resistance of the electrolyte can be increased. However, in order to further improve the durability, it is preferable to remove the impurity transition metal ions from the electrolyte as much as possible by subjecting the electrolyte to acid washing or reduction treatment and acid washing before the addition of the heteropolyacid salt.

[6. 高耐久性高分子電解質膜、電極及び固体高分子型燃料電池の作用]
MEAの耐久性を向上するために、膜又は電極に種々の化合物やイオンを導入することが行われている。しかしながら、従来のこの種の添加物は、いずれも実用上十分な耐性を得るためには、相対的に多量の添加を必要とする場合が多い。この種の添加物の多量添加は、膜の機械的強度や可撓性の低下、あるいは、膜又は電極に含まれる電解質のプロトン伝導度の低下の原因となる。
さらに、ある種の添加物を炭化水素系電解質に添加すると、逆に耐久性が低下する場合がある。一方、炭化水素系電解質のラジカル耐性を向上させる添加物としては、例えば、過酸化水素を非ラジカル分解できるアルカリ金属化合物や過酸化水素を包摂して安定化する四級アンモニウム化合物などがある。しかしながら、アルカリ金属化合物は、水に易溶であるものが多く、長期間の使用ではMEA系外に持ち出され、良好な耐久性を維持できない。また、四級アルキルアンモニウム化合物は、高温において過酸化水素及びラジカルに対して不安定なものが多く、耐久改善効果が十分ではない。
[6. Operation of high durability polymer electrolyte membrane, electrode and polymer electrolyte fuel cell]
In order to improve the durability of MEA, various compounds and ions are introduced into a membrane or an electrode. However, these conventional additives of this type often require a relatively large amount of addition in order to obtain practically sufficient resistance. Addition of a large amount of this type of additive causes a decrease in the mechanical strength and flexibility of the membrane, or a decrease in the proton conductivity of the electrolyte contained in the membrane or electrode.
Furthermore, when certain additives are added to the hydrocarbon electrolyte, the durability may be reduced. On the other hand, examples of the additive for improving the radical resistance of the hydrocarbon electrolyte include an alkali metal compound capable of non-radical decomposition of hydrogen peroxide and a quaternary ammonium compound which includes hydrogen peroxide and stabilizes it. However, many alkali metal compounds are easily soluble in water, and they are taken out of the MEA system for a long period of use and cannot maintain good durability. Moreover, many quaternary alkyl ammonium compounds are unstable to hydrogen peroxide and radicals at high temperatures, and the durability improvement effect is not sufficient.

また、耐久性を向上させるために化合物やイオンを添加する場合において、これらの添加物とフェントン活性を有する不純物との間に相互作用が存在する。すなわち、遷移金属イオン(特に、鉄イオン(Fe2+/Fe3+))があるしきい値を超えて電解質に存在すると、添加物の効果が喪失したり、逆に過酸化水素耐性を悪化させる場合がある。 In addition, when compounds or ions are added to improve durability, there is an interaction between these additives and impurities having Fenton activity. That is, if transition metal ions (especially iron ions (Fe 2+ / Fe 3+ )) exist in the electrolyte above a certain threshold, the effect of the additive is lost or conversely the hydrogen peroxide resistance deteriorates. There is a case to let you.

さらに、燃料電池の空気極の触媒として使用されているPt、Pd、Ru、Agなどの貴金属元素は、運転中に触媒層から溶出し、膜内部で析出したり、触媒層で再析出して触媒粒子が粒成長し、電池性能が低下することが知られている。また、燃料極の触媒として使われるPt−Ru合金においても、PtやRuの溶出あるいは粒成長により電池性能が低下すると言われている。これら電極の貴金属元素の劣化は、運転電位の変動で促進されることが知られている。さらに、貴金属イオンの中にもフェントン活性を示すものあることが知られており、このような貴金属イオンの溶出は、電解質を劣化させ、その劣化生成物が電極を被毒し、電池性能が低下すると言われている。   Furthermore, noble metal elements such as Pt, Pd, Ru, and Ag used as a catalyst for the air electrode of the fuel cell elute from the catalyst layer during operation and precipitate inside the membrane or reprecipitate in the catalyst layer. It is known that catalyst particles grow and battery performance is reduced. In addition, it is said that the Pt—Ru alloy used as a fuel electrode catalyst also deteriorates in battery performance due to elution or grain growth of Pt and Ru. It is known that the deterioration of the noble metal elements of these electrodes is promoted by fluctuations in the operating potential. Furthermore, it is known that some noble metal ions exhibit Fenton activity. Such elution of noble metal ions degrades the electrolyte, and the degradation products poison the electrodes, resulting in a decrease in battery performance. It is said that.

しかしながら、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減、及び、貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を図るためには、従来、別個の対策を講じる必要があり、これらを同時に解決する方法が提案された例は従来にはない。   However, in order to improve the resistance to hydrogen peroxide, reduce the impurity ions having Fenton activity, and suppress the performance degradation caused by the elution of noble metal elements, it is necessary to take separate measures in the past. There has never been an example in which a method for solving the problem simultaneously has been proposed.

これに対し、電解質膜又は電極にヘテロポリ酸のピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩、グアニジウム塩、1,10フェナントロリン塩、核酸塩基塩、及び、ピラゾロン化合物塩から選ばれるいずれか1以上を添加すると、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減及び貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を同時に図ることができる。
これは、
(1)ヘテロポリ酸塩自体が過酸化水素のイオン分解触媒となって過酸化水素を無害化するため、
(2)ヘテロポリ酸塩がフェントン活性を有する不純物遷移金属イオン(特に、可溶性鉄イオン)を捕捉し、フェントン活性を失活させるため、及び、
(3)ヘテロポリ酸塩が溶出した貴金属イオンを捕捉してキレート化し、貴金属イオンが電極沖合に溶出・拡散することを防ぐため、
と考えられる。
さらに、所定のカチオンとヘテロポリ酸との塩は難溶性であり、長期間に渡って電解質膜又は電極内に留まることができるため、これらの効果を長期間に渡って持続させることができる。
On the other hand, when one or more selected from pyridinium salts, imidazolium salts, phosphonium salts, guanidinium salts, 1,10 phenanthroline salts, nucleobase salts, and pyrazolone compound salts of heteropolyacids are added to the electrolyte membrane or electrode. In addition, it is possible to simultaneously improve resistance to hydrogen peroxide, reduce impurity ions having Fenton activity, and suppress performance degradation caused by elution of noble metal elements.
this is,
(1) Since the heteropolyacid salt itself becomes an ion decomposition catalyst for hydrogen peroxide and detoxifies hydrogen peroxide,
(2) The heteropolyacid salt traps impurity transition metal ions (particularly soluble iron ions) having Fenton activity and deactivates Fenton activity; and
(3) To capture and chelate the precious metal ions eluted by the heteropoly acid salt and prevent the precious metal ions from eluting and diffusing off the electrode,
it is conceivable that.
Furthermore, since the salt of a predetermined cation and heteropolyacid is hardly soluble and can remain in an electrolyte membrane or an electrode for a long period of time, these effects can be sustained for a long period of time.

(実施例1〜6、比較例1〜6)
[1. 試験方法]
各ヘテロポリ酸を10g/Lの濃度で溶解した溶液5mLと、各陽イオンの濃度が4×10-3Nの溶液1mLとをガラス容器内で混合した。これを、室温で1日間放置して、沈殿生成の有無を観察した(実施例1〜6)。溶液のpHは、1〜2の強酸性であった。
比較として、陽イオンとしてセリウムイオン(III価、IV価)を用いた以外は、実施例1〜6と同様にして、沈殿生成の有無を観察した(比較例1〜6)。
(Examples 1-6, Comparative Examples 1-6)
[1. Test method]
5 mL of a solution in which each heteropolyacid was dissolved at a concentration of 10 g / L and 1 mL of a solution having a concentration of each cation of 4 × 10 −3 N were mixed in a glass container. This was left to stand at room temperature for 1 day, and the presence or absence of precipitation was observed (Examples 1 to 6). The pH of the solution was strong acidity of 1-2.
For comparison, the presence or absence of precipitation was observed in the same manner as in Examples 1 to 6 except that cerium ions (III and IV) were used as cations (Comparative Examples 1 to 6).

[2. 結果]
表1に、その結果を示す。なお、表1中、直ちに沈殿が生成したものを「◎」、数時間後に沈殿が生成したものを「○」、沈殿が生じなかったものを「×」で表した。「−」は、未実施を表す。
いずれの陽イオンも、少なくとも1つのヘテロポリ酸と沈殿を生じた。一方、セリウムイオンでは、いずれも沈殿は生じなかった。
[2. result]
Table 1 shows the results. In Table 1, “◎” indicates that a precipitate was immediately formed, “◯” indicates that a precipitate was formed after several hours, and “×” indicates that no precipitate was generated. "-" Represents not implemented.
Either cation caused precipitation with at least one heteropolyacid. On the other hand, no precipitation occurred with cerium ions.

Figure 2010257771
Figure 2010257771

(実施例7、比較例7〜10)
[1. 試料の作製]
パーフルオロスルホン酸のポリマー分散溶液(固形分22wt%の水−アルコール混合溶液)をガラス製シャーレに入れ、溶媒を40℃で除去した。その後、さらに80℃×2hrの真空乾燥を施した。膜をシャーレから剥離させ、厚さ約50μm、大きさ30mm×30mmのキャスト成型したフッ素系電解質膜1枚を用意した(比較例7)。
(Example 7, Comparative Examples 7 to 10)
[1. Preparation of sample]
A polymer dispersion solution of perfluorosulfonic acid (water-alcohol mixed solution having a solid content of 22 wt%) was placed in a glass petri dish, and the solvent was removed at 40 ° C. Thereafter, vacuum drying at 80 ° C. × 2 hr was further performed. The membrane was peeled from the petri dish, and one casted fluorine-based electrolyte membrane having a thickness of about 50 μm and a size of 30 mm × 30 mm was prepared (Comparative Example 7).

実施例1と同様にして、トリブチルメチルホスホニウム(TBMP)イオンとりんタングステン酸イオンとの沈殿反応を行った。この溶液から沈殿をろ過して水洗し、80℃×2hrの真空乾燥を施し、TBMPイオンとりんタングステン酸イオンとの難溶性ヘテロポリ酸塩を得た。比較例7と同様のポリマー分散溶液に難溶性ヘテロポリ酸塩を固形分濃度が0.5wt%となるように加えた。溶液を超音波ホモジナイザーで混合し、キャストして同上の大きさの膜を得た(実施例7)。   In the same manner as in Example 1, precipitation reaction between tributylmethylphosphonium (TBMP) ions and phosphotungstate ions was performed. The precipitate was filtered from this solution, washed with water, and vacuum-dried at 80 ° C. for 2 hours to obtain a sparingly soluble heteropolyacid salt of TBMP ions and phosphotungstate ions. A hardly soluble heteropolyacid salt was added to the same polymer dispersion solution as in Comparative Example 7 so that the solid content concentration was 0.5 wt%. The solution was mixed with an ultrasonic homogenizer and cast to obtain a film of the same size (Example 7).

また、比較として、
(1)市販のパーフルオロスルホン酸ポリマー膜(比較例8)、
(2)硝酸セシウム溶液とリンタングステン酸溶液から沈殿したりんタングステン酸セシウム塩を0.5wt%添加したキャスト膜(比較例9)、及び、
(3)硝酸セシウム溶液を用いて酸基の1%をCs+イオンでイオン交換した膜(比較例10)、
を用意した。
For comparison,
(1) Commercially available perfluorosulfonic acid polymer membrane (Comparative Example 8),
(2) a cast film (Comparative Example 9) to which 0.5 wt% of cesium phosphotungstic acid salt precipitated from a cesium nitrate solution and a phosphotungstic acid solution, and
(3) A membrane in which 1% of acid groups are ion-exchanged with Cs + ions using a cesium nitrate solution (Comparative Example 10),
Prepared.

[2. 試験方法]
これらの試料に対して過酸化水素蒸気の暴露試験(ドライフェントン試験)を120℃×5hrの条件で行った。
まず、試験前の膜について80℃×2hrの真空乾燥処理を行い、膜重量W1を求めた。
次に、1wt%の過酸化水素水を0.12mL/minの速さで120℃に加熱したPTFE製の蒸発器に滴下し、全量を気化させた。これにN2を0.3L/min加えて希釈した。本条件で、120℃における相対湿度は、約31%と計算された。試験膜は、PTFE製の網に固定し、120℃に加熱したPTFE製の内筒内に置いた。
暴露試験後、80℃×2hrの真空乾燥処理を行い、膜重量W2を求めた。さらに、膜重量W1、W2から、重量変化ΔW(=(W1−W2)/W1×100)を算出した。
[2. Test method]
These samples were subjected to a hydrogen peroxide vapor exposure test (dry Fenton test) under the conditions of 120 ° C. × 5 hr.
First, the membrane before the test was vacuum dried at 80 ° C. for 2 hours to obtain the membrane weight W 1 .
Next, 1 wt% aqueous hydrogen peroxide was added dropwise to a PTFE evaporator heated to 120 ° C. at a rate of 0.12 mL / min to vaporize the entire amount. This was diluted by adding 0.3 L / min of N 2 . Under this condition, the relative humidity at 120 ° C. was calculated to be about 31%. The test membrane was fixed in a PTFE net and placed in a PTFE inner cylinder heated to 120 ° C.
After the exposure test, a vacuum drying process at 80 ° C. × 2 hr was performed to determine the film weight W 2 . Further, a weight change ΔW (= (W 1 −W 2 ) / W 1 × 100) was calculated from the film weights W 1 and W 2 .

試料を通過した過酸化水素蒸気を、PE製容器(周りを氷冷却)に入れた超純水100mLにバブリングして回収した。その回収水中に検出されたF-の量をオリオン社製のイオン選択性電極で計測し、試験膜面積と試験時間から単位時間、単位面積当たりのF-排出速度FRR(μg/cm2/hr)を求めた。
回収水(約130mL)の導電率を簡易導電率計((株)堀場製作所製;Twin cond B-173)で計測した。また、回収水のpHをpHメータ((株)堀場製作所製;F−7、緩衝溶液pH4.0とpH2.0で更正)で調べた。
The hydrogen peroxide vapor that passed through the sample was recovered by bubbling into 100 mL of ultrapure water in a PE container (cooled around the ice). Its recovery was detected in the water F - amount was measured by ion-selective electrode made Orion Corporation, a unit time from the test membrane area and test time, per unit area F - elimination rate FRR (μg / cm 2 / hr )
The conductivity of the recovered water (about 130 mL) was measured with a simple conductivity meter (manufactured by Horiba, Ltd .; Twin cond B-173). Further, the pH of the recovered water was examined with a pH meter (manufactured by Horiba, Ltd .; F-7, corrected with buffer solution pH 4.0 and pH 2.0).

[3. 結果]
表2に、その結果を示す。実施例7は、回収水の導電率が未添加のキャスト膜(比較例7)、市販のパーフルオロスルホン酸ポリマー膜(比較例8)や、Csのヘテロポリ酸塩を添加したキャスト膜(比較例9)、市販のパーフルオロスルホン酸ポリマー膜にセシウムイオンを導入した膜(比較例10)よりも小さく、膜劣化の程度(イオン成分の排出)が小さかった。また、実施例7では、pHが比較例7〜10より高く、F排出速度(FRR)も小さく、フッ化水素酸の生成が抑制されていた。
[3. result]
Table 2 shows the results. Example 7 is a cast film (Comparative Example 7) to which the conductivity of the recovered water is not added, a commercially available perfluorosulfonic acid polymer film (Comparative Example 8), or a cast film to which a Cs heteropolyacid salt is added (Comparative Example). 9) It was smaller than the membrane obtained by introducing cesium ions into a commercially available perfluorosulfonic acid polymer membrane (Comparative Example 10), and the degree of membrane deterioration (discharge of ionic components) was small. Moreover, in Example 7, pH was higher than Comparative Examples 7-10, F discharge rate (FRR) was also small, and the production | generation of hydrofluoric acid was suppressed.

Figure 2010257771
Figure 2010257771

(実施例8〜12、比較例11)
[1. 試料の作製]
60wt%Pt/C触媒0.5gに実施例1の方法で作製したりんタングステン酸トリブチルメチルホスホニウム塩を電極重量割合で0.01〜20wt%相当、蒸留水2.0g、エタノール2.5g、プロピレングリコール1.0g、22wt%ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製)0.9gをこの順で加えた。この溶液を超音波ホモジナイザーで分散させ、触媒インクを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布、乾燥してカソード転写電極を得た。Pt使用量は、0.5〜0.6mg/cm2の範囲で一定とした。
アノードには、30wt%Pt/Cを用い、上記ヘテロポリ酸塩を用いることなく、上記と同様の作製方法で得た電極を用いた。Pt使用量は、0.2mg/cm2とした。
これらの電極を36mm角に切り出し、パーフルオロ系電解質膜NRE212CS(デュポン社製)に熱圧着(120℃、50kgf/cm2(4.9MPa))して、MEAを作製した。
(Examples 8 to 12, Comparative Example 11)
[1. Preparation of sample]
The phosphotungstic acid tributylmethylphosphonium salt produced by the method of Example 1 is equivalent to 0.01 to 20 wt% of the 60 wt% Pt / C catalyst in the amount of electrode, 2.0 g of distilled water, 2.5 g of ethanol, propylene 1.0 g of glycol and 0.9 g of 22 wt% Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont) were added in this order. This solution was dispersed with an ultrasonic homogenizer to prepare a catalyst ink. This was coated on a polytetrafluoroethylene sheet and dried to obtain a cathode transfer electrode. The amount of Pt used was fixed in the range of 0.5 to 0.6 mg / cm 2 .
As the anode, 30 wt% Pt / C was used, and an electrode obtained by the same production method as described above was used without using the heteropolyacid salt. The amount of Pt used was 0.2 mg / cm 2 .
These electrodes were cut into 36 mm squares and thermocompression-bonded (120 ° C., 50 kgf / cm 2 (4.9 MPa)) to a perfluoro-based electrolyte membrane NRE212CS (manufactured by DuPont) to prepare an MEA.

[2. 試験方法]
以下の条件下で、耐久試験を行った。
アノードガス: H2(100ml/min)
カソードガス: Air(100ml/min)
セル温度: 80℃
加湿器温度: 60℃(アノード側、カソード側ともに)
試験時間: 開回路1分、0.1A/cm2を1分とするサイクル試験を150時間
耐久試験前後で0.8A/cm2における電圧値を測定し、その低下割合を算出した。
[2. Test method]
The durability test was performed under the following conditions.
Anode gas: H 2 (100 ml / min)
Cathode gas: Air (100 ml / min)
Cell temperature: 80 ° C
Humidifier temperature: 60 ° C (both anode and cathode)
Test time: A cycle test with an open circuit of 1 minute and 0.1 A / cm 2 of 1 minute was performed for 150 hours. A voltage value at 0.8 A / cm 2 was measured before and after the durability test, and the rate of decrease was calculated.

[3. 結果]
表3に、初期電圧及び耐久試験後の電圧低下率を示す。なお、実施例12は、初期電圧が著しく低下したために、耐久試験は行わなかった。
表3より、
(1)りんタングステン酸塩無添加の場合(比較例11)、初期電圧は高いが、電圧低下率が大きい、
(2)りんタングステン酸塩を添加した場合、添加量が多くなるほど電圧低下率は減少する、
(3)りんタングステン酸塩添加量が過剰になると、初期電圧が低下する、
(4)高い初期電圧と低い電圧低下率を両立させるためには、りんタングステン酸塩の添加量は、電極重量に対して0.05〜5wt%が好ましい、
ことがわかる。
[3. result]
Table 3 shows the initial voltage and the voltage drop rate after the durability test. In Example 12, the durability test was not performed because the initial voltage was significantly reduced.
From Table 3,
(1) When no phosphotungstate is added (Comparative Example 11), the initial voltage is high, but the voltage drop rate is large.
(2) When phosphotungstate is added, the voltage drop rate decreases as the amount added increases.
(3) When the amount of phosphotungstate added becomes excessive, the initial voltage decreases.
(4) In order to achieve both a high initial voltage and a low voltage drop rate, the amount of phosphotungstate added is preferably 0.05 to 5 wt% with respect to the electrode weight.
I understand that.

Figure 2010257771
Figure 2010257771

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。   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.

本発明に係る高耐久性電解質膜及び電極は、固体高分子型燃料電池、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電解質膜及び電極に用いることができる。
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適用することができる。
The highly durable electrolyte membrane and electrode according to the present invention are various types such as a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt electrolysis device, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. It can be used for electrolyte membranes and electrodes used in electrochemical devices.
Moreover, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be applied to an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.

Claims (9)

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜内に分散しているヘテロポリ酸塩とを備え、
前記ヘテロポリ酸塩は、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩、グアニジウム塩、1,10フェナントロリン塩、核酸塩基塩、及び、ピラゾロン化合物塩から選ばれるいずれか1以上である高耐久性電解質膜。
A solid polymer electrolyte membrane;
A heteropolyacid salt dispersed in the solid polymer electrolyte membrane,
The high-durability electrolyte membrane, wherein the heteropolyacid salt is at least one selected from pyridinium salt, imidazolium salt, phosphonium salt, guanidinium salt, 1,10 phenanthroline salt, nucleobase salt, and pyrazolone compound salt.
前記ヘテロポリ酸塩は、難溶性である請求項1に記載の高耐久性電解質膜。   The highly durable electrolyte membrane according to claim 1, wherein the heteropolyacid salt is hardly soluble. 前記ヘテロポリ酸塩の含有量が、前記固体高分子電解質膜重量に対して0.05〜5重量%である請求項1又は2に記載の高耐久性電解質膜。   The highly durable electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein a content of the heteropolyacid salt is 0.05 to 5 wt% with respect to a weight of the solid polymer electrolyte membrane. ハロゲンイオンの含有量が、前記固体高分子電解質膜重量当たり10ppm以下である請求項1から3までのいずれかに記載の高耐久性電解質膜。   The highly durable electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein a halogen ion content is 10 ppm or less per weight of the solid polymer electrolyte membrane. 電極触媒と、
前記電極触媒を被覆する固体高分子電解質と、
前記固体高分子電解質内に分散しているヘテロポリ酸塩とを備え、
前記ヘテロポリ酸塩は、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩、グアニジウム塩、1,10フェナントロリン塩、核酸塩基塩、及び、ピラゾロン化合物塩から選ばれるいずれか1以上である電極。
An electrocatalyst;
A solid polymer electrolyte covering the electrode catalyst;
A heteropolyacid salt dispersed in the solid polymer electrolyte,
The electrode, wherein the heteropolyacid salt is one or more selected from pyridinium salts, imidazolium salts, phosphonium salts, guanidinium salts, 1,10 phenanthroline salts, nucleobase salts, and pyrazolone compound salts.
前記ヘテロポリ酸塩は、難溶性である請求項5に記載の電極。   The electrode according to claim 5, wherein the heteropolyacid salt is hardly soluble. 前記ヘテロポリ酸塩の含有量が、電極重量に対して0.05〜5重量%である請求項5又は6に記載の電極。   The electrode according to claim 5 or 6, wherein the content of the heteropolyacid salt is 0.05 to 5% by weight with respect to the weight of the electrode. 請求項1から4までのいずれかに記載の高耐久性電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell using the highly durable electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4. 請求項5から7までのいずれかに記載の電極を用いた固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell using the electrode according to claim 5.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014523806A (en) * 2011-06-30 2014-09-18 ウニヴェルシタ’ デリ ストゥディ ディ ミラノ No-metal-free catalyst suitable for electrochemical reduction of oxygen
JPWO2017002560A1 (en) * 2015-06-29 2018-02-22 株式会社日本触媒 Polyether copolymer and method for producing the same
JP2019125429A (en) * 2018-01-12 2019-07-25 株式会社豊田中央研究所 Membrane-electrode-gas diffusion layer assembly

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005019232A (en) * 2003-06-26 2005-01-20 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Transition metal oxide containing solid polyelectrolyte
JP2005093234A (en) * 2003-09-17 2005-04-07 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Electrolyte membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell and the solid polymer fuel cell
JP2005531646A (en) * 2002-02-06 2005-10-20 バトル、メモリアル、インスティテュート Polymer electrolyte membranes used in fuel cells
JP2007511873A (en) * 2003-11-06 2007-05-10 ルノー・エス・アー・エス Ion conductive composite membrane
JP2008198447A (en) * 2007-02-12 2008-08-28 Toyota Central R&D Labs Inc Solid polymer fuel cell
JP2009016156A (en) * 2007-07-04 2009-01-22 National Institute For Materials Science Proton conductor for fuel cell and its manufacturing method
JP2009510703A (en) * 2005-09-30 2009-03-12 バトル、メモリアル、インスティテュート Fuel cell components containing immobilized heteropolyacids
WO2010058776A1 (en) * 2008-11-19 2010-05-27 日産化学工業株式会社 Charge-transporting material and charge-transporting varnish
JP2010257772A (en) * 2009-04-24 2010-11-11 Toyota Central R&D Labs Inc Method of manufacturing polymer electrolyte fuel cell

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005531646A (en) * 2002-02-06 2005-10-20 バトル、メモリアル、インスティテュート Polymer electrolyte membranes used in fuel cells
JP2005019232A (en) * 2003-06-26 2005-01-20 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Transition metal oxide containing solid polyelectrolyte
JP2005093234A (en) * 2003-09-17 2005-04-07 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Electrolyte membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell and the solid polymer fuel cell
JP2007511873A (en) * 2003-11-06 2007-05-10 ルノー・エス・アー・エス Ion conductive composite membrane
JP2009510703A (en) * 2005-09-30 2009-03-12 バトル、メモリアル、インスティテュート Fuel cell components containing immobilized heteropolyacids
JP2008198447A (en) * 2007-02-12 2008-08-28 Toyota Central R&D Labs Inc Solid polymer fuel cell
JP2009016156A (en) * 2007-07-04 2009-01-22 National Institute For Materials Science Proton conductor for fuel cell and its manufacturing method
WO2010058776A1 (en) * 2008-11-19 2010-05-27 日産化学工業株式会社 Charge-transporting material and charge-transporting varnish
JP2010257772A (en) * 2009-04-24 2010-11-11 Toyota Central R&D Labs Inc Method of manufacturing polymer electrolyte fuel cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014523806A (en) * 2011-06-30 2014-09-18 ウニヴェルシタ’ デリ ストゥディ ディ ミラノ No-metal-free catalyst suitable for electrochemical reduction of oxygen
JPWO2017002560A1 (en) * 2015-06-29 2018-02-22 株式会社日本触媒 Polyether copolymer and method for producing the same
JP2019125429A (en) * 2018-01-12 2019-07-25 株式会社豊田中央研究所 Membrane-electrode-gas diffusion layer assembly

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