JP2012064343A - Catalyst layer-electrolyte membrane stack, membrane-electrode junction body and fuel cell using the stack, and manufacturing method of the stack - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst layer-electrolyte membrane stack which is excellent in mechanical strength despite a thin electrolyte membrane, in which adhesion between catalyst layer and electrolyte membrane is improved, and has high proton conductivity under a non-humidified state, and a membrane-electrode junction body and a fuel cell using the stack, and a manufacturing method of the stack.SOLUTION: A catalyst layer-electrolyte membrane stack of the present invention includes an electrolyte membrane 1 and catalyst layers 2a, 2b, the electrolyte membrane 1 includes solid acid and a porous support body 3, the catalyst layers 2a, 2b include a catalyst and are respectively joined to the both surfaces of the electrolyte membrane 1, and the porous support body 3 penetrates the electrolyte membrane 1 and at least a part of one or both of the catalyst layers 2a, 2b. A manufacturing method of the present invention includes a process of forming a catalyst layer including a porous support body at least in a part thereof, a process of forming an electrolyte membrane including the porous support body, and a process of forming another catalyst layer that includes or does not include the porous support body at least in a part thereof.

Description

本発明は、触媒層−電解質膜積層体、及びそれを用いた膜電極接合体と燃料電池、並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a membrane electrode assembly and a fuel cell using the same, and a method for producing the same.

近年、環境意識の高まりとともに、CO2や汚染物質を排出しないクリーンエネルギーとして燃料電池が注目されている。その中でも、エネルギー効率が高く、温度領域が100℃前後と一般用に取り扱いやすい固体高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)の開発が期待されている。 In recent years, with increasing environmental awareness, fuel cells have attracted attention as clean energy that does not emit CO 2 or pollutants. Among them, the development of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a solid polymer electrolyte that has high energy efficiency and a temperature range of around 100 ° C. and is easy to handle for general use is expected.

固体高分子形燃料電池は、通常固体高分子電解質からなる電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体を基本単位とする。固体高分子電解質としては、一般的にNafion(登録商標)で知られているパーフルオロスルホン酸等が用いられているが、プロトン伝導機構がH3+の状態でプロトンを伝導する運搬(Vehicle)機構であるため、加湿機構を備える必要があり、このためシステムが煩雑になるという問題点がある。 A polymer electrolyte fuel cell is basically composed of a membrane electrode assembly in which electrodes are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane usually made of a solid polymer electrolyte. As the solid polymer electrolyte, perfluorosulfonic acid or the like generally known as Nafion (registered trademark) is used, but transporting protons in a state where the proton conduction mechanism is H 3 O + (Vehicle) ) Mechanism, it is necessary to provide a humidifying mechanism, which causes a problem that the system becomes complicated.

そこで、無加湿状態でプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質として金属リン酸塩が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。また、金属リン酸塩の一部に別種の金属をドープしたものも提案されている(例えば、特許文献2,3参照。)。   Therefore, metal phosphates have been proposed as proton conductive electrolytes having proton conductivity in a non-humidified state (see, for example, Patent Document 1). Moreover, what doped another kind of metal to some metal phosphates is proposed (for example, refer patent document 2, 3).

しかしながら、特許文献1〜3に提案されている金属リン酸塩は、粉体であるため、成形性が困難であり、通常バインダーを添加してフィルム化しているが、バインダーを添加すると電解質本来のプロトン伝導性を阻害するため、電解質膜のプロトン伝導性と機械的性能がトレードオフの関係となり、電解質膜のプロトン伝導性と膜強度の両立が困難であるという問題がある。   However, since the metal phosphates proposed in Patent Documents 1 to 3 are powders, formability is difficult, and usually a film is formed by adding a binder. In order to inhibit proton conductivity, there is a trade-off relationship between proton conductivity and mechanical performance of the electrolyte membrane, and there is a problem that it is difficult to achieve both proton conductivity and membrane strength of the electrolyte membrane.

一方、膜強度を高め、機械的性能を改善した電解質膜として、多孔質材料に電解質を含浸させた複合膜が提案されている(例えば、特許文献4〜6参照。)。   On the other hand, a composite membrane in which a porous material is impregnated with an electrolyte has been proposed as an electrolyte membrane with improved membrane strength and improved mechanical performance (see, for example, Patent Documents 4 to 6).

そして、燃料電池の出力特性が向上するという観点から、電解質膜の薄膜化が推奨されているが、
多孔質材料に電解質を含浸させた複合膜は、薄膜にすると、十分な膜強度が得られないという問題がある。
And, from the viewpoint of improving the output characteristics of the fuel cell, it is recommended to make the electrolyte membrane thinner,
When a composite film in which a porous material is impregnated with an electrolyte is made into a thin film, there is a problem that sufficient film strength cannot be obtained.

さらに、燃料電池の電池性能を向上させるという観点から、電解質膜と触媒層との接合性を良好にさせることが要求されている(例えば、特許文献7)。   Furthermore, from the viewpoint of improving the battery performance of the fuel cell, it is required to improve the bonding property between the electrolyte membrane and the catalyst layer (for example, Patent Document 7).

特開2005−294245号公報JP 2005-294245 A 特開2008−53224号公報JP 2008-53224 A 特開2008−53225号公報JP 2008-53225 A 特開2002−8680号公報JP 2002-8680 A 特表平11−501964号公報Japanese National Patent Publication No. 11-501964 特開平10−92444号公報JP-A-10-92444 特開2008−293737号公報JP 2008-293737 A

本発明は、上記従来の問題を解決するため、電解質膜が薄膜でありながら機械強度に優れ、触媒層と電解質膜との密着性が向上し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有する触媒層−電解質膜積層体、及びそれを用いた膜電極接合体と燃料電池、並びにその製造方法を提供する。   In order to solve the above-described conventional problems, the present invention is a catalyst layer that is excellent in mechanical strength while the electrolyte membrane is a thin film, has improved adhesion between the catalyst layer and the electrolyte membrane, and has high proton conductivity in a non-humidified state. An electrolyte membrane laminate, a membrane electrode assembly and a fuel cell using the same, and a method for producing the same are provided.

本発明の触媒層−電解質膜積層体は、電解質膜と、一対の触媒層とを含む触媒層−電解質膜積層体であって、上記電解質膜は、固体酸を含み、多孔質支持体を備えており、上記触媒層は、触媒を含み、上記電解質膜の両面にそれぞれ接合されており、上記多孔質支持体が、上記電解質膜と少なくとも上記触媒層の一方又は両方の一部を貫通していることを特徴とする。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate of the present invention is a catalyst layer-electrolyte membrane laminate comprising an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers, the electrolyte membrane comprising a solid acid and comprising a porous support. The catalyst layer includes a catalyst and is bonded to both surfaces of the electrolyte membrane, and the porous support penetrates at least part of one or both of the electrolyte membrane and the catalyst layer. It is characterized by being.

また、本発明の膜電極接合体は、本発明の触媒層−電解質膜積層体と、一対のガス拡散層とを備え、上記ガス拡散層が上記触媒層−電解質膜積層体の両面にそれぞれ配置されていることを特徴とする。   The membrane electrode assembly of the present invention comprises the catalyst layer-electrolyte membrane laminate of the present invention and a pair of gas diffusion layers, and the gas diffusion layers are disposed on both sides of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate, respectively. It is characterized by being.

また、本発明の燃料電池は、本発明の触媒層−電解質膜積層体と、一対のガス拡散層と、一対のセパレータとを備え、上記ガス拡散層と上記セパレータが上記触媒層−電解質膜積層体の両面にそれぞれ順次積層されていることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention includes the catalyst layer-electrolyte membrane laminate of the present invention, a pair of gas diffusion layers, and a pair of separators, and the gas diffusion layer and the separator are the catalyst layer-electrolyte membrane laminates. It is characterized by being sequentially laminated on both sides of the body.

また、本発明のプロトン伝導性電解質膜の製造方法は、触媒を含み、少なくとも一部に多孔質支持体を備える触媒層を形成する工程と、固体酸を含み、多孔質支持体を備える電解質膜を形成する工程と、触媒を含み、少なくとも一部に多孔質支持体を備えるか又は多孔質支持体を備えていない他方の触媒層を形成する工程とを含み、上記多孔質支持体が前記電解質膜と少なくとも一方又は両方の前記触媒層の一部を貫通していることを特徴とする。   Further, the method for producing a proton conductive electrolyte membrane of the present invention includes a step of forming a catalyst layer including a catalyst and having a porous support at least partially, and an electrolyte membrane including a solid acid and including the porous support. And a step of forming the other catalyst layer containing a catalyst and having a porous support at least partially or not having a porous support, wherein the porous support is the electrolyte. It is characterized by penetrating a part of the catalyst layer of at least one or both of the membrane.

本発明によれば、多孔質支持体が、電解質膜と少なくとも触媒層の一方又は両方の一部を貫通することにより、電解質膜が薄膜でありながら機械強度に優れ、触媒層と電解質膜との密着性が向上し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有する触媒層−電解質膜積層体、及びそれを用いた膜電極接合体と燃料電池を提供できる。また、本発明の製造方法によれば、電解質膜が薄膜でありながら機械強度に優れ、触媒層と電解質膜との密着性が向上し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有する触媒層−電解質膜積層体が容易に得られる。   According to the present invention, the porous support penetrates at least part of one or both of the electrolyte membrane and the catalyst layer, so that the electrolyte membrane is excellent in mechanical strength while being a thin film. A catalyst layer-electrolyte membrane laminate having improved adhesion and high proton conductivity in a non-humidified state, and a membrane electrode assembly and a fuel cell using the same can be provided. Further, according to the production method of the present invention, the catalyst layer is excellent in mechanical strength while the electrolyte membrane is thin, the adhesion between the catalyst layer and the electrolyte membrane is improved, and the catalyst layer-electrolyte having high proton conductivity in a non-humidified state A film laminate is easily obtained.

図1A〜1Eは、本発明の実施形態1に係る触媒層−電解質膜積層体のいくつかの例を示す模式的断面図である。1A to 1E are schematic cross-sectional views showing some examples of a catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 1 of the present invention. 図2Aは、本発明の実施形態1に係る触媒層−電解質膜積層体の一例の製造工程を示す模式的断面図である。FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing an example of the manufacturing process of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 1 of the present invention. 図2Bは、本発明の実施形態1に係る触媒層−電解質膜積層体の他の一例の製造工程を示す模式的断面図である。FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing another example manufacturing process of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 1 of the present invention. 図2Cは、本発明の実施形態1に係る触媒層−電解質膜積層体の他の一例の製造工程を示す模式的断面図である。FIG. 2C is a schematic cross-sectional view showing another example manufacturing process of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 1 of the present invention. 図2Dは、本発明の実施形態1に係る触媒層−電解質膜積層体の他の一例の製造工程を示す模式的断面図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view showing another example manufacturing process of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 1 of the present invention. 図2Eは、本発明の実施形態1に係る触媒層−電解質膜積層体の他の一例の製造工程を示す模式的断面図である。FIG. 2E is a schematic cross-sectional view showing another example manufacturing process of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 1 of the present invention. 図3は、本発明の実施形態2に係る膜電極接合体の一例を示す模式的断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly according to Embodiment 2 of the present invention. 図4は、本発明の実施形態3に係る燃料電池の一例を示す模式的断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. 図5は、本発明の一実施例で用いた電解質の倍率250倍のSEM写真である。FIG. 5 is an SEM photograph of 250 times magnification of the electrolyte used in one example of the present invention. 図6は、本発明の一実施例における電解質膜中の電解質の倍率3万倍のSEM写真である。FIG. 6 is an SEM photograph at a magnification of 30,000 times of the electrolyte in the electrolyte membrane in one example of the present invention.

以下、図面等に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための材料や製造方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、材料や製造方法等を下記のものに限定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. The following embodiments exemplify materials and manufacturing methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is limited to the following materials and manufacturing methods. It is not what you do. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

[実施形態1]
まず、本発明の実施形態1として、触媒層−電解質膜積層体について説明する。
[Embodiment 1]
First, a catalyst layer-electrolyte membrane laminate will be described as Embodiment 1 of the present invention.

(触媒層−電解質膜積層体)
図1A〜1Eは、本発明の実施形態1に係る触媒層−電解質膜積層体のいくつかの例を示す模式的断面図である。触媒層−電解質膜積層体10は、図1A〜1Eに示すように、電解質膜1と、一対の触媒層2a、2bとを含み、電解質膜1は、多孔質支持体3を備えており、触媒層2a、2bは、電解質膜1の両面にそれぞれ接合されており、多孔質支持体3が、電解質膜1と少なくとも触媒層2a、2bの一方又は両方の一部を貫通している。なお、電解質膜1は固体酸を含み、触媒層は触媒を含む。
(Catalyst layer-electrolyte membrane laminate)
1A to 1E are schematic cross-sectional views showing some examples of a catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 1 of the present invention. 1A to 1E, the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 includes an electrolyte membrane 1 and a pair of catalyst layers 2a and 2b, and the electrolyte membrane 1 includes a porous support 3. The catalyst layers 2a and 2b are respectively joined to both surfaces of the electrolyte membrane 1, and the porous support 3 penetrates the electrolyte membrane 1 and at least part of one or both of the catalyst layers 2a and 2b. The electrolyte membrane 1 contains a solid acid, and the catalyst layer contains a catalyst.

[電解質膜]
電解質膜1は、その厚みは特に限定されず、通常約20〜1000μmであり、強度の観点から、約20〜300μmであることが好ましく、薄膜の観点から、20〜50μmであることが好ましい。
[Electrolyte membrane]
The thickness of the electrolyte membrane 1 is not particularly limited, and is usually about 20 to 1000 μm, preferably about 20 to 300 μm from the viewpoint of strength, and preferably 20 to 50 μm from the viewpoint of a thin film.

<固体酸>
本発明において、「固体酸」とは、固体でありながら、酸の特性を示すものを意味する。固体酸としては、特に限定されず、例えば無機固体酸や有機固体酸を用いることができ、プロトン伝導性の観点から、室温から200℃までの温度範囲かつ無加湿雰囲気下において、プロトン伝導性を有する固体酸を用いることが好ましい。本明細書において、無加湿雰囲気下とは、固体酸が置かれた雰囲気中に意図的な加湿を行わないことを意味する。また、室温とは、本発明の目的においては、固体酸が置かれた雰囲気中に意図的な温度調整を行わないことを意味する。
<Solid acid>
In the present invention, the “solid acid” means a solid that exhibits acid characteristics. The solid acid is not particularly limited. For example, an inorganic solid acid or an organic solid acid can be used. From the viewpoint of proton conductivity, proton conductivity can be obtained in a temperature range from room temperature to 200 ° C. and in a non-humidified atmosphere. It is preferable to use a solid acid. In this specification, the non-humidified atmosphere means that intentional humidification is not performed in the atmosphere where the solid acid is placed. Moreover, room temperature means that intentional temperature adjustment is not performed in the atmosphere in which the solid acid is placed for the purpose of the present invention.

上記有機固体酸としては、スルホン酸基を有する有機酸であればよく、特に限定されない。例えば、ベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、2−ナフタレンスルホン酸、1,5−ナフタレンジスルホン酸、2,6−ナフタレンジスルホン酸、1,3,6−ナフタレントリスルホン酸、1,3,5,7−ナフタレンテトラスルホン酸等が挙げられる。上記スルホン酸基を有する有機酸を単独又は一種以上混合して用いてもよい。   The organic solid acid is not particularly limited as long as it is an organic acid having a sulfonic acid group. For example, benzenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid, 2-naphthalenesulfonic acid, 1,5-naphthalenedisulfonic acid, 2,6-naphthalenedisulfonic acid, 1,3,6-naphthalenetrisulfonic acid, 1,3,5, Examples include 7-naphthalene tetrasulfonic acid. You may use the organic acid which has the said sulfonic acid group individually or in mixture of 1 or more types.

上記無機固体酸としては、例えばプロトン伝導性を有する無機固体酸を用いることができ、プロトン伝導性を有する無機塩であることが好ましい。   As the inorganic solid acid, for example, an inorganic solid acid having proton conductivity can be used, and an inorganic salt having proton conductivity is preferable.

上記プロトン伝導性を有する無機塩としては、金属リン酸塩、金属硫酸塩等が挙げられる。上記金属リン酸塩としては、オルトリン酸塩、ピロリン酸塩等の化合物を挙げることができる。中でも、プロトン伝導性という観点から、下記式(1)で表される金属リン酸塩であることがより好ましい。
1-xx27 (1)
但し、式(1)中、Xは0≦X<0.5であり、MはZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Hf,Ca,Mg,W,Na及びAlからなる群から選ばれる1種であり、NはAl,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce,La,Sb,Y,Nb及びMgからなる群から選ばれる1種である。
Examples of the inorganic salt having proton conductivity include metal phosphates and metal sulfates. Examples of the metal phosphate include compounds such as orthophosphate and pyrophosphate. Among these, from the viewpoint of proton conductivity, a metal phosphate represented by the following formula (1) is more preferable.
M 1-x N x P 2 O 7 (1)
However, in Formula (1), X is 0 ≦ X <0.5, and M is a group consisting of Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, and Al. N is one selected from the group consisting of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La, Sb, Y, Nb and Mg.

上記金属リン酸塩としては、具体的には、リン酸スズ,リン酸ジルコニウム,リン酸セシウム,タングステンリン酸塩等を挙げることができる。好ましくは、スズやセシウム等の金属の一部がインジウム,アルミニウムやアンチモン等のドーピング金属元素で置換されたピロリン酸塩である。   Specific examples of the metal phosphate include tin phosphate, zirconium phosphate, cesium phosphate, and tungsten phosphate. Pyrophosphate is preferred in which a part of a metal such as tin or cesium is substituted with a doping metal element such as indium, aluminum or antimony.

上記金属リン酸塩は、Zr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Hf,Ca,Mg,W,Na又はAl等の金属を主金属として、主金属と異なる金属をドープしてもよい。ドープ金属を用いた場合、上記主金属のうちリン酸塩としての安定性の点から、Sn,Cs,Ti又はZrを用いることが好ましい。   The metal phosphate may be doped with a metal different from the main metal using a metal such as Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na or Al as the main metal. Good. When a doped metal is used, it is preferable to use Sn, Cs, Ti, or Zr from the viewpoint of stability as a phosphate among the main metals.

上記ドープ金属としては、例えば、Snを主金属として用いた場合、主金属と固溶可能なものであることから、In,Alが好適である。主金属とドープ金属の配合比率は固溶限界により異なるが、Snを主金属、Inをドープ金属として用いる場合、例えば、モル比で、Sn/In=7/3〜9.8/0.2の範囲が望ましい。   As the dope metal, for example, when Sn is used as the main metal, In and Al are suitable because they can be dissolved in the main metal. The mixing ratio of the main metal and the dope metal varies depending on the solid solubility limit. When Sn is used as the main metal and In is used as the dope metal, for example, the molar ratio is Sn / In = 7/3 to 9.8 / 0.2. A range of is desirable.

上記金属リン酸塩は、例えば1種以上の金属酸化物とリン酸を加熱して、熱処理することにより合成することができる。   The metal phosphate can be synthesized, for example, by heating one or more metal oxides and phosphoric acid, followed by heat treatment.

上記金属酸化物としては、リン酸と結晶性塩を生成可能なものであればよく、特に限定されない。例えば、Zr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Hf,Ca,Mg,W,Na及びAl等の金属元素からなる酸化物が挙げられる。   The metal oxide is not particularly limited as long as it can generate phosphoric acid and a crystalline salt. Examples thereof include oxides made of metal elements such as Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, and Al.

上記金属リン酸塩は、具体的には、以下のようにして作製することができる。まず、スズ等の主金属を含む化合物(以下、単に主金属化合物とも記す。)及びインジウム等のドーピング金属を含む化合物(以下、単にドーピング金属化合物とも記す。)と、液体リン酸を、所定のモル数で配合して混合物を得る。次いで、得られた混合物に水を加えて、約100〜300℃の温度で、約1〜3時間スターラー等を用いて攪拌して分散させて分散液を得る。得られた分散液を坩堝に入れて、例えば、約300〜700℃の温度で、約1〜3時間焼成する。上記高温状態ではリン酸が消失する恐れがあるため、液体リン酸のモル数は大目、例えば、モル当量の約1.1〜1.5倍加えるのが望ましい。なお、主金属化合物及びドーピング金属化合物としては、例えば金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、又は金属硝酸化物等を用いることができる。   Specifically, the metal phosphate can be produced as follows. First, a compound containing a main metal such as tin (hereinafter also simply referred to as a main metal compound), a compound containing a doping metal such as indium (hereinafter also simply referred to as a doping metal compound), liquid phosphoric acid, Blend in moles to obtain a mixture. Next, water is added to the obtained mixture, and the mixture is stirred and dispersed with a stirrer or the like at a temperature of about 100 to 300 ° C. for about 1 to 3 hours to obtain a dispersion. The obtained dispersion is put in a crucible and baked at a temperature of about 300 to 700 ° C. for about 1 to 3 hours, for example. Since phosphoric acid may be lost in the high temperature state, it is desirable to add a large number of moles of liquid phosphoric acid, for example, about 1.1 to 1.5 times the molar equivalent. As the main metal compound and the doping metal compound, for example, a metal oxide, a metal hydroxide, a metal chloride, or a metal nitrate can be used.

上記において、焼成時におけるリン酸消失の問題を回避するため、液体リン酸に替えて固体リン酸を用いても良い。固体リン酸としては、例えば、リン酸1水素アンモニウム、リン酸2水素アンモニウム等を用いて、スズ等の主金属を含む金属酸化物、及びインジウム等のドーピング金属を含む金属酸化物とを所定のモル数で混合する。主金属を含む金属酸化物とドーピング金属を含む金属酸化物は、主金属とドーピング金属のモル比を、例えば、約9/1〜1/1にして混合したものがよい。得られた混合物を坩堝に投入し、例えば、約300〜650℃の温度で、約1〜3時間で焼成する。次いで、焼成で得られた生成物をめのう鉢で粉砕して、所望の金属リン酸塩を得ることができる。固体リン酸を用いることにより、モル当量のリン酸が、金属酸化物と反応し、余剰物は高温により揮発するため余剰のリン酸が付着せず再現性の良い金属リン酸塩を得ることができる。   In the above, in order to avoid the problem of disappearance of phosphoric acid during firing, solid phosphoric acid may be used instead of liquid phosphoric acid. As the solid phosphoric acid, for example, a metal oxide containing a main metal such as tin and a metal oxide containing a doping metal such as indium using a monoammonium phosphate, an ammonium dihydrogen phosphate, etc. Mix in moles. The metal oxide containing the main metal and the metal oxide containing the doping metal are preferably mixed at a molar ratio of the main metal to the doping metal of, for example, about 9/1 to 1/1. The obtained mixture is put into a crucible and fired at a temperature of about 300 to 650 ° C. for about 1 to 3 hours. Subsequently, the product obtained by baking can be pulverized in an agate bowl to obtain a desired metal phosphate. By using solid phosphoric acid, a molar equivalent of phosphoric acid reacts with the metal oxide, and the excess is volatilized at a high temperature, so that excess phosphoric acid does not adhere and a reproducible metal phosphate can be obtained. it can.

また、上記金属リン酸塩は、共沈法で作製することも可能である。例えば、塩化スズ5水和物(SnCl4・5H2O)及び塩化インジウム4水和物(InCl3・4H2O)を、スズとインジウムが約9/1のモル比となるよう所定濃度の水溶液に調整した後、スターラーで攪拌しながら、アンモニア水溶液をpH7になるまで滴下することにより、水酸化スズ(Sn(OH)4)中に微量な水酸化インジウム(In(OH)3)が均一に存在した状態の沈殿物が得られる。その後、沈殿物を吸引・濾過して乾燥させ、上記水酸化塩とリン酸を混合し、還元雰囲気下で約200℃、約2時間熱処理を行うことにより、金属リン酸塩を得ることができる。最後に脱イオン水で洗浄を行う。共沈法によれば、所望の複数の金属イオンを含む溶液から複数種類の難溶性塩を同時に沈殿させることで、インジウムをリン酸スズに均一にドープした粉体を調整することができる。 Moreover, the said metal phosphate can also be produced by a coprecipitation method. For example, tin chloride pentahydrate (SnCl 4 .5H 2 O) and indium chloride tetrahydrate (InCl 3 .4H 2 O) are added at a predetermined concentration so that the molar ratio of tin to indium is about 9/1. After adjusting to an aqueous solution, while stirring with a stirrer, an aqueous ammonia solution is added dropwise until the pH becomes 7, whereby a small amount of indium hydroxide (In (OH) 3 ) is uniformly contained in tin hydroxide (Sn (OH) 4 ). A precipitate in the state present in is obtained. Thereafter, the precipitate is suctioned, filtered and dried, the above-mentioned hydroxide salt and phosphoric acid are mixed, and heat treatment is carried out in a reducing atmosphere at about 200 ° C. for about 2 hours to obtain a metal phosphate. . Finally, wash with deionized water. According to the coprecipitation method, a powder in which indium is uniformly doped with tin phosphate can be prepared by simultaneously precipitating a plurality of types of hardly soluble salts from a solution containing a plurality of desired metal ions.

また、上記固体酸としては、上記金属リン酸塩とリン酸類で構成された電解質であってもよい。   The solid acid may be an electrolyte composed of the metal phosphate and phosphoric acid.

上記リン酸類(以下、単に「リン酸」ともいう。)とは、オルトリン酸及びリン酸縮合体をいい、リン酸縮合体としては、ピロリン酸、トリリン酸、メタリン酸(ポリリン酸)等が挙げられる。   The phosphoric acids (hereinafter also simply referred to as “phosphoric acid”) refer to orthophosphoric acid and phosphoric acid condensate, and examples of the phosphoric acid condensate include pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, metaphosphoric acid (polyphosphoric acid), and the like. It is done.

また、上述した金属リン酸塩とリン酸類で構成された電解質は、金属リン酸塩の金属元素及びドープされる金属元素の原子数をそれぞれ[m]及び[n]、金属リン酸塩のリンの原子数とリン酸のリンの原子数の合計を[p]とした場合、下記式(2)を満たすことが好ましい。
2<[p]/([m]+[n])≦4 (2)
In addition, the electrolyte composed of the above-described metal phosphate and phosphoric acid has the number of atoms of the metal element of the metal phosphate and the metal element to be doped [m] and [n], respectively, and the phosphorus of the metal phosphate. When the sum of the number of atoms and the number of phosphorus atoms in phosphoric acid is [p], it is preferable to satisfy the following formula (2).
2 <[p] / ([m] + [n]) ≦ 4 (2)

より好ましくは、下記式(3)を満たす。
2.4≦[p]/([m]+[n])≦3.2 (3)
More preferably, the following formula (3) is satisfied.
2.4 ≦ [p] / ([m] + [n]) ≦ 3.2 (3)

上記式(2)を満たすことにより、高いプロトン伝導性が得られるとともに、成形性が良好なものとなる。上記式[p]/([m]+[n])の値が2以下であると、金属リン酸塩上のリン酸量が少なくなり、プロトン伝導性が向上しにくくなる。一方、上記式[p]/([m]+[n])の値が4を超えると、リン酸量が多すぎて大気中の水分の吸湿が高く成形体が脆くなるので形状が維持できない恐れがある。   By satisfy | filling said Formula (2), while high proton conductivity is acquired, a moldability will become favorable. When the value of the above formula [p] / ([m] + [n]) is 2 or less, the amount of phosphoric acid on the metal phosphate is reduced, and the proton conductivity is hardly improved. On the other hand, if the value of the above formula [p] / ([m] + [n]) exceeds 4, the amount cannot be maintained because the amount of phosphoric acid is too high and moisture in the atmosphere is so high that the molded body becomes brittle. There is a fear.

また、上記プロトン伝導性を有する無機塩としては、ヘテロポリ酸と無機塩の複合体を用いてもよい。上記無機塩としては、硫酸水素塩、リン酸水素塩等が挙げられる。上記硫酸水素塩としては、硫酸水素セシウム、硫酸水素カリウム等を挙げることができる。上記リン酸水素塩としては、リン酸水素セシウム等を挙げることができる。上記ヘテロポリ酸としては、リンタングステン酸(H3PW1240:WPA)等が挙げられる。また、硫酸水素塩やリン酸水素塩の替わりに炭酸セシウム(Cs2CO3)、硫酸セシウム(Cs2SO4)等を用いてもよい。中でも、プロトン伝導性の観点から、硫酸水素塩とヘテロポリ酸の複合体が好ましく、より好ましいのはメカノケミカル法によって得られる硫酸水素カリウムとリンタングステン酸の複合体である。 Further, as the inorganic salt having proton conductivity, a complex of a heteropolyacid and an inorganic salt may be used. Examples of the inorganic salt include hydrogen sulfate and hydrogen phosphate. Examples of the hydrogen sulfate include cesium hydrogen sulfate and potassium hydrogen sulfate. Examples of the hydrogen phosphate include cesium hydrogen phosphate. Examples of the heteropolyacid include phosphotungstic acid (H 3 PW 12 O 40 : WPA). Further, cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), cesium sulfate (Cs 2 SO 4 ), or the like may be used instead of hydrogen sulfate or hydrogen phosphate. Among these, from the viewpoint of proton conductivity, a complex of hydrogen sulfate and heteropolyacid is preferable, and a complex of potassium hydrogen sulfate and phosphotungstic acid obtained by a mechanochemical method is more preferable.

ヘテロポリ酸と無機塩の複合体の一種であるタングステンリン酸と硫酸水素カリウム(KHSO4)の複合体は、例えば以下のようなメカノケミカル法で作製することができる。WPA(H3PW1240:12タングスト(VI)リン酸n水和物)をあらかじめ温度60℃で約5〜24時間乾燥することにより、6水和物(WPA・6H2O)にする。次いで、得られたWPA・6H2Oと硫酸水素カリウム(KHSO4)とボールをめのうポットに入れる。その後、遊星ボールミル(フリッチェ・ジャパン株式会社製、P−7)で720rpm、10分混合することにより、タングステンリン酸と硫酸水素カリウム(KHSO4)の複合体が得られる。タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの配合量は、モル比で、例えば、1/99〜40/60であることが好ましい。 A complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ), which is a kind of a complex of a heteropolyacid and an inorganic salt, can be produced by, for example, the following mechanochemical method. WPA (H 3 PW 12 O 40 : 12 Tungsto (VI) phosphoric acid n hydrate) is preliminarily dried at a temperature of 60 ° C. for about 5 to 24 hours to obtain hexahydrate (WPA · 6H 2 O). . Next, the obtained WPA · 6H 2 O, potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) and the ball are put in an agate pot. Then, the complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) is obtained by mixing at 720 rpm for 10 minutes with a planetary ball mill (manufactured by Frichce Japan KK, P-7). It is preferable that the compounding quantity of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate is 1 / 99-40 / 60 by molar ratio, for example.

なお、上記メカノケミカル法では、ボールミル等を用いたミリングによって得られる衝撃や摩擦等の大きな機械的エネルギーを利用することによって、タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を合成している。したがって、タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を作製する場合には、金属リン酸塩等のように高温プロセスを必要としないため、作製が比較的容易であるという利点がある。   In the mechanochemical method, a composite of tungsten phosphate and potassium hydrogen sulfate is synthesized by utilizing a large mechanical energy such as impact and friction obtained by milling using a ball mill or the like. Therefore, when producing a composite of tungsten phosphate and potassium hydrogen sulfate, there is an advantage that production is relatively easy because a high-temperature process is not required unlike metal phosphates.

上記ミリング処理により、WPAのケギンアニオンPW1240 3-とKHSO4のHSO4 -アニオンがブレンステッド酸−塩基対の形で水素結合を形成することが導電率の向上に関係していると考えられる。硫酸水素塩とヘテロポリ酸をメカノケミカル法により複合化し、無機固体表面に欠陥構造やランダム構造を高密度に導入し、水素結合ネットワークを設計することが、広い温度範囲で高いプロトン伝導性を有する複合体を合成するための一つの重要な指針となる。 It is thought that the above-mentioned milling treatment is related to the improvement of conductivity by the formation of hydrogen bonds in the form of Bronsted acid-base pairs between the KPA Keggin anion PW 12 O 40 3− and the HSO 4 anion of KHSO 4. It is done. Combining hydrogen sulfate and heteropoly acid by mechanochemical method, introducing defect structures and random structures at high density on the surface of inorganic solids, and designing a hydrogen bond network is a composite with high proton conductivity in a wide temperature range It is an important guide for synthesizing the body.

また、上記固体酸としては、セシウムリン酸とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体を用いても良い。上記セシウムリン酸としては、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)等を挙げることができる。 Further, as the solid acid, a complex of cesium phosphoric acid and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) may be used. Examples of the cesium phosphoric acid include cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ), cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), and the like.

リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体は、例えば、以下のようにして作製する。 Complex of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) For example, the composite is prepared as follows.

まず、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を、以下のようにして作製する。炭酸セシウム(Cs2CO3)及び水を所定の割合で混合し、スターラー等を用いて撹拌子で撹拌する。次いで、所定のモル数の液体リン酸を少量ずつ滴下し、約100〜150℃の温度で、約1〜3時間、撹拌しながら水を蒸発させる。その後、オーブンに入れて、例えば、約100〜150℃の温度で乾燥する。乾燥する時間は、例えば、約1日〜数日である。次いで、乾燥で得られた生成物をめのう鉢で粉砕して粉末状にし、所望のリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を得ることができる。 First, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) is prepared as follows. Cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and water are mixed at a predetermined ratio and stirred with a stirrer using a stirrer or the like. Next, a predetermined number of moles of liquid phosphoric acid are added dropwise little by little, and water is evaporated while stirring at a temperature of about 100 to 150 ° C. for about 1 to 3 hours. Then, it puts into oven and dries at the temperature of about 100-150 degreeC, for example. The drying time is, for example, about 1 day to several days. Next, the product obtained by drying is pulverized in an agate bowl to form a powder, and the desired cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) is obtained. Obtainable.

次に、リン酸ケイ素(SiP27)は、以下のようにして作製する。二酸化ケイ素(SiO2)と液体リン酸を所定のモル数で配合する。次いで、混合物をめのうばちに入れ、水あめ状になるまで混ぜる。その後、アルミナ坩堝に入れて、約100〜700℃の温度で焼成する。焼成する時間は、例えば、約30〜80時間である。次いで、焼成で得られた生成物をめのう鉢で粉砕して、所望のリン酸ケイ素(SiP27)を得ることができる。 Next, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is produced as follows. Silicon dioxide (SiO 2 ) and liquid phosphoric acid are blended in a predetermined number of moles. The mixture is then placed in an agate noodle and mixed until it is in a candy form. Then, it puts into an alumina crucible and fires at a temperature of about 100 to 700 ° C. The firing time is, for example, about 30 to 80 hours. Next, the product obtained by firing can be pulverized in an agate bowl to obtain the desired silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).

次に、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)と、リン酸ケイ素(SiP27)を所定のモル数で配合する。得られた混合物をポッドミル等で分散させて、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体を得る。分散時間は、例えば、約1時間〜30時間である。リン酸二水素セシウム又は二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の配合量は、モル比で1/4〜2/1であることが好ましい。 Next, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) are blended in a predetermined number of moles. The obtained mixture was dispersed with a pod mill or the like, and a composite of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 )). 2 ) A composite of silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is obtained. The dispersion time is, for example, about 1 hour to 30 hours. The blending amount of cesium dihydrogen phosphate or cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate is preferably 1/4 to 2/1 in terms of molar ratio.

有機固体酸は溶媒に溶けることからバインダー成分との馴染みが良く、電解質ペースト作製時に分散性が良好になるため、電解質膜の膜質が良好になるという効果が得られやすい。一方、無機固体酸は耐熱性及び耐久性に優れるため、電解質を膜化した後の機械強度が良好になるという効果が得られやすい。   Since the organic solid acid dissolves in the solvent, the compatibility with the binder component is good, and since the dispersibility becomes good when the electrolyte paste is produced, the effect of improving the quality of the electrolyte membrane is easily obtained. On the other hand, since an inorganic solid acid is excellent in heat resistance and durability, it is easy to obtain an effect that the mechanical strength after forming an electrolyte into a film becomes good.

上記固体酸は、特に限定されないが、電解質膜中において、粒径が約0.1〜200μm、好ましくは、約0.1〜150μmである。なお、電解質膜を形成する前の上記固体酸単体も、粒径が約0.1〜200μm、好ましくは約0.1〜150μmである。固体酸の粒径が約0.1〜200μmであることにより、電解質ペースト作製時の分散性が向上し、良好な膜質の電解質膜が得られやすい。本発明において、固体酸の粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)等を用いて測定することができる。   Although the said solid acid is not specifically limited, A particle size is about 0.1-200 micrometers in an electrolyte membrane, Preferably, it is about 0.1-150 micrometers. The solid acid alone before forming the electrolyte membrane also has a particle size of about 0.1 to 200 μm, preferably about 0.1 to 150 μm. When the particle size of the solid acid is about 0.1 to 200 μm, the dispersibility during the preparation of the electrolyte paste is improved, and an electrolyte membrane having a good film quality is easily obtained. In the present invention, the particle size of the solid acid can be measured using a scanning electron microscope (SEM) or the like.

<バインダー>
電解質膜1は、固体酸に加えてバインダーを含んでもよい。
<Binder>
The electrolyte membrane 1 may contain a binder in addition to the solid acid.

上記バインダーとしては、結着性を有するものであればよく、特に限定されない。例えば、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー、フッ素系イオノマー、炭化水素系イオノマー、イオン性液体、セルロース系ポリマー等を用いることができる。中でも、pH1〜3における耐酸性、約50〜300℃の温度における耐熱性を有するものが好ましい。また、プロトン伝導性を有していても良い。   The binder is not particularly limited as long as it has binding properties. For example, a fluorine polymer, a hydrocarbon polymer, a fluorine ionomer, a hydrocarbon ionomer, an ionic liquid, a cellulose polymer, or the like can be used. Especially, what has the acid resistance in pH 1-3 and the heat resistance in the temperature of about 50-300 degreeC is preferable. Further, it may have proton conductivity.

上記フッ素系ポリマーとしては、テトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン、四フッ化エチレン―六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、四フッ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等のフッ素系樹脂等を用いることができる。   Examples of the fluoropolymer include tetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA). A fluorine-based resin or the like can be used.

上記炭化水素系ポリマーとしては、炭化水素系化合物を主骨格とする高分子であって、ポリイミド,ポリアミドイミド,ポリスチレンスルファイド,ポリベンズイミダゾール,ポリピリジン,ポリピリミジン,ポリイミダゾ−ル,ポリベンゾチアゾール,ポリベンゾオキザゾール,ポリオキサジアゾ−ル,ポリキリノン,ポリキノキサリン,ポリチアジアゾ−ル,ポリテトラザビレン,ポリオキサゾ−ル,ポリチアゾール,ポリビニールピリジン及びポリビニールイミダゾール等が挙げられる。   The hydrocarbon polymer is a polymer having a hydrocarbon compound as a main skeleton, such as polyimide, polyamideimide, polystyrene sulfide, polybenzimidazole, polypyridine, polypyrimidine, polyimidazole, polybenzothiazole, poly Examples thereof include benzooxazole, polyoxadiazol, polyxylone, polyquinoxaline, polythiadiazol, polytetrazabilene, polyoxazole, polythiazole, polyvinyl pyridine and polyvinyl imidazole.

上記フッ素系イオノマーとしては、デュポン社のNafion(登録商標)、旭硝子社のフレミオン(登録商標)、旭化成社のアシプレックス(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸系,アクイヴィオ(登録商標)のようなスルホニルフロリドビニルエーテル(SFVE)−テトラフルオロエチレン共重合体等が挙げられる。   Examples of the fluorine-based ionomer include perfluorosulfonic acid type such as Nafion (registered trademark) of DuPont, Flemion (registered trademark) of Asahi Glass Co., and Aciplex (registered trademark) of Asahi Kasei Corporation, and Aquivio (registered trademark). Sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer and the like.

上記炭化水素系イオノマーとしては、ポリアリーレンエーテルスルホン酸,ポリスチレンスルホン酸,シンジオタクチックポリスチレンスルホン酸,ポリフェニレンエーテルスルホン酸,変性ポリフェニレンエーテルスルホン酸,ポリエーテルスルホンスルホン酸,ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸及びポリフェニレンサルファイドスルホン酸等が挙げられる。   Examples of the hydrocarbon ionomer include polyarylene ether sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, syndiotactic polystyrene sulfonic acid, polyphenylene ether sulfonic acid, modified polyphenylene ether sulfonic acid, polyether sulfone sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, and polyphenylene. Examples thereof include sulfide sulfonic acid.

上記イオン性液体としては、プロトン伝導性を妨げないものであればよく、特に限定されないが、例えば、フルオロハイドイロジェネート型イオン液体,ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホン酸系イオン液体等が挙げられる。   The ionic liquid is not particularly limited as long as it does not interfere with proton conductivity, and examples thereof include fluorohydrogenate ionic liquid and diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonic acid ionic liquid.

上記セルロース系ポリマーとしては、メチルセルロース,カルボキシメチルセルロース,酢酸セルロース等が挙げられる。   Examples of the cellulose polymer include methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and cellulose acetate.

上述したバインダーの中でも、耐久性及び結着性の観点から、PTFE,ポリフッ化ビニリデン,パーフルオロスルホン酸,スルホニルフロリドビニルエーテル(SFVE)−テトラフルオロエチレン共重合体酢酸セルロースが好ましい。また、上述したバインダーは、単独で用いてもよく、一種以上を組合せて用いてもよい。   Among the above-mentioned binders, PTFE, polyvinylidene fluoride, perfluorosulfonic acid, sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer cellulose acetate are preferable from the viewpoint of durability and binding properties. Moreover, the binder mentioned above may be used independently and may be used in combination of 1 or more types.

<多孔質支持体>
多孔質支持体3としては、細孔を有する多孔質なものであればよく、特に限定されない。例えば、有機繊維、無機繊維等で構成される多孔質支持体を用いることができる。また、多孔質支持体3の形態は、特に限定されず、例えば不織布、織布等のシート状、メンブレンフィルター等の薄膜状が挙げられる。また、多孔質支持体3としては、例えば、pH1〜3における耐酸性、約50〜300℃の温度における耐熱性を有するものが好ましい。また、プロトン伝導性を有するものであってもよい。
<Porous support>
The porous support 3 is not particularly limited as long as it is porous having pores. For example, a porous support composed of organic fibers, inorganic fibers and the like can be used. The form of the porous support 3 is not particularly limited, and examples thereof include a sheet form such as a nonwoven fabric and a woven cloth, and a thin film form such as a membrane filter. Moreover, as the porous support body 3, what has acid resistance in pH 1-3 and heat resistance in the temperature of about 50-300 degreeC is preferable, for example. Moreover, you may have proton conductivity.

多孔質支持体3は、厚さが10〜500μmであることが好ましく、より好ましくは20〜300μmである。厚さが10μm未満では、多孔質支持体3の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られにくい恐れがある。一方、厚さが500μmを超えると、電解質膜の補強材としては厚くなりすぎ、プロトン伝導性が低下する恐れがある。   The porous support 3 preferably has a thickness of 10 to 500 μm, more preferably 20 to 300 μm. If the thickness is less than 10 μm, the strength of the porous support 3 may be significantly reduced, and it may be difficult to obtain strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane. On the other hand, when the thickness exceeds 500 μm, it becomes too thick as a reinforcing material for the electrolyte membrane, and there is a fear that proton conductivity may be lowered.

また、多孔質支持体3は、空隙率が40〜98体積%であることが好ましい。より好ましくは、60〜96体積%である。空隙率が98体積%を超えると、強度が著しく低くなり、補強材としての役割を果たしにくい恐れがある。一方、40体積%未満では、プロトン伝導性が低くなる恐れがある。   The porous support 3 preferably has a porosity of 40 to 98% by volume. More preferably, it is 60-96 volume%. When the porosity exceeds 98% by volume, the strength is remarkably lowered, and there is a possibility that it does not easily serve as a reinforcing material. On the other hand, if it is less than 40% by volume, proton conductivity may be lowered.

なお、本発明において、「空隙率」は、例えば、以下のように測定することができる。所定の面積の多孔質支持体の厚みをマイクロメーターで測定し、見かけの体積を算出し、その後、重量と比重により実体積を算出し、見かけの体積から実体積を引くことにより算出した空隙率を多孔質支持体の空隙率とする。   In the present invention, the “porosity” can be measured, for example, as follows. The porosity calculated by measuring the thickness of the porous support of a given area with a micrometer, calculating the apparent volume, then calculating the actual volume by weight and specific gravity, and subtracting the actual volume from the apparent volume Is the porosity of the porous support.

また、多孔質支持体3は、細孔径が500μm以下であることが好ましく、0.2〜500μmであることがより好ましく、5〜400μmであることが特に好ましい。細孔径が0.2μm未満では、細孔径が小さく電解質(固体酸)を含む電解質ペーストが多孔質支持体中に含浸しにくい恐れがある。一方、細孔径が500μmを超えると、多孔質支持体の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られにくい恐れがある。なお、本発明において、「細孔径」は、例えば、SEMを用いて測定することができる。   Further, the porous support 3 preferably has a pore diameter of 500 μm or less, more preferably 0.2 to 500 μm, and particularly preferably 5 to 400 μm. If the pore diameter is less than 0.2 μm, the porous support may be difficult to impregnate the electrolyte paste containing a small pore diameter and an electrolyte (solid acid). On the other hand, if the pore diameter exceeds 500 μm, the strength of the porous support may be significantly reduced, and it may be difficult to obtain strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane. In the present invention, the “pore diameter” can be measured using, for example, SEM.

また、多孔質支持体3は、繊維径(平均直径)が30μm以下であることが好ましく、0.2〜30μmであることがより好ましい。繊維経が0.2μm未満では、多孔質支持体3の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られにくい恐れがある。一方、繊維経が30μmを超えると電解質膜の補強材としては太くなり過ぎ、プロトン伝導性が低下する恐れがある。また、多孔質支持体3は、上記の繊維径の範囲内において、二種以上の異なる繊維経を有する有機繊維又は無機繊維で構成されてもよい。   The porous support 3 preferably has a fiber diameter (average diameter) of 30 μm or less, more preferably 0.2 to 30 μm. If the fiber warp is less than 0.2 μm, the strength of the porous support 3 may be significantly reduced, and it may be difficult to obtain strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane. On the other hand, if the fiber diameter exceeds 30 μm, the reinforcing material for the electrolyte membrane becomes too thick and the proton conductivity may be lowered. Moreover, the porous support body 3 may be comprised by the organic fiber or inorganic fiber which has a 2 or more types of different fiber warp within the range of said fiber diameter.

上記有機繊維としては、特に限定されず、例えば、繊維状のポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリアミド、ポリアクリルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンスルホン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフロロエチレン、ポリフェニレンサルファイド、アラミド、セルロース、セルローストリアセテート、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタン、ポリオキシメチレン等が挙げられる。そして、有機繊維は、より細孔径の細かいものが安価に得ることが可能となる利点がある。   The organic fiber is not particularly limited, and examples thereof include fibrous polypropylene, polyester, polyethylene, polyamide, polyacrylonitrile, polyether sulfone, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyphenylene sulfone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, poly Examples include tetrafluoroethylene, polyphenylene sulfide, aramid, cellulose, cellulose triacetate, acrylic, polyolefin, polyurethane, and polyoxymethylene. The organic fiber has an advantage that a finer pore diameter can be obtained at a low cost.

上記無機繊維としては、例えば、ガラス繊維,炭素ファイバー,黒鉛ファイバー,炭化珪素ファイバー,アルミナファイバー,タングステンカーバイファイバート,アルミナウィスカー,シリカウィスカー,セラミックファイバー,金属ファイバー等が挙げられる。このうち、耐酸性及び耐熱性の点から、無機繊維ではガラス繊維、有機繊維ではポリアクリルニトリル繊維を用いることが好ましく、より好ましいのはガラス繊維である。   Examples of the inorganic fiber include glass fiber, carbon fiber, graphite fiber, silicon carbide fiber, alumina fiber, tungsten carbide fiber, alumina whisker, silica whisker, ceramic fiber, and metal fiber. Among these, in terms of acid resistance and heat resistance, it is preferable to use glass fibers for inorganic fibers and polyacrylonitrile fibers for organic fibers, and more preferably glass fibers.

ガラス繊維で構成される多孔質支持体(以下、ガラス繊維支持体とも記す。)の場合、ガラス繊維の繊維径(平均直径)は、20μm以下であることが好ましく、0.3〜20μmであることがより好ましい。繊維経が0.3μm未満では、ガラス繊維支持体の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られにくい恐れがある。一方、繊維経が20μmを超えると電解質膜の補強材としては太くなり過ぎ、プロトン伝導性が低下する恐れがある。上記ガラス繊維支持体は、繊維径が異なる二種以上のガラス繊維で構成されてもよい。また、入手が容易という観点から、ガラス繊維支持体としては、ガラスクロスやガラス繊維不織布を用いることが好ましい。   In the case of a porous support composed of glass fibers (hereinafter also referred to as a glass fiber support), the fiber diameter (average diameter) of the glass fibers is preferably 20 μm or less, and is 0.3 to 20 μm. It is more preferable. If the fiber diameter is less than 0.3 μm, the strength of the glass fiber support may be remarkably lowered, and it may be difficult to obtain strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane. On the other hand, if the fiber diameter exceeds 20 μm, the reinforcing material for the electrolyte membrane becomes too thick and the proton conductivity may be lowered. The glass fiber support may be composed of two or more glass fibers having different fiber diameters. From the viewpoint of easy availability, it is preferable to use glass cloth or glass fiber nonwoven fabric as the glass fiber support.

また、上記ガラス繊維支持体において、ガラス繊維同士を結着させる結着成分として樹脂成分を含む場合、ガラス繊維支持体におけるガラス繊維の含有割合は、50〜98質量%であることが好ましい。ガラス繊維支持体におけるガラス繊維の含有割合が、50〜98質量%であることにより、電解質膜の補強材としての役割を果たせることができる強度を有するガラス繊維支持体が得られる。   Moreover, in the said glass fiber support, when a resin component is included as a binding component which binds glass fibers, it is preferable that the content rate of the glass fiber in a glass fiber support is 50-98 mass%. When the content ratio of the glass fiber in the glass fiber support is 50 to 98% by mass, a glass fiber support having a strength capable of serving as a reinforcing material for the electrolyte membrane is obtained.

上記結着成分としては、ガラス繊維同士を結着させるものであればよく、特に限定されないが、耐熱性、耐酸性に優れたものが好ましい。例えば、叩解セルロース、アクリル繊維、アクリル樹脂エマルジョン、フッ素樹脂ディスパージョン、コロイダルシリカ、エポキシ樹脂等を用いることができる。上記ガラス繊維支持体に結着成分を含ませてガラス繊維同士を結着させることにより、多孔質支持体の機械的特性が向上する。   The binding component is not particularly limited as long as it binds glass fibers to each other, but is preferably excellent in heat resistance and acid resistance. For example, beaten cellulose, acrylic fiber, acrylic resin emulsion, fluororesin dispersion, colloidal silica, epoxy resin and the like can be used. By including a binder component in the glass fiber support to bind the glass fibers together, the mechanical properties of the porous support are improved.

上記ガラス繊維支持体は、厚さが10〜200μmであることが好ましく、より好ましくは20〜150μmである。厚さが10μm未満では、ガラス繊維支持体の強度が著しく低下して電解質膜の補強材として強度を得られにくい恐れがある。一方、厚さが200μmを超えると電解質膜の補強材としては厚くなりすぎ、プロトン伝導性が低下する恐れがある。   The glass fiber support preferably has a thickness of 10 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm. If the thickness is less than 10 μm, the strength of the glass fiber support may be significantly reduced, and it may be difficult to obtain strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane. On the other hand, when the thickness exceeds 200 μm, it becomes too thick as a reinforcing material for the electrolyte membrane, and the proton conductivity may be lowered.

また、上記ガラス繊維支持体は、空隙率が50〜98体積%であることが好ましい。より好ましくは、80〜96体積%である。空隙率が98体積%を超えると、強度が著しく低くなり、補強材としての役割を果たしにくい恐れがある。一方、空隙率が50体積%未満では、プロトン伝導性が低くなる恐れがある。   The glass fiber support preferably has a porosity of 50 to 98% by volume. More preferably, it is 80-96 volume%. When the porosity exceeds 98% by volume, the strength is remarkably lowered, and there is a possibility that it does not easily serve as a reinforcing material. On the other hand, if the porosity is less than 50% by volume, proton conductivity may be lowered.

また、上記ガラス繊維支持体は、細孔径が400μm以下であることが好ましく、0.2〜400μmであることがより好ましく、10〜360μmであることが特に好ましい。細孔径が0.2μm未満では、細孔径が小さく電解質(固体酸)を含む電解質ペーストが多孔質支持体中に含浸しにくい恐れがある。一方、細孔径が400μmを超えると、多孔質支持体の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られにくい恐れがある。   The glass fiber support preferably has a pore diameter of 400 μm or less, more preferably 0.2 to 400 μm, and particularly preferably 10 to 360 μm. If the pore diameter is less than 0.2 μm, the porous support may be difficult to impregnate the electrolyte paste containing a small pore diameter and an electrolyte (solid acid). On the other hand, if the pore diameter exceeds 400 μm, the strength of the porous support may be significantly reduced, and it may be difficult to obtain strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane.

[触媒層]
触媒層2a、2bは、触媒を含む。触媒としては、燃料電池におけるアノード及び/又はカソード反応を促進する物質であればよく、特に限定されない。例えば、白金担持カーボン,白金−ルテニウム担持カーボン,白金−コバルト担持カーボン,金担持カーボン,銀担持カーボン,鉄−コバルト−ニッケル担持カーボン等の金属担持カーボン、白金ブラック,白金−ルテニウムブラック,白金−コバルトブラック,金ブラック,銀ブラック等の金属微粒子、モリブデンカーバイド等の無機物質を挙げることができる。中でも、触媒活性の高い白金担持カーボン、リン酸被毒の少ないモリブデンカーバイド等が好適である。
[Catalyst layer]
The catalyst layers 2a and 2b contain a catalyst. The catalyst is not particularly limited as long as it is a substance that promotes the anode and / or cathode reaction in the fuel cell. For example, platinum-supported carbon, platinum-ruthenium-supported carbon, platinum-cobalt-supported carbon, gold-supported carbon, silver-supported carbon, iron-cobalt-nickel-supported carbon, etc., metal-supported carbon, platinum black, platinum-ruthenium black, platinum-cobalt Examples thereof include metal fine particles such as black, gold black and silver black, and inorganic substances such as molybdenum carbide. Among these, platinum-supporting carbon having high catalytic activity, molybdenum carbide with little phosphoric acid poisoning, and the like are preferable.

触媒層2a、2bは、触媒に加えて固体酸を含むことが好ましい。固体酸としては、上述のものを用いることができ、密着性の観点から、電解質膜と同様の固体酸を含むことが好ましい。   The catalyst layers 2a and 2b preferably contain a solid acid in addition to the catalyst. As the solid acid, those described above can be used, and from the viewpoint of adhesion, it is preferable to contain the same solid acid as the electrolyte membrane.

触媒層2a、2bは、バインダーを含有してもよい。触媒層は、固体酸と触媒のみでも成形可能であるが、これらにバインダーを添加してペースト化したものを塗工・成形することにより、機械強度に優れた触媒層を得ることができる。バインダーとしては、上述したものを用いることができる。   The catalyst layers 2a and 2b may contain a binder. The catalyst layer can be molded only with a solid acid and a catalyst, but a catalyst layer having excellent mechanical strength can be obtained by coating and molding a paste obtained by adding a binder thereto. As the binder, those described above can be used.

触媒層2a、2bの厚みは、電極基材の種類、電解質膜の厚み等を考慮して適宜決定すれば良い。例えば、約20〜3000μm、好ましくは、約20〜2000μmである。   The thickness of the catalyst layers 2a and 2b may be appropriately determined in consideration of the type of electrode base material, the thickness of the electrolyte membrane, and the like. For example, the thickness is about 20 to 3000 μm, preferably about 20 to 2000 μm.

実施形態1の触媒層−電解質膜積層体10において、多孔質支持体3は、図1A〜1Eに示しているように、電解質膜1と少なくとも触媒層2a、2bの一方又は両方の一部を貫通している。これにより、電解質膜が薄膜であっても、膜強度を高くすることができる上、触媒層と電解質膜の密着性も向上する。また、触媒層−電解質膜積層体10は、電解質膜の膜強度及び触媒層と電解質膜の密着性をより向上させるという観点から、図1C〜1Eに示しているように多孔質支持体3が、電解質膜1と触媒層2a及び2bの一部又は全体を貫通していることが好ましい。   In the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 of Embodiment 1, as shown in FIGS. 1A to 1E, the porous support 3 includes the electrolyte membrane 1 and at least a part of one or both of the catalyst layers 2 a and 2 b. It penetrates. Thereby, even if the electrolyte membrane is a thin film, the strength of the membrane can be increased, and the adhesion between the catalyst layer and the electrolyte membrane is also improved. In addition, the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 has the porous support 3 as shown in FIGS. 1C to 1E from the viewpoint of further improving the membrane strength of the electrolyte membrane and the adhesion between the catalyst layer and the electrolyte membrane. The electrolyte membrane 1 and the catalyst layers 2a and 2b are preferably partially or entirely penetrated.

以下、実施形態1の触媒層−電解質膜積層体10の製造方法について説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10 of Embodiment 1 is demonstrated.

触媒層−電解質膜積層体10は、特に限定されないが、例えば、以下のように製造することが好ましい。触媒層−電解質膜積層体10の製造方法は、具体的には、図2A〜2Eに示すように、触媒を含み、少なくとも一部に多孔質支持体3を備えている触媒層2bを形成する工程と;固体酸を含み、多孔質支持体3を備える電解質膜1を形成する工程と;触媒を含み、少なくとも一部に多孔質支持体3を備えるか又は多孔質支持体3を備えていない触媒層2aを形成する工程とを含む。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 is not particularly limited, but is preferably manufactured as follows, for example. Specifically, as shown in FIGS. 2A to 2E, the method for manufacturing the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 includes forming a catalyst layer 2 b including a catalyst and having a porous support 3 at least partially. A step of forming an electrolyte membrane 1 comprising a solid acid and comprising a porous support 3; comprising a catalyst and comprising at least a portion of the porous support 3 or not having a porous support 3 Forming the catalyst layer 2a.

まず、多孔質支持体を準備する。多孔質支持体としては、上述のものを用いることができる。   First, a porous support is prepared. As the porous support, those described above can be used.

<触媒層2bの形成>
次に、触媒ペーストを多孔質支持体に含浸させ、乾燥することで、図2A〜2Eに示すように多孔質支持体を少なくとも一部に備える触媒層2bを形成する。なお、図2A及び2Dのように多孔質支持体を一部に備える触媒層2bは、多孔質支持体からのはみ出し部分を有することになる。
<Formation of catalyst layer 2b>
Next, the catalyst paste is impregnated into the porous support and dried to form the catalyst layer 2b having at least a part of the porous support as shown in FIGS. As shown in FIGS. 2A and 2D, the catalyst layer 2b having a porous support in part has a protruding portion from the porous support.

上記触媒ペーストは、触媒と、固体酸と、溶媒を含む混合物を、分散機で混合・分散して得られる。分散機としては、超音波分散機、ホモゲナイザー、ボールミル等を用いることができる。   The catalyst paste is obtained by mixing and dispersing a mixture containing a catalyst, a solid acid, and a solvent with a disperser. As the disperser, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a ball mill, or the like can be used.

なお、触媒及び固体酸としては、上述したものを用いればよい。上記溶媒としては、触媒及び固体酸を分散できるものであればよく、特に限定されず、例えば、水,エタノール,メタノール,1−ブタノール,t−ブタノール,プロパノール,N−メチルピロリドン,ジメチルアセトアミド等を用いることができる。   In addition, what was mentioned above should just be used as a catalyst and a solid acid. The solvent is not particularly limited as long as it can disperse the catalyst and the solid acid, and examples thereof include water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide and the like. Can be used.

上記触媒ペーストにおいて、触媒と固体酸とからなる固形分の濃度は、塗工性の観点から、2〜50質量%であることが好ましく、より好ましくは5〜20質量%である。また、触媒と固体酸の配合量は、質量比で、1/2〜1/0.1であることが好ましく、より好ましくは1/1〜1/0.25である。   In the catalyst paste, the concentration of the solid content composed of the catalyst and the solid acid is preferably 2 to 50% by mass, more preferably 5 to 20% by mass from the viewpoint of coatability. Further, the blending amount of the catalyst and the solid acid is preferably 1/2 to 1 / 0.1, more preferably 1/1 to 1 / 0.25, in terms of mass ratio.

上記触媒ペーストは、さらにバインダーを含んでよい。上記バインダー(固形分)の添加量は、触媒ペースト中の固形分に対して2〜50質量%であることが好ましく、5〜40質量%であることがより好ましい。この場合、触媒と固体酸をバインダーの溶液もしくはディスパージョンに添加した後、溶媒を加えて触媒ペーストを作製してもよい。溶媒は、バインダーを凝集させないものが用いられる。具体的には水,エタノール,メタノール,1−ブタノール,t−ブタノール,プロパノール,N−メチルピロリドン,ジメチルアセトアミド等を挙げることができる。   The catalyst paste may further contain a binder. The amount of the binder (solid content) added is preferably 2 to 50 mass%, more preferably 5 to 40 mass%, based on the solid content in the catalyst paste. In this case, after adding the catalyst and the solid acid to the binder solution or dispersion, a catalyst paste may be prepared by adding a solvent. A solvent that does not aggregate the binder is used. Specific examples include water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, and the like.

触媒層に用いるバインダーの種類、溶媒の種類、配合比は電解質膜と同じであってもよいし、異なってもよい。電解質膜に用いるバインダーと触媒層に用いるバインダーが異なる種類の場合、電解質膜と触媒層の密着性の点から、電解質膜と触媒層に含まれる少なくとも1種類のバインダーのガラス転移点又は軟化点の差が約50℃以下であることが好ましい。   The type of binder used in the catalyst layer, the type of solvent, and the blending ratio may be the same as or different from those of the electrolyte membrane. When the binder used for the electrolyte membrane and the binder used for the catalyst layer are different types, the glass transition point or softening point of at least one binder contained in the electrolyte membrane and the catalyst layer is considered from the viewpoint of the adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer. The difference is preferably about 50 ° C. or less.

多孔質支持体への触媒ペーストの含浸は、特に限定されないが、例えば多孔質支持体に触媒ペーストを塗布することにより行うことができる。上記塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、
スクリーン印刷、ブレードコート、ダイコート、スプレー塗工、ディスペンサー塗工、インクジェット塗工等を用いることができる。このうち、触媒ペーストの作製の簡便さから、スクリーン印刷,ブレードコートを用いることが好ましい。
The impregnation of the catalyst paste into the porous support is not particularly limited, but can be performed, for example, by applying the catalyst paste to the porous support. The coating method is not particularly limited, for example,
Screen printing, blade coating, die coating, spray coating, dispenser coating, inkjet coating, and the like can be used. Among these, it is preferable to use screen printing or blade coating from the standpoint of easy preparation of the catalyst paste.

上記触媒ペーストの塗布量としては、例えば、触媒として白金担持カーボンを用いる場合、白金担持量として約0.1〜2.0mg/cm2、好ましくは、約0.5〜1.5mg/cm2である。 The coating amount of the catalyst paste, for example, when using a platinum-supported carbon as the catalyst, about 0.1 to 2.0 mg / cm 2 platinum loading amount, preferably from about 0.5 to 1.5 mg / cm 2 It is.

乾燥温度は、例えば、約50〜300℃、好ましくは約100〜250℃である。乾燥温度が約50℃より低いと、触媒ペーストに含まれる溶媒が除去できない恐れがある。一方、乾燥温度が約300℃を超えると、バインダーが熱分解する恐れがある。また、乾燥時間は、例えば、約10分〜5時間、好ましくは約10分〜3時間である。   The drying temperature is, for example, about 50 to 300 ° C, preferably about 100 to 250 ° C. If the drying temperature is lower than about 50 ° C., the solvent contained in the catalyst paste may not be removed. On the other hand, when the drying temperature exceeds about 300 ° C., the binder may be thermally decomposed. The drying time is, for example, about 10 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours.

<電解質膜1の形成>
次に、固体酸とバインダーを含む電解質ペーストを多孔質支持体3に含浸させた後、乾燥することで、図2A〜2Eに示しているように、触媒層2b上に、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を形成する。なお、固体酸とバインダーとしては、上述のものを用いればよい。
<Formation of electrolyte membrane 1>
Next, after impregnating the porous support 3 with an electrolyte paste containing a solid acid and a binder, the porous support 3 is dried on the catalyst layer 2b as shown in FIGS. Is formed. In addition, what is necessary is just to use the above-mentioned thing as a solid acid and a binder.

上記電解質ペーストは、固体酸と、バインダーを含む混合物を、分散機で混合・分散して得られる。分散機としては、超音波分散機、ホモゲナイザー、ボールミル等を用いることができる。   The electrolyte paste is obtained by mixing and dispersing a mixture containing a solid acid and a binder with a disperser. As the disperser, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a ball mill, or the like can be used.

上記電解質ペーストは、さらに溶媒を含んでもよい。上記溶媒としては、バインダーを凝集させないものであればよく、例えば、水、エタノール、メタノール、1−ブタノ−ル、t−ブタノ−ル、プロパノール、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等を用いることができる。この場合、固体酸を上記バインダーの溶液もしくはディスパージョンに添加した後、溶媒を加えて電解質ペーストを作製してもよい。   The electrolyte paste may further contain a solvent. The solvent is not particularly limited as long as it does not aggregate the binder. For example, water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide and the like can be used. . In this case, an electrolyte paste may be prepared by adding a solvent after adding a solid acid to the solution or dispersion of the binder.

上記電解質ペーストにおいて、固体酸とバインダーの固形分の配合量は、自立性と電池性能の観点から、質量比で、10/1〜10/3であることが好ましく、10/1であることがより好ましい。   In the above-described electrolyte paste, the solid content of the solid acid and the binder is preferably 10/1 to 10/3, and preferably 10/1, in terms of mass ratio from the viewpoints of self-sustainability and battery performance. More preferred.

なお、分散方法又はバインダーの種類によって電解質ペースト中の固体酸の粒径が異なることが考えられる。この場合、それに応じて細孔径の異なる多孔質支持体3を用いることができる。   Note that the particle size of the solid acid in the electrolyte paste may vary depending on the dispersion method or the type of binder. In this case, a porous support 3 having a different pore diameter can be used accordingly.

電解質ペーストの多孔質支持体3への含浸は、特に限定されるものではなく、例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷、圧延法等の一般的な方法を用いて行うことができる。   The impregnation of the porous paste 3 with the electrolyte paste is not particularly limited. For example, knife coater, bar coater, spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater, screen printing, rolling It can carry out using general methods, such as a method.

また、乾燥温度は、約50〜300℃、好ましくは約100〜250℃である。乾燥温度が、約50℃より低いとペースト中に含まれる溶媒が除去できない恐れがあり、約300℃を超えるとバインダーが熱分解する恐れがある。また、乾燥時間は、約10分〜5時間、好ましくは約10分〜3時間である。   The drying temperature is about 50 to 300 ° C, preferably about 100 to 250 ° C. If the drying temperature is lower than about 50 ° C, the solvent contained in the paste may not be removed, and if it exceeds about 300 ° C, the binder may be thermally decomposed. The drying time is about 10 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours.

なお、固体酸として金属リン酸塩を用いる場合、金属リン酸塩を粉末状にし、上述のリン酸類とバインダーを加え、上記のように混合・分散し、電解質ペーストを作製することができる。或いは、後焼成として、金属リン酸塩にリン酸を所定量加えた後、約100〜200℃の温度で、約30分〜2時間焼成したものにバインダーを添加して電解質ペーストを作製してもよい。上記において、金属リン酸塩とリン酸類の配合量は、質量比で、5/0.2〜5/2、好ましくは5/0.3〜5/1.2、より好ましくは5/0.8〜5/1、最も好ましくは5/0.9になるように調整する。そして、乾燥処理により、リン酸に含まれる水を揮発させるとともに、金属リン酸塩上のオルトリン酸が縮合してピロリン酸又はメタリン酸等が生成される。そして、このピロリン酸又はメタリン酸等と金属リン酸塩が架橋されることにより金属リン酸塩周辺にリン酸とのネットワークが形成され、電荷を有するリン酸が高密度に集積することにより良好なプロトン伝導性が発現するとともに、電解質の強度が増大するものと考えられる。   In addition, when using a metal phosphate as a solid acid, a metal phosphate can be made into powder form, the above-mentioned phosphoric acid and a binder can be added, and it can mix and disperse | distribute as mentioned above, and can produce electrolyte paste. Alternatively, as post-baking, after adding a predetermined amount of phosphoric acid to the metal phosphate, a binder is added to the powder that has been baked at a temperature of about 100 to 200 ° C. for about 30 minutes to 2 hours to prepare an electrolyte paste. Also good. In the above, the compounding amount of the metal phosphate and the phosphoric acid is 5 / 0.2 to 5/2, preferably 5 / 0.3 to 5 / 1.2, more preferably 5/0. Adjust to 8-5 / 1, most preferably 5 / 0.9. Then, the water contained in phosphoric acid is volatilized by the drying treatment, and orthophosphoric acid on the metal phosphate is condensed to produce pyrophosphoric acid or metaphosphoric acid. Then, the pyrophosphoric acid or metaphosphoric acid, etc. and the metal phosphate are cross-linked to form a network with phosphoric acid around the metal phosphate, and the chargeable phosphoric acid accumulates at a high density, which is favorable. It is considered that proton conductivity is exhibited and the strength of the electrolyte is increased.

<触媒層2aの形成>
次に、触媒層2bの場合と同様にして、触媒ペーストを作製する。得られた触媒ペーストを多孔質支持体3に含浸させ、乾燥することで、図2C〜2Eに示しているように、電解質膜1上に少なくとも一部に多孔質支持体3を備える触媒層2aを形成する。或いは、電解質膜1上に、触媒ペーストを直接塗布し、乾燥することで、図2A及び図2Bに示しているように、電解質膜1上に多孔質支持体3を備えていない触媒層2aを形成する。なお、図2C及び2Dに示しているように、多孔質支持体3を一部に備える触媒層2aは、多孔質支持体からのはみ出し部分を有することになる。
<Formation of catalyst layer 2a>
Next, a catalyst paste is produced in the same manner as in the case of the catalyst layer 2b. By impregnating the obtained catalyst paste into the porous support 3 and drying, the catalyst layer 2a including the porous support 3 at least partially on the electrolyte membrane 1 as shown in FIGS. Form. Alternatively, the catalyst layer 2a not provided with the porous support 3 on the electrolyte membrane 1 can be formed by directly applying the catalyst paste on the electrolyte membrane 1 and drying it, as shown in FIGS. 2A and 2B. Form. As shown in FIGS. 2C and 2D, the catalyst layer 2a including the porous support 3 in part has a protruding portion from the porous support.

なお、上記では、触媒層2b、電解質膜1、触媒層2aの順番で説明したが、順番は特に限定されず、触媒層2a、電解質膜1、触媒層2bの順番に形成してもよい。また、図1A及び1Bに示すような、触媒層2aが多孔質支持体を備えていない場合は、上記以外に、電解質膜1、触媒層2b、触媒層2aの順番で形成してもよく、電解質膜1、触媒層2a、触媒層2bの順番で形成してもよい。   In the above description, the order of the catalyst layer 2b, the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer 2a has been described. However, the order is not particularly limited, and the catalyst layer 2a, the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer 2b may be formed in this order. In addition, when the catalyst layer 2a does not include a porous support as shown in FIGS. 1A and 1B, in addition to the above, the electrolyte membrane 1, the catalyst layer 2b, and the catalyst layer 2a may be formed in this order. You may form in order of the electrolyte membrane 1, the catalyst layer 2a, and the catalyst layer 2b.

上記のようにして、多孔質支持体3が、電解質膜1と少なくとも触媒層2a、2bの一方又は両方の一部を貫通している触媒層−電解質膜積層体10が得られる。   As described above, the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 in which the porous support 3 passes through the electrolyte membrane 1 and at least a part of at least one of the catalyst layers 2a and 2b is obtained.

[実施形態2]
以下、本発明の実施形態2として、膜電極接合体について説明する。
[Embodiment 2]
Hereinafter, a membrane electrode assembly will be described as Embodiment 2 of the present invention.

(膜電極接合体)
図3は、本発明の実施形態2に係る膜電極接合体の一例を示す模式的断面図である。図3に示すように、本発明の実施形態2に係る膜電極接合体20は、実施形態1で示した触媒層−電解質膜積層体10と、一対のガス拡散層14a,14bとを備え、ガス拡散層14a,14bが触媒層−電解質膜積層体10の両面にそれぞれ配置されている。図3では、図1と同一の部分には同一の符合を付け、重複する説明は省略する。また、図3と図1において同一の部分は、同様の機能を有する。
(Membrane electrode assembly)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 3, the membrane electrode assembly 20 according to Embodiment 2 of the present invention includes the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 shown in Embodiment 1 and a pair of gas diffusion layers 14a and 14b. Gas diffusion layers 14 a and 14 b are disposed on both surfaces of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10, respectively. In FIG. 3, the same parts as those in FIG. 3 and FIG. 1 have the same functions.

ガス拡散層14a,14bは、多孔質体等ガス拡散性を有する導電材料で構成されており、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通できるようになっている。   The gas diffusion layers 14a and 14b are made of a conductive material having gas diffusibility, such as a porous body, so that fuel gas or oxidant gas can flow therethrough.

ガス拡散層14a,14bの厚みは、触媒層や電解質膜の厚み等を考慮して適宜決定すればよい。その厚みは、例えば、約200〜400μm、好ましくは、約250〜350μmである。   The thicknesses of the gas diffusion layers 14a and 14b may be appropriately determined in consideration of the thickness of the catalyst layer and the electrolyte membrane. The thickness is, for example, about 200 to 400 μm, preferably about 250 to 350 μm.

本実施形態に係る膜電極接合体20は、上記の実施形態1で示した触媒層−電解質膜積層体10を用い、その両面にガス拡散層14a,14bを圧着等により接合して製造することができる。この場合、触媒層2aとガス拡散層14aがカソード側触媒電極を構成し、触媒層2bとガス拡散層14bがアノード側触媒電極を構成する。或いは、触媒層2aとガス拡散層14aがアノード側触媒電極を構成し、触媒層2bとガス拡散層14bがカソード側触媒電極を構成してもよい。   The membrane electrode assembly 20 according to the present embodiment is manufactured by using the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 shown in the first embodiment and bonding the gas diffusion layers 14a and 14b to both surfaces thereof by pressure bonding or the like. Can do. In this case, the catalyst layer 2a and the gas diffusion layer 14a constitute a cathode side catalyst electrode, and the catalyst layer 2b and the gas diffusion layer 14b constitute an anode side catalyst electrode. Alternatively, the catalyst layer 2a and the gas diffusion layer 14a may constitute an anode side catalyst electrode, and the catalyst layer 2b and the gas diffusion layer 14b may constitute a cathode side catalyst electrode.

なお、触媒層2aが多孔質支持体を備えていない場合は、膜電極接合体20は、例えば以下のように作製してもよい。まず、図2A〜2Bに示しているように、触媒層2bと、触媒層2b上に電解質膜1を形成する。次に、電解質膜1上に、触媒電極を直接接合する。次に、触媒層2b上にガス拡散層14bを圧着等により接合する。或いは、触媒層2b上にガス拡散層14bを圧着等により接合した後、電解質膜1上に、触媒電極を直接接合してもよい。すなわち、この形態では、触媒電極が触媒層とガス拡散層の役割をする。触媒電極は、触媒と、多孔質体等ガス拡散性を有する導電材料で構成されており、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通できるようになっている。なお、触媒電極の厚みは、電極基材の種類、電解質膜の厚み等を考慮して適宜決定すればよく、例えば、約20〜3000μm、好ましくは、約30〜2000μmである。   In addition, when the catalyst layer 2a is not provided with the porous support body, you may produce the membrane electrode assembly 20 as follows, for example. First, as shown in FIGS. 2A to 2B, the catalyst layer 2b and the electrolyte membrane 1 are formed on the catalyst layer 2b. Next, a catalyst electrode is directly joined on the electrolyte membrane 1. Next, the gas diffusion layer 14b is bonded onto the catalyst layer 2b by pressure bonding or the like. Alternatively, the gas diffusion layer 14b may be bonded to the catalyst layer 2b by pressure bonding or the like, and then the catalyst electrode may be directly bonded to the electrolyte membrane 1. That is, in this embodiment, the catalyst electrode serves as a catalyst layer and a gas diffusion layer. The catalyst electrode is composed of a catalyst and a conductive material having gas diffusibility, such as a porous body, so that fuel gas or oxidant gas can flow therethrough. In addition, what is necessary is just to determine the thickness of a catalyst electrode suitably considering the kind of electrode base material, the thickness of an electrolyte membrane, etc., for example, about 20-3000 micrometers, Preferably, it is about 30-2000 micrometers.

[実施形態3]
以下、本発明の実施形態3として、燃料電池について説明する。
[Embodiment 3]
Hereinafter, a fuel cell will be described as a third embodiment of the present invention.

(燃料電池)
図4は、本発明の実施形態3に係る燃料電池の一例を示す概略断面図である。図4に示すように、本発明の実施形態4に係る燃料電池30は、実施形態1で示した触媒層−電解質膜積層体10と、一対のガス拡散層14a,14bと、一対のセパレータ28,29とを備えており、触媒層−電解質膜積層体10の両面にガス拡散層14a,14bとセパレータ28,29がそれぞれ順次積層されて構成されている。図4では、図1及び図3と同一の部分には同一の符合を付け、重複する説明は省略する。また、図4と図1及び図3において同一の部分は、同様の機能を有する。
(Fuel cell)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 4, the fuel cell 30 according to Embodiment 4 of the present invention includes the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 shown in Embodiment 1, a pair of gas diffusion layers 14 a and 14 b, and a pair of separators 28. , 29, and gas diffusion layers 14 a, 14 b and separators 28, 29 are sequentially laminated on both surfaces of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10. In FIG. 4, the same parts as those in FIGS. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. 4 and FIG. 1 and FIG. 3 have the same functions.

セパレータ29は、燃料をアノード側触媒電極に供給するためのものであり、燃料を流通するための燃料流路21を有する。一方、セパレータ28は、酸化剤ガスをカソード側触媒電極に供給するためのものであり、酸化剤ガスを流通するための酸化剤ガス流路22を有する。   The separator 29 is for supplying fuel to the anode side catalyst electrode, and has a fuel flow path 21 for circulating the fuel. On the other hand, the separator 28 is for supplying an oxidant gas to the cathode side catalyst electrode, and has an oxidant gas flow path 22 for circulating the oxidant gas.

セパレータ28,29の材質としては、燃料電池30内の環境においても安定な導電性を有するものであればよい。一般的には、カーボン板に流路を形成したものが用いられる。また、セパレータ28,29は、ステンレススチール等の金属で構成し、その金属の表面にクロム、白金族金属又はその酸化物、導電性ポリマー等の導電性材料からなる被膜を形成したものであってもよい。   The separators 28 and 29 may be made of any material that has stable conductivity even in the environment inside the fuel cell 30. In general, a carbon plate having a flow path is used. The separators 28 and 29 are made of a metal such as stainless steel, and a coating made of a conductive material such as chromium, a platinum group metal or oxide thereof, or a conductive polymer is formed on the surface of the metal. Also good.

なお、セパレータ28,29は、燃料電池30を複数個積層して構成した燃料電池に用いる場合、集電体としての機能を有することができる。   The separators 28 and 29 can have a function as a current collector when used in a fuel cell in which a plurality of fuel cells 30 are stacked.

<燃料電池の動作原理>
燃料流路21により、水素ガス又はメタノール等の水素供給可能な燃料が、アノード側触媒電極に供給され、この燃料からプロトン(H+)と電子(e-)が生成される。生成されたプロトンは電解質膜1によってカソード側触媒電極へと搬送される。一方、酸化剤ガス流路22により、空気又は酸素ガス等の酸化剤ガスが、カソード側触媒電極に供給され、電解質膜1によって搬送されてきたプロトンと外部回路23からくる電子及び酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このようにして燃料電池として機能する。
<Operating principle of fuel cell>
A fuel capable of supplying hydrogen, such as hydrogen gas or methanol, is supplied to the anode catalyst electrode through the fuel flow path 21, and protons (H + ) and electrons (e ) are generated from the fuel. The generated protons are conveyed to the cathode side catalyst electrode by the electrolyte membrane 1. On the other hand, oxidant gas such as air or oxygen gas is supplied to the cathode side catalyst electrode through the oxidant gas flow path 22, protons carried by the electrolyte membrane 1, electrons and oxidant gas coming from the external circuit 23, and Reacts to produce water. In this way, it functions as a fuel cell.

本実施形態に係る燃料電池30は、燃料電池の作製に用いられる公知の技術を用いて、上述のようにして得られた膜電極接合体20の両面に、セパレータ28,29をそれぞれ積層することにより、製造することができる。   In the fuel cell 30 according to the present embodiment, separators 28 and 29 are respectively laminated on both surfaces of the membrane electrode assembly 20 obtained as described above by using a known technique used for manufacturing a fuel cell. Can be manufactured.

本実施形態によれば、安定性に優れ、高性能な燃料電池30を提供することができる。   According to this embodiment, it is possible to provide a high-performance fuel cell 30 that is excellent in stability.

以下において、実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更実施可能である。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. However, the present invention is not limited to these examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

(実施例1)
<固体酸の作製>
固体酸として、リン酸スズを以下のようにして作製した。酸化スズ(SnO2、Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)に、酸化インジウム(In23、ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)と、リン酸水素2アンモニウム(ナカライテスク社製)27.99g(0.212モル)を加え、混合した。得られた混合物を坩堝に投入し、約650℃で、約2時間焼成し、焼結後得られた生成物をめのうばちで粉砕し、粒径が28.4μmのリン酸スズを得た。なお、リン酸スズの粒径は、下記のように測定した。
Example 1
<Preparation of solid acid>
As a solid acid, tin phosphate was prepared as follows. 13.40 g (0.09 mol) of tin oxide (SnO 2 , manufactured by Nano Tec), 1.40 g (0.0050 mol) of indium oxide (In 2 O 3 , manufactured by Nacalai Tesque), and hydrogen phosphate 2 27.99 g (0.212 mol) of ammonium (Nacalai Tesque) was added and mixed. The obtained mixture was put into a crucible, fired at about 650 ° C. for about 2 hours, and the product obtained after sintering was pulverized with an agate nail to obtain a tin phosphate having a particle size of 28.4 μm. . In addition, the particle size of tin phosphate was measured as follows.

<触媒層−電解質膜積層体の作製>
上記で得られたリン酸スズ0.5gに白金担持カーボン(田中貴金属社製「TEC10E50E」)1g、バインダー(Dupont社製「Nafion2020CS」)2.5g、溶媒(n−ブタノールとt−ブタノールを1/1の質量比で混合したもの)6.0gを混合し、分散機により約3時間混合し、触媒ペーストを作製した。得られた触媒ペーストを、図2Dに示しているように、厚み110μm、空隙率95%、繊維径10μm、細孔径100μmのガラス繊維支持体3上にブレードコーターで、(トータル)厚みが30μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるように塗工し、約100℃で、約30分間乾燥し、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2bを形成した。
<Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
0.5 g of tin phosphate obtained above, 1 g of platinum-supported carbon (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), 2.5 g of binder (“Nafion2020CS” manufactured by Dupont), solvent (1 n-butanol and t-butanol) (Mixed at a mass ratio of / 1) 6.0 g was mixed and mixed for about 3 hours by a disperser to prepare a catalyst paste. As shown in FIG. 2D, the obtained catalyst paste was blade coated on a glass fiber support 3 having a thickness of 110 μm, a porosity of 95%, a fiber diameter of 10 μm, and a pore diameter of 100 μm, and a (total) thickness of 30 μm, Coating was performed so that the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 10 μm, and drying was performed at about 100 ° C. for about 30 minutes, thereby forming a catalyst layer 2b partially including the porous support 3.

次に、上記で得られたリン酸スズ5gに85%リン酸水溶液0.9g、60%PTFEディスパージョン(ダイキン工業社製「ポリフロンD1−E」)0.83g及び水20gを加え、分散機で分散して電解質ペーストを作製した。得られた電解質ペーストを、図2Dに示すように、触媒層2b上に、ブレードコーターで塗工し、約160℃で、約30分間乾燥し、厚みが70μmであり、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を触媒層2b上に形成した。   Next, 0.9 g of 85% phosphoric acid aqueous solution, 0.83 g of 60% PTFE dispersion (“Polyflon D1-E” manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and 20 g of water were added to 5 g of tin phosphate obtained above, To prepare an electrolyte paste. As shown in FIG. 2D, the obtained electrolyte paste was applied onto the catalyst layer 2b with a blade coater, dried at about 160 ° C. for about 30 minutes, and had a thickness of 70 μm. The provided electrolyte membrane 1 was formed on the catalyst layer 2b.

次に、電解質膜1上に、上記で得られた触媒ペーストをブレードコーターで、図2Dに示すように、(トータル)厚みが30μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるように塗工し、約100℃で、約30分間乾燥し、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2aを電解質膜1上に形成し、触媒層−電解質膜積層体10を得た。   Next, the catalyst paste obtained above is applied onto the electrolyte membrane 1 with a blade coater so that the (total) thickness is 30 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support is 10 μm as shown in FIG. 2D. And dried at about 100 ° C. for about 30 minutes to form a catalyst layer 2 a partially including the porous support 3 on the electrolyte membrane 1 to obtain a catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10. .

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒層−電解質膜積層体10の両面に、図3に示しているように、ガス拡散層14a、14b(東レ社製「TGH−090」)を接合して膜電極接合体を得、JARIセル標準セルにセル組みした。なお、JARIセル標準セルとは、(財)日本自動車研究所(JARI:Japan Auto mobile Research Institute)において、PEFCの基礎研究及びPEFC用材料(膜、電極触媒、構成部品等)の評価試験用として開発されたセルを意味する。
<Preparation of membrane electrode assembly>
As shown in FIG. 3, gas diffusion layers 14 a and 14 b (“TGH-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) are bonded to both surfaces of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 obtained above to form a membrane electrode assembly. And assembled into a JARI cell standard cell. The JARI cell standard cell is used for the basic research of PEFC and the evaluation test of PEFC materials (membranes, electrode catalysts, components, etc.) at the Japan Automobile Research Institute (JARI). It means the developed cell.

(実施例2)
<触媒層−電解質膜積層体の作製>
まず、(トータル)厚みが40μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2bを形成した。
(Example 2)
<Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
First, the catalyst layer 2b partially including the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness was 40 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 10 μm. Formed.

次に、厚みを50μmにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を触媒層2b上に形成した。   Next, an electrolyte membrane 1 provided with the porous support 3 was formed on the catalyst layer 2b in the same manner as in Example 1 except that the thickness was 50 μm.

次に、(トータル)厚みが40μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2aを電解質膜1上に形成し、触媒層−電解質膜積層体10を得た。   Next, a catalyst provided with a part of the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness was 40 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 10 μm. The layer 2a was formed on the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10 was obtained.

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒層−電解質膜積層体10を用い、実施例1と同様にして、膜電極接合体を得、JARIセル標準セルにセル組みした。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Using the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 obtained above, a membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 and assembled into a JARI cell standard cell.

(実施例3)
<触媒層−電解質膜積層体の作製>
まず、(トータル)厚みが55μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2bを形成した。
(Example 3)
<Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
First, a catalyst layer 2b partially including the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness is 55 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support is 10 μm. Formed.

次に、厚みを20μmにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を触媒層2b上に形成した。   Next, an electrolyte membrane 1 provided with the porous support 3 was formed on the catalyst layer 2b in the same manner as in Example 1 except that the thickness was 20 μm.

次に、(トータル)厚みが55μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2aを電解質膜1上に形成し、触媒層−電解質膜積層体10を得た。   Next, a catalyst provided with a part of the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness was 55 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 10 μm. The layer 2a was formed on the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10 was obtained.

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒層−電解質膜積層体10を用い、実施例1と同様にして、膜電極接合体を得、JARIセル標準セルにセル組みした。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Using the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 obtained above, a membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 and assembled into a JARI cell standard cell.

(実施例4)
<触媒層−電解質膜積層体の作製>
まず、(トータル)厚みが50μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが30μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2bを形成した。
(Example 4)
<Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
First, a catalyst layer partially including the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness is 50 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support is 30 μm. 2b was formed.

次に、実施例1と同様にして、厚みが70μmであり、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を触媒層2b上に形成した。   Next, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane 1 having a thickness of 70 μm and provided with a porous support 3 was formed on the catalyst layer 2b.

次に、(トータル)厚みが50μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが30μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2aを電解質膜1上に形成し、触媒層−電解質膜積層体10を得た。   Next, a catalyst provided with a part of the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness was 50 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 30 μm. The layer 2a was formed on the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10 was obtained.

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒層−電解質膜積層体10を用い、実施例1と同様にして、膜電極接合体を得、JARIセル標準セルにセル組みした。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Using the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 obtained above, a membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 and assembled into a JARI cell standard cell.

(実施例5)
<触媒層−電解質膜積層体の作製>
まず、(トータル)厚みが70μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが50μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2bを形成した。
(Example 5)
<Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
First, a catalyst layer partially including the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness is 70 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support is 50 μm. 2b was formed.

次に、実施例1と同様にして、厚みが70μmであり、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を触媒層2b上に形成した。   Next, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane 1 having a thickness of 70 μm and provided with a porous support 3 was formed on the catalyst layer 2b.

次に、(トータル)厚みが70μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが50μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2aを電解質膜1上に形成し、触媒層−電解質膜積層体10を得た。   Next, a catalyst provided with a part of the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness was 70 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 50 μm. The layer 2a was formed on the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10 was obtained.

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒層−電解質膜積層体10を用い、実施例1と同様にして、膜電極接合体を得、JARIセル標準セルにセル組みした。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Using the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 obtained above, a membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 and assembled into a JARI cell standard cell.

(実施例6)
<触媒層−電解質膜積層体の作製>
厚み60μm、空隙率96%、繊維径10μm、細孔径200μmのガラス繊維支持体を用い、(トータル)厚みが20μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2bを形成した。
(Example 6)
<Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
A glass fiber support having a thickness of 60 μm, a porosity of 96%, a fiber diameter of 10 μm, and a pore diameter of 200 μm was used. In the same manner as in Example 1, a catalyst layer 2b having a porous support 3 in part was formed.

次に、厚みを40μmにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を触媒層2b上に形成した。   Next, an electrolyte membrane 1 provided with the porous support 3 was formed on the catalyst layer 2b in the same manner as in Example 1 except that the thickness was 40 μm.

次に、(トータル)厚みが20μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例1と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2aを電解質膜1上に形成し、触媒層−電解質膜積層体10を得た。   Next, a catalyst provided with a part of the porous support 3 in the same manner as in Example 1 except that the (total) thickness was 20 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 10 μm. The layer 2a was formed on the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10 was obtained.

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒層−電解質膜積層体10を用い、実施例1と同様にして、膜電極接合体を得、JARIセル標準セルにセル組みした。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Using the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 obtained above, a membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 and assembled into a JARI cell standard cell.

(実施例7)
<触媒層−電解質膜積層体の作製>
(トータル)厚みが25μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例6と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2bを形成した。
(Example 7)
<Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
The catalyst layer 2b provided with a part of the porous support 3 in the same manner as in Example 6 except that the (total) thickness was 25 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 10 μm. Formed.

次に、厚みを30μmにした以外は、実施例6と同様にして、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を触媒層2b上に形成した。   Next, an electrolyte membrane 1 provided with the porous support 3 was formed on the catalyst layer 2b in the same manner as in Example 6 except that the thickness was 30 μm.

次に、(トータル)厚みが25μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例6と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2aを電解質膜1上に形成し、触媒層−電解質膜積層体10を得た。   Next, a catalyst provided with a part of the porous support 3 in the same manner as in Example 6 except that the (total) thickness was 25 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 10 μm. The layer 2a was formed on the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10 was obtained.

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒層−電解質膜積層体10を用い、実施例1と同様にして、膜電極接合体を得、JARIセル標準セルにセル組みした。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Using the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 obtained above, a membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 and assembled into a JARI cell standard cell.

(実施例8)
<触媒層−電解質膜積層体の作製>
(トータル)厚みが30μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例6と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2bを形成した。
(Example 8)
<Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
Except that the total thickness is 30 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support is 10 μm, the catalyst layer 2b partially including the porous support 3 is provided in the same manner as in Example 6. Formed.

次に、厚みを20μmにした以外は、実施例6と同様にして、多孔質支持体3を備えた電解質膜1を触媒層2b上に形成した。   Next, an electrolyte membrane 1 provided with the porous support 3 was formed on the catalyst layer 2b in the same manner as in Example 6 except that the thickness was 20 μm.

次に、(トータル)厚みが30μm、ガラス繊維支持体からのはみ出し部分の厚みが10μmになるようにした以外は、実施例6と同様にして、多孔質支持体3を一部に備えた触媒層2aを電解質膜1上に形成し、触媒層−電解質膜積層体10を得た。   Next, a catalyst provided with a part of the porous support 3 in the same manner as in Example 6 except that the (total) thickness was 30 μm and the thickness of the protruding portion from the glass fiber support was 10 μm. The layer 2a was formed on the electrolyte membrane 1, and the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10 was obtained.

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒層−電解質膜積層体10を用い、実施例1と同様にして、膜電極接合体を得、JARIセル標準セルにセル組みした。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Using the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 obtained above, a membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 and assembled into a JARI cell standard cell.

(比較例1)
実施例1と同様にして得られた電解質ペーストを、厚み20μm、空隙率85%、繊維径2μm、細孔径15μmのガラス繊維支持体上にブレードコーターで塗工し、約100℃で、約30分間乾燥して厚み20μmの電解質膜を得た。
(Comparative Example 1)
The electrolyte paste obtained in the same manner as in Example 1 was coated with a blade coater on a glass fiber support having a thickness of 20 μm, a porosity of 85%, a fiber diameter of 2 μm, and a pore diameter of 15 μm, and at about 100 ° C., about 30 An electrolyte membrane having a thickness of 20 μm was obtained by drying for a minute.

実施例及び比較例で用いた電解質(リン酸スズ)の粒径、実施例及び比較例における電解質膜中の電解質(リン酸スズ)の粒径、実施例で得られたJARIセル標準セルの起電力及び実施例の触媒層−電解質膜積層体における電解質膜と触媒層の密着性を下記のように測定し、その結果を下記表1に示した。なお、実施例及び比較例で用いた多孔質支持体の細孔径及び空隙率は下記にように測定したものである。   The particle diameter of the electrolyte (tin phosphate) used in the examples and comparative examples, the particle diameter of the electrolyte (tin phosphate) in the electrolyte membranes in the examples and comparative examples, and the occurrence of the JARI cell standard cell obtained in the examples The adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer in the power layer and the catalyst layer-electrolyte membrane laminate of the example was measured as follows, and the results are shown in Table 1 below. In addition, the pore diameter and porosity of the porous support used in the examples and comparative examples were measured as follows.

(電解質の粒径測定)
電解質単体のSEM写真を倍率250倍で2枚撮り、電解質の2次粒子径を各N5で測定し、合計N10の平均粒径を電解質の粒径とした。SEM装置はJEOL社製「JSM−6700F」を使用した。なお、図5に、実施例で用いたリン酸スズの倍率250倍のSEM写真を示している。
(Measurement of electrolyte particle size)
Two SEM photographs of the electrolyte alone were taken at a magnification of 250 times, the secondary particle diameter of the electrolyte was measured at each N5, and the average particle diameter of the total N10 was taken as the electrolyte particle diameter. As the SEM apparatus, “JSM-6700F” manufactured by JEOL was used. In addition, in FIG. 5, the SEM photograph of the magnification 250 times of the tin phosphate used in the Example is shown.

(電解質膜中の電解質の粒径測定)
電解質膜1の断面SEM写真を倍率3万倍で5枚撮り、電解質膜中の電解質の粒子径を各N4で測定し、合計N20の平均粒径を電解質膜中の電解質の粒径とした。なお、図6に、実施例1における電解質膜中のリン酸スズの倍率3万倍のSEM写真を示している。
(Measurement of particle size of electrolyte in electrolyte membrane)
Five cross-sectional SEM photographs of the electrolyte membrane 1 were taken at a magnification of 30,000, the particle diameter of the electrolyte in the electrolyte membrane was measured at each N4, and the average particle size of N20 in total was taken as the particle size of the electrolyte in the electrolyte membrane. In addition, in FIG. 6, the SEM photograph of the magnification of 30,000 times of the tin phosphate in the electrolyte membrane in Example 1 is shown.

(起電力の測定)
実施例で得られたJARIセル標準セルを用い、120℃で、無加湿ガスを用いてIV測定を行い、100mA/cm2における起電力を調べた。
(Measurement of electromotive force)
Using the JARI cell standard cell obtained in the example, IV measurement was performed at 120 ° C. using a non-humidified gas, and the electromotive force at 100 mA / cm 2 was examined.

(密着性の評価)
実施例で得られた触媒層―電解質膜積層体の片側の触媒層の表面に市販のセロハンテープ(ニチバン社製「CT405AP−18」、幅18mm、長さ35mm)を貼った後、約1mm/分の速度で引っ張り、セロハンテープを剥がすことにより、電解質膜と触媒層との密着性を調べ、以下のように3段階で評価した。なお、触媒層―電解質膜積層体のもう一方の触媒層及び電解質膜は、剥がれないようにポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に固定した。
A:セロハンテープのみが剥がれる。
B:セロハンテープに薄く触媒層が付いて剥がれる。
C:電解質膜側に触媒層の欠落が目視可能な程度でセロハンテープに触媒層が張り付き剥がれる。
(Evaluation of adhesion)
After pasting a commercially available cellophane tape ("CT405AP-18" manufactured by Nichiban Co., Ltd., width 18 mm, length 35 mm) on the surface of the catalyst layer on one side of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate obtained in the examples, about 1 mm / The adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer was examined by pulling at a rate of minutes and peeling off the cellophane tape, and evaluated in three stages as follows. The other catalyst layer and the electrolyte membrane of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate were fixed on a polyethylene terephthalate (PET) film so as not to peel off.
A: Only the cellophane tape is peeled off.
B: A thin catalyst layer is attached to the cellophane tape and peeled off.
C: The catalyst layer sticks to and peels off from the cellophane tape to the extent that the catalyst layer is visible on the electrolyte membrane side.

(多孔質支持体の細孔径測定)
多孔質支持体単体の表面のSEM写真を倍率100倍で5枚撮り、多孔質支持体の細孔径を各N5で測定し、合計N20の平均細孔径を多孔質支持体の細孔径とした。
(Measurement of pore diameter of porous support)
Five SEM photographs of the surface of the porous support were taken at a magnification of 100, the pore diameter of the porous support was measured at each N5, and the average pore diameter of the total N20 was taken as the pore diameter of the porous support.

(多孔質支持体の空隙率測定)
所定の面積の多孔質支持体単体の厚みをマイクロメーターで測定し、見かけの体積を算出した。その後、重量と比重により実体積を算出し、見かけの体積から実体積を引くことにより算出した空隙率を多孔質支持体の空隙率とした。
(Porosity measurement of porous support)
The thickness of the porous support alone having a predetermined area was measured with a micrometer, and the apparent volume was calculated. Thereafter, the actual volume was calculated from the weight and specific gravity, and the porosity calculated by subtracting the actual volume from the apparent volume was defined as the porosity of the porous support.

Figure 2012064343
Figure 2012064343

多孔質支持体が電解質膜と少なくとも触媒層の一方又は両方の一部を貫通している実施例1〜8では、電解質膜が薄膜でも強度に優れ、触媒層形成時に膜破れが発生しない。また、上記表1に示すように、密着性評価において、触媒層の顕著な剥がれが確認されず、電解質膜と触媒層との密着性は良好であった。これに対して、比較例1では、多孔質支持体の厚みが薄く強度が足りないため触媒層形成時に膜破れが発生し、膜-電極接合体の形成が困難であり、密着性を確認することも困難であることを確認した。   In Examples 1 to 8, in which the porous support penetrates at least part of one or both of the electrolyte membrane and the catalyst layer, the electrolyte membrane is excellent in strength even if it is a thin film, and membrane breakage does not occur when the catalyst layer is formed. Moreover, as shown in the said Table 1, in the adhesive evaluation, the remarkable peeling of the catalyst layer was not confirmed, and the adhesiveness between the electrolyte membrane and the catalyst layer was good. On the other hand, in Comparative Example 1, since the thickness of the porous support is thin and the strength is insufficient, film breakage occurs during the formation of the catalyst layer, making it difficult to form the membrane-electrode assembly, and confirming the adhesion. It was also confirmed that it was difficult.

また、表1に示すように、実施例1〜8では、強度を維持したまま電解質膜の薄膜化が可能であり、100mA/cm2において0.3V以上の起電力を示した。これに対して、比較例1では、膜電極接合体の形成が困難であったため、電池特性評価は困難であることを確認した。 Further, as shown in Table 1, in Examples 1 to 8, the electrolyte membrane can be thinned while maintaining the strength, and an electromotive force of 0.3 V or more was exhibited at 100 mA / cm 2 . On the other hand, in Comparative Example 1, since it was difficult to form a membrane electrode assembly, it was confirmed that battery characteristic evaluation was difficult.

本発明は、固体酸を用いた電解質膜及びそれを用いた燃料電池に関連した技術分野に好適に適用され得る。   The present invention can be suitably applied to technical fields related to an electrolyte membrane using a solid acid and a fuel cell using the electrolyte membrane.

1 電解質膜
2a、2b 触媒層
3 多孔質支持体
10 触媒層−電解質膜積層体
14a,14b ガス拡散層
20 膜電極接合体
21 燃料流路
22 酸化剤ガス流路
23 外部回路
28、29 セパレータ
30 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2a, 2b Catalyst layer 3 Porous support body 10 Catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 14a, 14b Gas diffusion layer 20 Membrane electrode assembly 21 Fuel flow path 22 Oxidant gas flow path 23 External circuit 28, 29 Separator 30 Fuel cell

Claims (13)

電解質膜と、一対の触媒層とを含む触媒層−電解質膜積層体であって、
前記電解質膜は、固体酸を含み、多孔質支持体を備えており、
前記触媒層は、触媒を含み、前記電解質膜の両面にそれぞれ接合されており、
前記多孔質支持体が、前記電解質膜と少なくとも前記触媒層の一方又は両方の一部を貫通していることを特徴とする触媒層−電解質膜積層体。
A catalyst layer-electrolyte membrane laminate including an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers,
The electrolyte membrane includes a solid acid and includes a porous support;
The catalyst layer includes a catalyst and is bonded to both surfaces of the electrolyte membrane,
The catalyst layer-electrolyte membrane laminate, wherein the porous support passes through part of one or both of the electrolyte membrane and at least the catalyst layer.
前記多孔質支持体が、前記電解質膜と前記両方の触媒層の一部又は全体を貫通している請求項1に記載の触媒層−電解質膜積層体。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to claim 1, wherein the porous support penetrates part or all of the electrolyte membrane and both catalyst layers. 前記固体酸が、無機固体酸である請求項1又は2に記載の触媒層−電解質膜積層体。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to claim 1 or 2, wherein the solid acid is an inorganic solid acid. 前記固体酸が、プロトン伝導性を有する無機塩である請求項1〜3のいずれか1項に記載の触媒層−電解質膜積層体。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid acid is an inorganic salt having proton conductivity. 前記固体酸が、下記式(1)で表される金属リン酸塩である請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒層−電解質膜積層体。
1-xx27 ・・・(1)
但し、式(1)中、Xは0≦X<0.5であり、MはZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Hf,Ca,Mg,W,Na及びAlからなる群から選ばれる1種であり、NはAl,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce,La,Sb,Y,Nb及びMgからなる群から選ばれる1種である。
The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to any one of claims 1 to 4, wherein the solid acid is a metal phosphate represented by the following formula (1).
M 1-x N x P 2 O 7 (1)
However, in Formula (1), X is 0 ≦ X <0.5, and M is a group consisting of Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, and Al. N is one selected from the group consisting of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La, Sb, Y, Nb and Mg.
前記固体酸が、リン酸スズである請求項1〜5のいずれか1項に記載の触媒層−電解質膜積層体。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid acid is tin phosphate. 前記固体酸が、ヘテロポリ酸と無機塩の複合体である請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒層−電解質膜積層体。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to any one of claims 1 to 4, wherein the solid acid is a complex of a heteropolyacid and an inorganic salt. 前記固体酸が、タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体、タングステンリン酸と硫酸水素セシウムの複合体及びタングステンリン酸と硫酸セシウムの複合体からなる群から選ばれる一種である請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒層−電解質膜積層体。   5. The solid acid is a kind selected from the group consisting of a complex of tungsten phosphate and potassium hydrogen sulfate, a complex of tungsten phosphate and cesium hydrogen sulfate, and a complex of tungsten phosphate and cesium sulfate. The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to any one of the above. 前記固体酸が、セシウムリン酸とリン酸ケイ素の複合体である請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒層−電解質膜積層体。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to any one of claims 1 to 4, wherein the solid acid is a composite of cesium phosphoric acid and silicon phosphate. 前記多孔質支持体が、ガラス繊維で構成されている請求項1〜9のいずれか1項に記載の触媒層−電解質膜積層体。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to any one of claims 1 to 9, wherein the porous support is composed of glass fibers. 請求項1〜10に記載の触媒層−電解質膜積層体と、一対のガス拡散層とを備え、前記ガス拡散層が前記触媒層−電解質膜積層体の両面にそれぞれ配置されていることを特徴とする膜電極接合体。   A catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to claim 1 and a pair of gas diffusion layers, wherein the gas diffusion layers are respectively disposed on both sides of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate. Membrane electrode assembly. 請求項1〜10に記載の触媒層−電解質膜積層体と、一対のガス拡散層と、一対のセパレータとを備え、前記ガス拡散層と前記セパレータが前記触媒層−電解質膜積層体の両面にそれぞれ順次積層されていることを特徴とする燃料電池。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to claim 1, a pair of gas diffusion layers, and a pair of separators, wherein the gas diffusion layer and the separator are on both sides of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate. A fuel cell characterized by being sequentially laminated. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、
触媒を含み、少なくとも一部に多孔質支持体を備える触媒層を形成する工程と、
固体酸を含み、多孔質支持体を備える電解質膜を形成する工程と、
触媒を含み、少なくとも一部に多孔質支持体を備えるか又は多孔質支持体を備えていない他方の触媒層を形成する工程とを含み、
前記多孔質支持体が、前記電解質膜と少なくとも一方又は両方の前記触媒層の一部を貫通している触媒層−電解質膜積層体を得ることを特徴とする触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
A method for producing a catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to any one of claims 1 to 10,
Forming a catalyst layer comprising a catalyst and comprising a porous support at least in part;
Forming an electrolyte membrane comprising a solid acid and comprising a porous support;
Forming the other catalyst layer comprising a catalyst and having a porous support at least partially or not having a porous support,
Production of catalyst layer-electrolyte membrane laminate characterized in that the porous support body obtains a catalyst layer-electrolyte membrane laminate in which the electrolyte membrane and at least one of or both of the catalyst layers penetrate. Method.
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