JP2014026743A - Electrode membrane assembly and fuel cell - Google Patents

Electrode membrane assembly and fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2014026743A
JP2014026743A JP2012163974A JP2012163974A JP2014026743A JP 2014026743 A JP2014026743 A JP 2014026743A JP 2012163974 A JP2012163974 A JP 2012163974A JP 2012163974 A JP2012163974 A JP 2012163974A JP 2014026743 A JP2014026743 A JP 2014026743A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
polymer electrolyte
cathode
membrane
transition metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012163974A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kensan Ri
建燦 李
Sadanori Abe
禎典 安部
Yuji Ito
祐司 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Resonac Holdings Corp
Original Assignee
Showa Denko KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Showa Denko KK filed Critical Showa Denko KK
Priority to JP2012163974A priority Critical patent/JP2014026743A/en
Publication of JP2014026743A publication Critical patent/JP2014026743A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly preventing deterioration in a membrane electrode assembly using a polymer electrolyte, thereby capable of preventing lowering of output in a fuel cell over a prolonged period.SOLUTION: In an electrode membrane assembly, a cathode side catalyst of a membrane electrode assembly is a composite particle comprising catalyst metal and a catalyst carrier, the catalyst carrier comprises a transition metal element M1, a transition metal element M2 other than M1, carbon, nitrogen and oxygen, with a specific ratio, the transition metal element M1 is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb and Ta, the catalyst metal is one or more selected from the group consisting of platinum, gold, copper, Pd, Rh, Ru, Ir, Os, Re and an alloy of two or more of these, at least one of a polymer electrolyte binder included in the cathode and a cathode side electrolyte membrane includes a fluorine based electrolyte, and at least one of a polymer electrolyte binder included in the anode and an anode side electrolyte membrane includes a hydrocarbon based electrolyte.

Description

本発明は、電極膜接合体および燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrode membrane assembly and a fuel cell.

水素を燃料とする高分子形燃料電池やメタノール、ジメチルエーテルやエチレングリコール等の液体を燃料とする高分子形燃料電池は、高出力密度、低温作動、環境調和性が高いという特長を持つ。そのため、自動車用電源、分散型コジェネレーション電源やモバイル用電源の実用化に向けた開発が推進されている。   Polymer fuel cells that use hydrogen as a fuel and polymer fuel cells that use a liquid such as methanol, dimethyl ether, or ethylene glycol as fuels have the features of high power density, low temperature operation, and high environmental friendliness. For this reason, developments for practical application of power supplies for automobiles, distributed cogeneration power supplies and mobile power supplies are being promoted.

高分子形燃料電池は、水素やメタノール等の燃料と空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで電気と熱とを同時に発生させるものである。水素やメタノールを燃料として作動する高分子形燃料電池のコスト、効率、耐久性を大きく支配するものとして発電の心臓部である膜電極接合体が挙げられる。その膜電極接合体の構造を図1に示す。膜電極接合体は、高分子電解質膜1の片面に白金ルテニウム合金等の触媒を担持させたカーボン粉末と高分子電解質とからなるアノード電極2が、前記高分子電解質膜1のアノード電極2と反対側の面に白金等の触媒を担持させたカーボン粉末と高分子電解質とからなるカソード電極3が設けられている。更に、アノード電極2の外側に燃料の透過性と電子伝導性を併せ持つアノード拡散層4が、カソード電極3の外側に酸化性ガスの通気性と電子伝導性を併せ持つカソード拡散層5が設けられている。   A polymer fuel cell generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen or methanol with an oxidant gas containing oxygen such as air. A membrane electrode assembly, which is the heart of power generation, can be cited as a major factor in the cost, efficiency, and durability of polymer fuel cells that operate using hydrogen or methanol as fuel. The structure of the membrane electrode assembly is shown in FIG. In the membrane electrode assembly, the anode electrode 2 made of a carbon powder having a catalyst such as a platinum ruthenium alloy supported on one surface of the polymer electrolyte membrane 1 and the polymer electrolyte is opposite to the anode electrode 2 of the polymer electrolyte membrane 1. A cathode electrode 3 made of a carbon powder carrying a catalyst such as platinum and a polymer electrolyte is provided on the side surface. Further, an anode diffusion layer 4 having both fuel permeability and electron conductivity is provided outside the anode electrode 2, and a cathode diffusion layer 5 having both oxygen gas permeability and electron conductivity is provided outside the cathode electrode 3. Yes.

前記高分子電解質膜1としては、ポリパーフルオロスルホン酸等に代表されるフッ素系電解質膜やスルホン酸基やアルキレンスルホン酸基を導入したエンジニアリングプラスチックスに代表される炭化水素系電解質膜が用いられている。前記高分子電解質膜1として炭化水素系電解質膜が燃料のクロスオーバーが少ない利点があるため、注目されている。   As the polymer electrolyte membrane 1, a fluorine-based electrolyte membrane typified by polyperfluorosulfonic acid or the like, or a hydrocarbon-based electrolyte membrane typified by engineering plastics into which a sulfonic acid group or an alkylene sulfonic acid group is introduced is used. ing. As the polymer electrolyte membrane 1, a hydrocarbon-based electrolyte membrane is attracting attention because it has an advantage of less fuel crossover.

前記高分子電解質膜1として炭化水素系電解質膜を用いる場合、前記高分子電解質膜1と触媒を担持させたカーボン粉末、或いは触媒を担持させたカーボン粉末同士を接着させ、プロトンを伝導する高分子電解質バインダとして、一般にアノード電極2、カソード電極3の両者ともフッ素系電解質が使われている(特許文献1)。   When a hydrocarbon electrolyte membrane is used as the polymer electrolyte membrane 1, the polymer electrolyte membrane 1 and a carbon powder carrying a catalyst, or a carbon powder carrying a catalyst are bonded to each other to conduct protons. As an electrolyte binder, a fluorine-based electrolyte is generally used for both the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 (Patent Document 1).

前記高分子電解質膜1として炭化水素系電解質膜を用い、前記高分子電解質膜1と触媒を担持させたカーボン粉末、或いは触媒を担持させたカーボン粉末同士を接着させ、プロトンを伝導する高分子電解質としてアノード電極2、カソード電極3の両者ともフッ素系電解質を用いて膜電極接合体を燃料電池に組み込み、稼動させると、短時間の内に燃料電池の出力が低下するという問題点が生じた。   A polymer electrolyte membrane that uses a hydrocarbon-based electrolyte membrane as the polymer electrolyte membrane 1 and adheres the polymer electrolyte membrane 1 and a carbon powder carrying a catalyst, or a carbon powder carrying a catalyst, to conduct protons. As a result, when both the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 are incorporated into a fuel cell using a fluorine-based electrolyte and operated, there arises a problem that the output of the fuel cell decreases within a short time.

同様に、前記高分子電解質膜1として炭化水素系電解質膜を用い、前記高分子電解質膜1と触媒を担持させたカーボン粉末、或いは触媒を担持させたカーボン粉末同士を接着させ、プロトンを伝導する高分子電解質としてアノード電極2、カソード電極3の両者とも炭化水素系電解質を用いて膜電極接合体を燃料電池に組み込み、稼動させると、短時間の内に燃料電池の出力が低下するという問題点があった。   Similarly, a hydrocarbon-based electrolyte membrane is used as the polymer electrolyte membrane 1, the polymer electrolyte membrane 1 and a carbon powder carrying a catalyst, or a carbon powder carrying a catalyst are bonded to conduct protons. When both the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 are used as polymer electrolytes and a membrane electrode assembly is incorporated into a fuel cell using a hydrocarbon electrolyte, the output of the fuel cell decreases within a short time. was there.

また、特許文献2には、カソード電極の高分子電解質バインダおよびカソード側電解質膜の少なくとも一方がフッ素系電解質を含み、前記アノード電極の高分子電解質バインダおよびアノード電解質膜の少なくとも一方が炭化水素系電解質を含む膜電極接合体が開示されている。   Patent Document 2 discloses that at least one of a polymer electrolyte binder of a cathode electrode and a cathode side electrolyte membrane contains a fluorine-based electrolyte, and at least one of the polymer electrolyte binder of the anode electrode and the anode electrolyte membrane is a hydrocarbon electrolyte. There is disclosed a membrane electrode assembly comprising:

特開2002−110174号公報JP 2002-110174 A 特開2007−157425号公報JP 2007-157425 A 特開2009−187848号公報JP 2009-187848 A

本発明の課題は、高分子電解質を用いた膜電極接合体の劣化を防止して、長時間にわたる燃料電池の出力低下を防止することである。   It is an object of the present invention to prevent deterioration of a membrane electrode assembly using a polymer electrolyte and prevent a decrease in output of a fuel cell over a long period of time.

本発明は、例えば、以下の[1]〜[4]に関する。
[1]
アノードとカソードと固体高分子電解質膜とを含み、前記固体高分子電解質膜が前記アノードと前記カソードとの間に挟まれた構成を有する電極膜接合体であって、
前記アノードおよびカソードは、触媒および高分子電解質バインダを含む電極触媒層を有し、
前記カソードに含まれる触媒は、触媒金属および触媒担体から構成される複合粒子からなる酸素還元触媒であり、
前記触媒担体が、遷移金属元素M1、M1以外の遷移金属元素M2、炭素、窒素および酸素を含み、
前記遷移金属元素M1、遷移金属元素M2、炭素、窒素および酸素の原子数の比(遷移金属元素M1:遷移金属元素M2:炭素:窒素:酸素)が(1−a):a:x:y:z(ただし、0<a≦0.5、0<x≦7、0<y≦2、0<z≦3である。)であり、
前記遷移金属元素M1が、チタン、ジルコニウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
前記触媒金属が白金、金、銅、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムおよびレニウム、並びにこれら2種以上の合金からなる群から選ばれる1種以上であり、
前記カソードに含まれる高分子電解質バインダおよびカソード側電解質膜の少なくとも一方がフッ素系電解質を含み、前記アノードに含まれる高分子電解質バインダおよびアノード側電解質膜の少なくとも一方が炭化水素系電解質を含む電極膜接合体。
The present invention relates to the following [1] to [4], for example.
[1]
An electrode membrane assembly comprising an anode, a cathode, and a solid polymer electrolyte membrane, wherein the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the anode and the cathode,
The anode and cathode have an electrocatalyst layer comprising a catalyst and a polymer electrolyte binder;
The catalyst contained in the cathode is an oxygen reduction catalyst composed of composite particles composed of a catalyst metal and a catalyst carrier,
The catalyst carrier includes transition metal elements M2 other than transition metal elements M1 and M1, carbon, nitrogen and oxygen;
The ratio of the number of atoms of transition metal element M1, transition metal element M2, carbon, nitrogen and oxygen (transition metal element M1: transition metal element M2: carbon: nitrogen: oxygen) is (1-a): a: x: y : Z (where 0 <a ≦ 0.5, 0 <x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, 0 <z ≦ 3),
The transition metal element M1 is at least one selected from the group consisting of titanium, zirconium, niobium and tantalum,
The catalytic metal is one or more selected from the group consisting of platinum, gold, copper, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, osmium and rhenium, and alloys of two or more thereof;
At least one of the polymer electrolyte binder and cathode side electrolyte membrane contained in the cathode contains a fluorine-based electrolyte, and at least one of the polymer electrolyte binder and anode side electrolyte membrane contained in the anode contains an electrode membrane containing a hydrocarbon electrolyte. Joined body.

[2]
前記遷移金属元素M2が、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、バナジウムおよびマンガンから選ばれる少なくとも1種である上記[1]に記載の膜電極接合体。
[2]
The membrane electrode assembly according to the above [1], wherein the transition metal element M2 is at least one selected from iron, nickel, chromium, cobalt, vanadium and manganese.

[3]
上記[1]または[2]に記載の膜電極接合体を備える燃料電池。
[4]
前記アノードおよびカソードは、触媒と、該触媒を担持する触媒担体と、該触媒担体を覆う高分子電解質バインダとを含む電極触媒層を有し、
前記アノードおよびカソードの少なくとも一方に含まれる高分子電解質バインダは、重量平均分子量が異なる少なくとも二種類以上のプロトン伝導性樹脂を含み、前記高分子電解質バインダの前記触媒担体側部分に含まれるプロトン伝導性樹脂の重量平均分子量が、前記高分子電解質バインダの外側部分に含まれるプロトン伝導性樹脂の重量平均分子量よりも小さい上記[3]に記載の燃料電池。
[3]
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to the above [1] or [2].
[4]
The anode and the cathode have an electrode catalyst layer including a catalyst, a catalyst carrier supporting the catalyst, and a polymer electrolyte binder covering the catalyst carrier,
The polymer electrolyte binder contained in at least one of the anode and the cathode contains at least two kinds of proton conductive resins having different weight average molecular weights, and the proton conductivity contained in the catalyst carrier side portion of the polymer electrolyte binder. The fuel cell according to the above [3], wherein the weight average molecular weight of the resin is smaller than the weight average molecular weight of the proton conductive resin contained in the outer portion of the polymer electrolyte binder.

本発明によれば、膜電極接合体の劣化を防止し、燃料電池による発電を安定して長時間行うことができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, deterioration of a membrane electrode assembly can be prevented and the electric power generation by a fuel cell can be performed stably for a long time.

本発明の実施例に関わる膜電極接合体の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the membrane electrode assembly in connection with the Example of this invention. 電子伝導体と2種類のプロトン伝導体と関係を示す概略図である。It is the schematic which shows a relationship between an electronic conductor and two types of proton conductors. カーボン粒子と金属触媒との関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship between a carbon particle and a metal catalyst. 本発明の実施例に関わる高分子形燃料電池発電装置単電池セルを示す図。The figure which shows the polymer fuel cell electric power generating unit cell concerning the Example of this invention. 実施例で得られた触媒担体(1)の粉末X線回折スペクトルを示す。The powder X-ray-diffraction spectrum of the catalyst support | carrier (1) obtained in the Example is shown.

[膜電極接合体]
本発明の膜電極接合体は、
アノードとカソードと固体高分子電解質膜とを含み、前記固体高分子電解質膜が前記アノードと前記カソードとの間に挟まれた構成を有する電極膜接合体であって、
前記アノードおよびカソードは、触媒および高分子電解質バインダを含む電極触媒層を有し、
前記カソードに含まれる触媒は、触媒金属および触媒担体から構成される複合粒子からなる酸素還元触媒であり、
前記触媒担体が、遷移金属元素M1、炭素、窒素および酸素を含み、
前記遷移金属元素M1が、チタン、ジルコニウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
前記触媒金属が白金、金、銅、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムおよびレニウム、並びにこれら2種以上の合金からなる群から選ばれる1種以上であり、
前記カソードに含まれる高分子電解質バインダおよびカソード側電解質膜の少なくとも一方がフッ素系電解質を含み、前記アノードに含まれる高分子電解質バインダおよびアノード側電解質膜の少なくとも一方が炭化水素系電解質を含む。
[Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly of the present invention is
An electrode membrane assembly comprising an anode, a cathode, and a solid polymer electrolyte membrane, wherein the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the anode and the cathode,
The anode and cathode have an electrocatalyst layer comprising a catalyst and a polymer electrolyte binder;
The catalyst contained in the cathode is an oxygen reduction catalyst composed of composite particles composed of a catalyst metal and a catalyst carrier,
The catalyst support includes a transition metal element M1, carbon, nitrogen and oxygen;
The transition metal element M1 is at least one selected from the group consisting of titanium, zirconium, niobium and tantalum,
The catalytic metal is one or more selected from the group consisting of platinum, gold, copper, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, osmium and rhenium, and alloys of two or more thereof;
At least one of the polymer electrolyte binder and the cathode side electrolyte membrane included in the cathode includes a fluorine-based electrolyte, and at least one of the polymer electrolyte binder and the anode side electrolyte membrane included in the anode includes a hydrocarbon electrolyte.

(カソードに含まれる酸素還元触媒)
カソードに含まれる触媒は、触媒金属および触媒担体から構成される複合粒子からなる酸素還元触媒である。触媒金属は触媒担体に担持されている。
(Oxygen reduction catalyst contained in the cathode)
The catalyst contained in the cathode is an oxygen reduction catalyst composed of composite particles composed of a catalyst metal and a catalyst carrier. The catalyst metal is supported on a catalyst carrier.

金属触媒としては、好ましくは、白金、金、銅、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムおよびレニウム、並びにこれら2種以上の合金からなる群から選ばれる1種以上である。   The metal catalyst is preferably at least one selected from the group consisting of platinum, gold, copper, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, osmium and rhenium, and alloys of two or more thereof.

触媒担体に担持される触媒金属は、通常金属粒子である。この金属粒子の平均粒径としては、1〜20nmが好ましく、さらに好ましくは1〜10nmである。この平均粒径は、BET法によって得られる数値である。金属粒子の平均粒径が前記範囲内にあると、触媒活性が高くなるという利点がある。   The catalyst metal supported on the catalyst carrier is usually metal particles. As an average particle diameter of this metal particle, 1-20 nm is preferable, More preferably, it is 1-10 nm. This average particle diameter is a numerical value obtained by the BET method. When the average particle diameter of the metal particles is within the above range, there is an advantage that the catalytic activity is increased.

触媒担体は、遷移金属元素M1、炭素、窒素および酸素を含む。
遷移金属元素M1としては、具体的にはチタン、ジルコニウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。遷移金属元素M1の中でも、コストおよび得られる触媒の性能の観点から、チタン、ジルコニウム、ニオブおよびタンタルが好ましく、チタンおよびジルコニウムがさらに好ましい。
The catalyst support includes a transition metal element M1, carbon, nitrogen, and oxygen.
Specific examples of the transition metal element M1 include at least one selected from the group consisting of titanium, zirconium, niobium, and tantalum. Among the transition metal elements M1, titanium, zirconium, niobium and tantalum are preferable, and titanium and zirconium are more preferable from the viewpoint of cost and performance of the obtained catalyst.

触媒担体は、さらにM1以外の遷移金属元素M2を含むことが好ましい。遷移金属元素M2としては、具体的には鉄、ニッケル、クロム、コバルト、バナジウムおよびマンガンから選ばれる少なくとも1種である。遷移金属元素M2としては、コストと得られる触媒の性能とのバランスの観点から、鉄およびクロムが好ましく、鉄がさらに好ましい。   The catalyst carrier preferably further contains a transition metal element M2 other than M1. Specifically, the transition metal element M2 is at least one selected from iron, nickel, chromium, cobalt, vanadium, and manganese. As the transition metal element M2, iron and chromium are preferable and iron is more preferable from the viewpoint of the balance between the cost and the performance of the obtained catalyst.

遷移金属元素(ただし、遷移金属元素M1と遷移金属元素M2とを区別しない。)、炭素、窒素および酸素の原子数の比を、遷移金属元素:炭素:窒素:酸素=1:x:y:zと表すと、好ましくは、0<x≦7、0<y≦2、0<z≦3である。   The ratio of the number of atoms of transition metal element (however, transition metal element M1 and transition metal element M2 are not distinguished), carbon, nitrogen, and oxygen is defined as transition metal element: carbon: nitrogen: oxygen = 1: x: y: When expressed as z, preferably 0 <x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, and 0 <z ≦ 3.

電極触媒の活性が高いことから、xの範囲は、より好ましくは0.15≦x≦5.0、さらに好ましくは0.2≦x≦4.0であり、特に好ましくは1.0≦x≦3.0であり、yの範囲は、より好ましくは0.01≦y≦1.5、さらに好ましくは0.02≦y≦0.5であり、特に好ましくは0.03≦y≦0.4であり、zの範囲は、より好ましくは0.6≦z≦2.6であり、さらに好ましくは0.9≦z≦2.0であり、特に好ましくは1.3≦z≦1.9である。   Since the activity of the electrode catalyst is high, the range of x is more preferably 0.15 ≦ x ≦ 5.0, further preferably 0.2 ≦ x ≦ 4.0, and particularly preferably 1.0 ≦ x. ≦ 3.0, and the range of y is more preferably 0.01 ≦ y ≦ 1.5, still more preferably 0.02 ≦ y ≦ 0.5, and particularly preferably 0.03 ≦ y ≦ 0. And the range of z is more preferably 0.6 ≦ z ≦ 2.6, further preferably 0.9 ≦ z ≦ 2.0, and particularly preferably 1.3 ≦ z ≦ 1. .9.

触媒担体が遷移金属元素M2も含む場合には、遷移金属元素M1、遷移金属元素M2、炭素、窒素および酸素の原子数の比(遷移金属元素M1:遷移金属元素M2:炭素:窒素:酸素)を(1−a):a:x:y:zと表わすと、好ましくは0<a≦0.5、0<x≦7、0<y≦2、0<z≦3である。電極触媒の活性が高いことから、x、yおよびzの好ましい範囲は上述のとおりであり、aの範囲は、より好ましくは0.01≦a≦0.5、さらに好ましくは0.02≦a≦0.4、特に好ましくは0.05≦a≦0.3である。   When the catalyst support also includes a transition metal element M2, the ratio of the number of atoms of the transition metal element M1, the transition metal element M2, carbon, nitrogen, and oxygen (transition metal element M1: transition metal element M2: carbon: nitrogen: oxygen) Is represented by (1-a): a: x: y: z, preferably 0 <a ≦ 0.5, 0 <x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, and 0 <z ≦ 3. Since the activity of the electrode catalyst is high, the preferable ranges of x, y and z are as described above, and the range of a is more preferably 0.01 ≦ a ≦ 0.5, and further preferably 0.02 ≦ a. ≦ 0.4, particularly preferably 0.05 ≦ a ≦ 0.3.

前記a、x、yおよびzの値は、後述する実施例で採用した方法により測定した場合の
値である。
前記触媒担体は、好ましくは、前記遷移金属元素の酸化物、炭化物または窒化物単独あるいはこれらのうちの複数の結晶構造を有する。前記触媒担体に対するX線回折分析による結晶構造解析の結果と、元素分析の結果とから判断すると、前記触媒担体は、前記遷移金属元素の酸化物構造を有したまま、酸化物構造の酸素原子のサイトを炭素原子または窒素原子で置換した構造、あるいは前記遷移金属元素の炭化物、窒化物または炭窒化物の構造を有したまま、炭素原子または窒素原子のサイトを酸素原子で置換した構造を有するか、あるいはこれらの構造を含む混合物ではないかと推測される。
The values of a, x, y and z are values measured by the method employed in the examples described later.
The catalyst carrier preferably has an oxide, carbide or nitride of the transition metal element alone or a plurality of crystal structures thereof. Judging from the results of crystal structure analysis by X-ray diffraction analysis on the catalyst support and the results of elemental analysis, the catalyst support remains in the oxide structure of the oxide structure of the oxide structure of the transition metal element. Whether it has a structure in which sites are replaced with carbon atoms or nitrogen atoms, or a structure in which the sites of carbon atoms or nitrogen atoms are replaced with oxygen atoms while having the structure of carbide, nitride or carbonitride of the transition metal element Or a mixture containing these structures.

前記触媒担体の触媒のBET法で算出される比表面積は、好ましくは30〜350m2/g、より好ましくは50〜300m2/g、さらに好ましくは100〜300m2/gである。 The specific surface area calculated by the BET method of the catalyst of the catalyst carrier is preferably 30 to 350 m 2 / g, more preferably 50 to 300 m 2 / g, and still more preferably 100 to 300 m 2 / g.

(触媒担体の製造方法)
前記触媒担体の製造方法は、たとえば、少なくとも遷移金属含有化合物および窒素含有有機化合物を混合して触媒担体前駆体組成物を得る工程A、前記触媒担体前駆体組成物を500〜1100℃の温度で熱処理する工程Cを含み、前記遷移金属含有化合物の一部または全部が、前記遷移金属元素M1を含有する化合物である。なお本明細書において、特段の事情がない限り、原子およびイオンを、厳密に区別することなく「原子」と記載する。
(Method for producing catalyst carrier)
The method for producing the catalyst carrier includes, for example, step A in which at least a transition metal-containing compound and a nitrogen-containing organic compound are mixed to obtain a catalyst carrier precursor composition, and the catalyst carrier precursor composition is heated at a temperature of 500 to 1100 ° C. Including the step C of heat treatment, part or all of the transition metal-containing compound is a compound containing the transition metal element M1. In the present specification, unless otherwise specified, atoms and ions are described as “atoms” without strictly distinguishing them.

(工程A)
工程Aでは、少なくとも遷移金属含有化合物および窒素含有有機化合物を混合して触媒担体前駆体組成物を得る。前記混合は、溶媒中で行われることが好ましい。溶媒中で混合を行うと遷移金属含有化合物および窒素含有有機化合物を均一に混合することができるため好ましい。
(Process A)
In Step A, at least a transition metal-containing compound and a nitrogen-containing organic compound are mixed to obtain a catalyst support precursor composition. The mixing is preferably performed in a solvent. Mixing in a solvent is preferable because the transition metal-containing compound and the nitrogen-containing organic compound can be uniformly mixed.

触媒担体前駆体組成物には遷移金属含有化合物と窒素含有有機化合物との反応生成物が含まれると考えられる。溶媒へのこの反応生成物の溶解度は、遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒等の組み合わせによっても異なる。   It is considered that the catalyst carrier precursor composition contains a reaction product of a transition metal-containing compound and a nitrogen-containing organic compound. The solubility of the reaction product in the solvent varies depending on the combination of the transition metal-containing compound, the nitrogen-containing organic compound, the solvent, and the like.

工程Aでは、オートクレーブ等の加圧可能な容器に遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物、溶媒を入れ、常圧以上の圧力をかけながら、混合を行ってもよい。   In step A, the transition metal-containing compound, the nitrogen-containing organic compound, and the solvent may be placed in a pressurizable container such as an autoclave, and mixing may be performed while applying a pressure higher than normal pressure.

<遷移金属含有化合物>
前記遷移金属含有化合物の一部または全部は、前記遷移金属元素M1を含有する化合物である。
遷移金属含有化合物は、好ましくは酸素原子およびハロゲン原子から選ばれる少なくとも1種を有する。遷移金属含有化合物としては、金属リン酸塩、金属硫酸塩、金属硝酸塩、金属酸ハロゲン化物(金属ハロゲン化物の中途加水分解物)、金属ハロゲン化物、金属ハロゲン酸塩、金属次亜ハロゲン酸塩、金属含有有機化合物、金属錯体が挙げられ、金属硝酸塩、金属酸塩化物、金属含有有機化合物、金属ハロゲン化物、金属過塩素酸塩、金属次亜塩素酸塩が好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
<Transition metal-containing compound>
Part or all of the transition metal-containing compound is a compound containing the transition metal element M1.
The transition metal-containing compound preferably has at least one selected from an oxygen atom and a halogen atom. Transition metal-containing compounds include metal phosphates, metal sulfates, metal nitrates, metal acid halides (intermediate hydrolysates of metal halides), metal halides, metal halides, metal hypohalites, Examples thereof include metal-containing organic compounds and metal complexes, and metal nitrates, metal acid chlorides, metal-containing organic compounds, metal halides, metal perchlorates and metal hypochlorites are preferred. These may be used alone or in combination of two or more.

金属含有有機化合物としては、金属有機酸塩、金属アルコキシドが挙げられる。
前記金属アルコキシドとしては、前記遷移金属のメトキシド、プロポキシド、イソプロポキシド、エトキシド、ブトキシド、およびイソブトキシドが好ましく、前記遷移金属のイソプロポキシド、エトキシドおよびブトキシドがさらに好ましい。前記金属アルコキシドは、1種のアルコキシ基を有していてもよく、2種以上のアルコキシ基を有していてもよい。
Examples of the metal-containing organic compound include metal organic acid salts and metal alkoxides.
As the metal alkoxide, methoxide, propoxide, isopropoxide, ethoxide, butoxide and isobutoxide of the transition metal are preferable, and isopropoxide, ethoxide and butoxide of the transition metal are more preferable. The metal alkoxide may have one type of alkoxy group or may have two or more types of alkoxy groups.

酸素原子を有する遷移金属含有化合物としては、アルコキシド、アセチルアセトン錯体、酸塩化物および硫酸塩が好ましく、コストの面から、アルコキシド、アセチルアセトン錯体がより好ましく、前記液相中の溶媒への溶解性の観点から、アルコキシド、アセチルアセトン錯体がさらに好ましい。   As the transition metal-containing compound having an oxygen atom, an alkoxide, an acetylacetone complex, an acid chloride, and a sulfate are preferable, and from the viewpoint of cost, an alkoxide and an acetylacetone complex are more preferable, and a viewpoint of solubility in a solvent in the liquid phase Therefore, an alkoxide and an acetylacetone complex are more preferable.

前記金属ハロゲン化物としては、前記遷移金属の塩化物、臭化物およびヨウ化物が好ましく、前記金属酸ハロゲン化物としては、前記遷移金属の酸塩化物、酸臭化物、酸ヨウ化物が好ましい。
金属過ハロゲン酸塩としては金属過塩素酸塩が好ましく、金属次亜ハロゲン酸塩としては金属次亜塩素酸塩が好ましい。
The metal halide is preferably a chloride, bromide or iodide of the transition metal, and the metal acid halide is preferably an acid chloride, acid bromide or acid iodide of the transition metal.
The metal perhalogenate is preferably a metal perchlorate, and the metal hypohalite is preferably a metal hypochlorite.

前記遷移金属含有化合物の具体例としては、
チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトラプロポキシド、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラブトキシド、チタンテトライソブトキシド、チタンテトラペントキシド、チタンテトラアセチルアセトナート、チタンオキシジアセチルアセトナート、トリス(アセチルアセトナト)第二チタン塩化物([Ti(acac)3]2[TiCl6])、四塩化チタン、三塩化チタン、オキシ塩化チタン、四臭化チタン、三臭化チタン、オキシ臭化チタン、四ヨウ化チタン、三ヨウ化チタン、オキシヨウ化チタン等のチタン化合物;
ニオブペンタメトキシド、ニオブペンタエトキシド、ニオブペンタイソプロポキシド、ニオブペンタブトキシド、ニオブペンタペントキシド、五塩化ニオブ、オキシ塩化ニオブ、五臭化ニオブ、オキシ臭化ニオブ、五ヨウ化ニオブ、オキシヨウ化ニオブ等のニオブ化合物;
ジルコニウムテトラメトキシド、ジルコニウムテトラエトキシド、ジルコニウムテトラプロポキシド、ジルコニウムテトライソプロポキシド、ジルコニウムテトラブトキシド、ジルコニウムテトライソブトキシド、ジルコニウムテトラペントキシド、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、四塩化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、四臭化ジルコニウム、オキシ臭化ジルコニウム、四ヨウ化ジルコニウム、オキシヨウ化ジルコニウム等のジルコニウム化合物;
タンタルペンタメトキシド、タンタルペンタエトキシド、タンタルペンタイソプロポキシド、タンタルペンタブトキシド、タンタルペンタペントキシド、タンタルテトラエトキシアセチルアセトナート、五塩化タンタル、オキシ塩化タンタル、五臭化タンタル、オキシ臭化タンタル、五ヨウ化タンタル、オキシヨウ化タンタル等のタンタル化合物;
ハフニウムテトラメトキシド、ハフニウムテトラエトキシド、ハフニウムテトラプロポキシド、ハフニウムテトライソプロポキシド、ハフニウムテトラブトキシド、ハフニウムテトライソブトキシド、ハフニウムテトラペントキシド、ハフニウムテトラアセチルアセトナート、四塩化ハフニウム、オキシ塩化ハフニウム、臭化ハフニウム、オキシ臭化ハフニウム、ヨウ化ハフニウム、オキシヨウ化ハフニウム等のハフニウム化合物;
バナジウムオキシトリメトキシド、バナジウムオキシトリエトキシド、バナジウムオキシトリイソプロポキシド、バナジウムオキシトリブトキシド、バナジウム(III)アセチルアセトナート、バナジウム(IV)アセチルアセトナート、五塩化バナジウム、オキシ塩化バナジウム、五臭化バナジウム、オキシ臭化バナジウム、五ヨウ化バナジウム、オキシヨウ化バナジウム等のバナジウム化合物が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
Specific examples of the transition metal-containing compound include
Titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetrapropoxide, titanium tetraisopropoxide, titanium tetrabutoxide, titanium tetraisobutoxide, titanium tetrapentoxide, titanium tetraacetylacetonate, titaniumoxydiacetylacetonate, tris (acetyl Acetonato) titanium chloride ([Ti (acac) 3 ] 2 [TiCl 6 ]), titanium tetrachloride, titanium trichloride, titanium oxychloride, titanium tetrabromide, titanium tribromide, titanium oxybromide, Titanium compounds such as titanium tetraiodide, titanium triiodide, and titanium oxyiodide;
Niobium pentamethoxide, niobium pentaethoxide, niobium pentaisopropoxide, niobium pentaboxide, niobium pentapentoxide, niobium pentachloride, niobium oxychloride, niobium pentabromide, niobium oxybromide, niobium pentaiodide, niobium pentaiodide, oxyiodination Niobium compounds such as niobium;
Zirconium tetramethoxide, zirconium tetraethoxide, zirconium tetrapropoxide, zirconium tetraisopropoxide, zirconium tetrabutoxide, zirconium tetraisobutoxide, zirconium tetrapentoxide, zirconium tetraacetylacetonate, zirconium tetrachloride, zirconium oxychloride, four Zirconium compounds such as zirconium bromide, zirconium oxybromide, zirconium tetraiodide, zirconium oxyiodide;
Tantalum pentamethoxide, tantalum pentaethoxide, tantalum pentaisopropoxide, tantalum pentabutoxide, tantalum pentapentoxide, tantalum tetraethoxyacetylacetonate, tantalum pentachloride, tantalum oxychloride, tantalum pentabromide, tantalum oxybromide, Tantalum compounds such as tantalum pentaiodide and tantalum oxyiodide;
Hafnium tetramethoxide, hafnium tetraethoxide, hafnium tetrapropoxide, hafnium tetraisopropoxide, hafnium tetrabutoxide, hafnium tetraisobutoxide, hafnium tetrapentoxide, hafnium tetraacetylacetonate, hafnium tetrachloride, hafnium oxychloride, odor Hafnium compounds such as hafnium iodide, hafnium oxybromide, hafnium iodide, hafnium oxyiodide;
Vanadium oxytrimethoxide, vanadium oxytriethoxide, vanadium oxytriisopropoxide, vanadium oxytributoxide, vanadium (III) acetylacetonate, vanadium (IV) acetylacetonate, vanadium pentachloride, vanadium oxychloride, five odors And vanadium compounds such as vanadium iodide, vanadium oxybromide, vanadium pentaiodide, and vanadium oxyiodide. These may be used alone or in combination of two or more.

これらの化合物の中でも、得られる触媒が均一な粒径の微粒子となり、その活性が高いことから、
チタンテトラエトキシド、四塩化チタン、オキシ塩化チタン、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラアセチルアセトナート、
ニオブペンタエトキシド、五塩化ニオブ、オキシ塩化ニオブ、ニオブペンタイソプロポシド、
ジルコニウムテトラエトキシド、四塩化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、ジルコニウムテトライソプロポキシド、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、
タンタルペンタメトキシド、タンタルペンタエトキシド、五塩化タンタル、オキシ塩化タンタル、タンタルペンタイソプロポキシド、およびタンタルテトラエトキシアセチルアセトナートが好ましく、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラアセチルアセトナート、ニオブエトキシド、ニオブイソプロポキシド、オキシ塩化ジルコニウム、ジルコニウムテトライソプロポキシド、およびタンタルペンタイソプロポキシドがさらに好ましい。
Among these compounds, the resulting catalyst becomes fine particles with a uniform particle size, and its activity is high,
Titanium tetraethoxide, titanium tetrachloride, titanium oxychloride, titanium tetraisopropoxide, titanium tetraacetylacetonate,
Niobium pentaethoxide, niobium pentachloride, niobium oxychloride, niobium pentaisoproposide,
Zirconium tetraethoxide, zirconium tetrachloride, zirconium oxychloride, zirconium tetraisopropoxide, zirconium tetraacetylacetonate,
Tantalum pentamethoxide, tantalum pentaethoxide, tantalum pentachloride, tantalum oxychloride, tantalum pentaisopropoxide, and tantalum tetraethoxyacetylacetonate are preferred, titanium tetraisopropoxide, titanium tetraacetylacetonate, niobium ethoxide, More preferred are niobium isopropoxide, zirconium oxychloride, zirconium tetraisopropoxide, and tantalum pentaisopropoxide.

また、遷移金属含有化合物として、遷移金属元素M1を含む遷移金属含有化合物(以下「第1の遷移金属含有化合物」ともいう。)と共に、前記遷移金属元素M2を含む遷移金属含有化合物(以下「第2の遷移金属含有化合物」ともいう。)が併用されてもよい。第2の遷移金属含有化合物を用いると、得られる触媒の性能が向上する。   Further, as the transition metal-containing compound, together with the transition metal-containing compound containing the transition metal element M1 (hereinafter also referred to as “first transition metal-containing compound”), the transition metal-containing compound containing the transition metal element M2 (hereinafter referred to as the “first transition metal-containing compound”). Also referred to as “2 transition metal-containing compounds”). Use of the second transition metal-containing compound improves the performance of the resulting catalyst.

第2の遷移金属含有化合物の具体例としては、
塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、硫酸鉄(III)、硫化鉄(II)、硫化鉄(III)、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、フェロシアン化アンモニウム、フェリシアン化アンモニウム、フェロシアン化鉄、硝酸鉄(II)、硝酸鉄(III)、シュウ酸鉄(II)、シュウ酸鉄(III)、リン酸鉄(II)、リン酸鉄(III)フェロセン、水酸化鉄(II)、水酸化鉄(III)、酸化鉄(II)、酸化鉄(III)、四酸化三鉄、酢酸鉄(II)、乳酸鉄(II)、クエン酸鉄(III)等の鉄化合物;
塩化ニッケル(II)、硫酸ニッケル(II)、硫化ニッケル(II)、硝酸ニッケル(II)、シュウ酸ニッケル(II)、リン酸ニッケル(II)、ニッケルセン、水酸化ニッケル(II)、酸化ニッケル(II)、酢酸ニッケル(II)、乳酸ニッケル(II)等のニッケル化合物;
塩化クロム(II)、塩化クロム(III)、硫酸クロム(III)、硫化クロム(III)、硝酸クロム(III)、シュウ酸クロム(III)、リン酸クロム(III)、水酸化クロム(III)、酸化クロム(II)、酸化クロム(III)、酸化クロム(IV)、酸化クロム(VI)、酢酸クロム(II)、酢酸クロム(III)、乳酸クロム(III)等のクロム化合物;
塩化コバルト(II)、塩化コバルト(III)、硫酸コバルト(II)、硫化コバルト(II)、硝酸コバルト(II)、硝酸コバルト(III)、シュウ酸コバルト(II)、リン酸コバルト(II)、コバルトセン、水酸化コバルト(II)、酸化コバルト(II)、酸化コバルト(III)、四酸化三コバルト、酢酸コバルト(II)、乳酸コバルト(II)等のコバルト化合物;
塩化バナジウム(II)、塩化バナジウム(III)、塩化バナジウム(IV)、オキシ硫酸バナジウム(IV)、硫化バナジウム(III)、オキシシュウ酸バナジウム(IV)、バナジウムメタロセン、酸化バナジウム(V)、酢酸バナジウム、クエン酸バナジウム等のバナジウム化合物;
塩化マンガン(II)、硫酸マンガン(II)、硫化マンガン(II)、硝酸マンガン(II)、シュウ酸マンガン(II)、水酸化マンガン(II)、酸化マンガン(II)、酸化マンガン(III)、酢酸マンガン(II)、乳酸マンガン(II)、クエン酸マンガン等のマンガン化合物が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
As a specific example of the second transition metal-containing compound,
Iron (II) chloride, iron (III) chloride, iron (III) sulfate, iron (II) sulfide, iron (III) sulfide, potassium ferrocyanide, potassium ferricyanide, ammonium ferrocyanide, ammonium ferricyanide, iron ferrocyanide , Iron (II) nitrate, iron (III) nitrate, iron (II) oxalate, iron (III) oxalate, iron (II) phosphate, iron (III) phosphate ferrocene, iron (II) hydroxide, water Iron compounds such as iron (III) oxide, iron (II) oxide, iron (III) oxide, triiron tetroxide, iron (II) acetate, iron (II) lactate, iron (III) citrate;
Nickel chloride (II), nickel sulfate (II), nickel sulfide (II), nickel nitrate (II), nickel oxalate (II), nickel phosphate (II), nickel cene, nickel hydroxide (II), nickel oxide Nickel compounds such as (II), nickel acetate (II), nickel lactate (II);
Chromium (II) chloride, chromium (III) chloride, chromium (III) sulfate, chromium (III) sulfide, chromium (III) nitrate, chromium (III) oxalate, chromium (III) phosphate, chromium (III) hydroxide Chromium compounds such as, chromium (II) oxide, chromium (III) oxide, chromium (IV) oxide, chromium (VI) oxide, chromium (II) acetate, chromium (III) acetate, chromium (III) lactate;
Cobalt (II) chloride, cobalt (III) chloride, cobalt (II) sulfate, cobalt (II) sulfide, cobalt (II) nitrate, cobalt (III) nitrate, cobalt (II) oxalate, cobalt (II) phosphate, Cobalt compounds such as cobaltocene, cobalt (II) hydroxide, cobalt (II) oxide, cobalt (III) oxide, tricobalt tetroxide, cobalt (II) acetate, and cobalt (II) lactate;
Vanadium chloride (II), vanadium chloride (III), vanadium chloride (IV), vanadium oxysulfate (IV), vanadium sulfide (III), vanadium oxyoxalate (IV), vanadium metallocene, vanadium oxide (V), vanadium acetate Vanadium compounds such as vanadium citrate;
Manganese chloride (II), manganese sulfate (II), manganese sulfide (II), manganese nitrate (II), manganese oxalate (II), manganese hydroxide (II), manganese oxide (II), manganese oxide (III), Examples thereof include manganese compounds such as manganese acetate (II), manganese lactate (II), and manganese citrate. These may be used alone or in combination of two or more.

これらの化合物の中でも、
塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、フェロシアン化アンモニウム、フェリシアン化アンモニウム、酢酸鉄(II)、乳酸鉄(II)、
塩化ニッケル(II)、酢酸ニッケル(II)、乳酸ニッケル(II)、
塩化クロム(II)、塩化クロム(III)、酢酸クロム(II)、酢酸クロム(III)、乳酸クロム(III)、
塩化コバルト(II)、塩化コバルト(III)、酢酸コバルト(II)、乳酸コバルト(II)、
塩化バナジウム(II)、塩化バナジウム(III)、塩化バナジウム(IV)、オキシ硫酸バナジウム(IV)、酢酸バナジウム、クエン酸バナジウム、
塩化マンガン(II)、酢酸マンガン(II)、乳酸マンガン(II)が好ましく、
塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、フェロシアン化アンモニウム、フェリシアン化アンモニウム、酢酸鉄(II)、乳酸鉄(II)、塩化クロム(II)、塩化クロム(III)、酢酸クロム(II)、酢酸クロム(III)、乳酸クロム(III)がさらに好ましい。
Among these compounds,
Iron (II) chloride, iron (III) chloride, potassium ferrocyanide, potassium ferricyanide, ammonium ferrocyanide, ammonium ferricyanide, iron (II) acetate, iron (II) lactate,
Nickel (II) chloride, nickel (II) acetate, nickel (II) lactate,
Chromium (II) chloride, chromium (III) chloride, chromium (II) acetate, chromium (III) acetate, chromium (III) lactate,
Cobalt (II) chloride, cobalt (III) chloride, cobalt (II) acetate, cobalt (II) lactate,
Vanadium chloride (II), vanadium chloride (III), vanadium chloride (IV), vanadium oxysulfate (IV), vanadium acetate, vanadium citrate,
Manganese chloride (II), manganese acetate (II) and manganese lactate (II) are preferred,
Iron (II) chloride, iron (III) chloride, potassium ferrocyanide, potassium ferricyanide, ammonium ferrocyanide, ammonium ferricyanide, iron (II) acetate, iron (II) lactate, chromium (II) chloride, chromium chloride (III ), Chromium (II) acetate, chromium (III) acetate, and chromium (III) lactate.

<窒素含有有機化合物>
前記窒素含有有機化合物としては、特に限定は無いが、前記遷移金属含有化合物中の金属原子に配位可能な配位子となり得る化合物(好ましくは、単核の錯体を形成し得る化合物)が好ましく、多座配位子(好ましくは、2座配位子または3座配位子)となり得る(キレートを形成し得る)化合物がさらに好ましい。
<Nitrogen-containing organic compound>
The nitrogen-containing organic compound is not particularly limited, but a compound that can be a ligand capable of coordinating to a metal atom in the transition metal-containing compound (preferably a compound that can form a mononuclear complex) is preferable. More preferred are compounds that can be multidentate ligands (preferably bidentate or tridentate ligands) (can form chelates).

窒素含有有機化合物は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
窒素含有有機化合物は、カルボニル基を含むことが好ましい。前記カルボニル基は、官能基の一部として窒素含有有機化合物に含まれていてもよい。カルボニル基としては、カルボキシル基またはアルデヒド基の一部として窒素含有有機化合物に含まれていることが好ましく、カルボキシル基として窒素含有有機化合物に含まれていることが好ましい。なおカルボニル基は、窒素含有有機化合物の分子中に少なくとも一つ含まれていればよく、複数含まれていてもよい。
A nitrogen-containing organic compound may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
The nitrogen-containing organic compound preferably contains a carbonyl group. The carbonyl group may be contained in the nitrogen-containing organic compound as part of the functional group. The carbonyl group is preferably contained in the nitrogen-containing organic compound as part of the carboxyl group or aldehyde group, and is preferably contained in the nitrogen-containing organic compound as a carboxyl group. Note that at least one carbonyl group may be included in the molecule of the nitrogen-containing organic compound, and a plurality of carbonyl groups may be included.

窒素含有有機化合物がカルボニル基を含むと、工程Aにおける混合により、前記遷移金属含有化合物が含有する遷移金属に強く配位することができると考えられる。窒素含有有機化合物は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   If the nitrogen-containing organic compound contains a carbonyl group, it is considered that the transition metal contained in the transition metal-containing compound can be strongly coordinated by mixing in the step A. A nitrogen-containing organic compound may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

また、窒素含有有機化合物としては、カルボニル基のα炭素に窒素原子が結合していることが得られる電極触媒の活性の観点から好ましい。
窒素含有有機化合物としては例えば、アミノ酸およびアミノ酸誘導体、が挙げられる。
Moreover, as a nitrogen-containing organic compound, it is preferable from a viewpoint of the activity of the electrode catalyst obtained that the nitrogen atom has couple | bonded with (alpha) carbon of a carbonyl group.
Examples of nitrogen-containing organic compounds include amino acids and amino acid derivatives.

前記アミノ酸としては、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、ノルバリン、およびアミノ酪酸などが好ましい。   Examples of the amino acids include alanine, arginine, asparagine, aspartic acid, cysteine, glutamine, glutamic acid, glycine, histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, serine, threonine, tryptophan, tyrosine, valine, norvaline, and aminobutyric acid. Is preferred.

前記アミノ酸誘導体としては、グリシルグリシン、トリグリシン、テトラグリシンなどのオリゴペプチド、ピログルタミン酸およびαアミノ脂肪酸誘導体が好ましい。
得られる触媒の活性が高いことから、アラニン、グリシン、リシン、メチオニン、チロシンがより好ましく、得られる触媒が極めて高い活性を示すことから、アラニン、グリシンおよびリシンが特に好ましい。
As the amino acid derivative, oligopeptides such as glycylglycine, triglycine and tetraglycine, pyroglutamic acid and α-amino fatty acid derivatives are preferable.
Alanine, glycine, lysine, methionine, and tyrosine are more preferred because of the high activity of the resulting catalyst, and alanine, glycine, and lysine are particularly preferred because the resulting catalyst exhibits extremely high activity.

上記アミノ酸およびアミノ酸誘導体に加えて、ピロール−2−カルボン酸、イミダゾール−2−カルボン酸、ピラジンカルボン酸、ピペリジン−2−カルボン酸、ピペラジン−2−カルボン酸、ピリミジン−2−カルボン酸、ピリミジン−4−カルボン酸、2−ピリジンカルボン酸、2,4−ピリジンジカルボン酸、2−キノリンカルボン酸、およびオキサミン酸が好ましい。   In addition to the above amino acids and amino acid derivatives, pyrrole-2-carboxylic acid, imidazole-2-carboxylic acid, pyrazinecarboxylic acid, piperidine-2-carboxylic acid, piperazine-2-carboxylic acid, pyrimidine-2-carboxylic acid, pyrimidine- 4-carboxylic acid, 2-pyridinecarboxylic acid, 2,4-pyridinedicarboxylic acid, 2-quinolinecarboxylic acid, and oxamic acid are preferred.

工程Aで用いられる遷移金属含有化合物の遷移金属元素の総原子数Aに対する、工程Aで用いられる窒素含有有機化合物の炭素の総原子数Bの比(B/A)は、工程Cでの熱処理時に二酸化炭素、一酸化炭素等の炭素化合物として脱離する成分を少なくすることが可能であり、すなわち触媒製造時に排気ガスを少量とすることができることから、好ましくは200以下、より好ましくは150以下、さらに好ましくは80以下、特に好ましくは30以下であり、良好な活性の触媒を得るという観点から、好ましくは1以上、より好ましくは2以上、さらに好ましくは3以上、特に好ましくは5以上である。   The ratio (B / A) of the total number of carbon atoms B of the nitrogen-containing organic compound used in step A to the total number A of transition metal elements in the transition metal-containing compound used in step A is the heat treatment in step C. It is possible to reduce the amount of components that are sometimes desorbed as carbon compounds such as carbon dioxide and carbon monoxide, that is, since it is possible to reduce the amount of exhaust gas during catalyst production, it is preferably 200 or less, more preferably 150 or less. More preferably, it is 80 or less, particularly preferably 30 or less, and preferably 1 or more, more preferably 2 or more, still more preferably 3 or more, particularly preferably 5 or more, from the viewpoint of obtaining a catalyst with good activity. .

工程Aで用いられる遷移金属含有化合物の遷移金属元素の総原子数Aに対する、工程Aで用いられる窒素含有有機化合物の窒素の総原子数Cの比(C/A)は、良好な活性の触媒を得るという観点から、好ましくは28以下、より好ましくは17以下、さらに好ましくは12以下、特に好ましくは8.5以下であり、良好な活性の触媒を得るという観点から、好ましくは1以上、より好ましくは2.5以上、さらに好ましくは3以上、特に好ましくは3.5以上である。   The ratio (C / A) of the total number of nitrogen atoms C of the nitrogen-containing organic compound used in step A to the total number A of transition metal elements of the transition metal-containing compound used in step A is a catalyst with good activity. Is preferably 28 or less, more preferably 17 or less, still more preferably 12 or less, and particularly preferably 8.5 or less. From the viewpoint of obtaining a catalyst with good activity, preferably 1 or more, more Preferably it is 2.5 or more, More preferably, it is 3 or more, Most preferably, it is 3.5 or more.

遷移金属含有化合物として、第1の遷移金属含有化合物と第2の遷移金属有機化合物とを用いる場合には、工程Aで用いられる第1の遷移金属含有化合物と第2の遷移金属含有化合物との割合を、遷移金属元素M1の原子と遷移金属元素M2の原子とのモル比(M1:M2)に換算して、M1:M2=(1−a):aと表わすと、aの範囲は、通常は0<a≦0.5、好ましくは0.01≦a≦0.5、さらに好ましくは0.02≦a≦0.4、特に好ましくは0.05≦a≦0.3である。   When the first transition metal-containing compound and the second transition metal organic compound are used as the transition metal-containing compound, the first transition metal-containing compound and the second transition metal-containing compound used in step A When the ratio is expressed as M1: M2 = (1-a): a in terms of a molar ratio (M1: M2) between the atoms of the transition metal element M1 and the atoms of the transition metal element M2, the range of a is Usually, 0 <a ≦ 0.5, preferably 0.01 ≦ a ≦ 0.5, more preferably 0.02 ≦ a ≦ 0.4, and particularly preferably 0.05 ≦ a ≦ 0.3.

<溶媒>
前記溶媒としては、たとえば水、アルコール類および酸類が挙げられる。アルコール類としては、エタノール、メタノール、ブタノール、プロパノールおよびエトキシエタノールが好ましく、エタノールおよびメタノールさらに好ましい。酸類としては、酢酸、硝酸(水溶液)、塩酸、リン酸水溶液およびクエン酸水溶液が好ましく、酢酸および硝酸がさらに好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
<Solvent>
Examples of the solvent include water, alcohols and acids. As alcohols, ethanol, methanol, butanol, propanol and ethoxyethanol are preferable, and ethanol and methanol are more preferable. As the acids, acetic acid, nitric acid (aqueous solution), hydrochloric acid, phosphoric acid aqueous solution and citric acid aqueous solution are preferable, and acetic acid and nitric acid are more preferable. These may be used alone or in combination of two or more.

工程Aにおいて、ジケトン構造を有する化合物をさらに混合することが好ましい。ジケトン構造を有する化合物を用いると、遷移金属含有化合物が、金属錯体化され、窒素含有化合物との均一な混合物を作りやすいため好ましい。   In step A, it is preferable to further mix a compound having a diketone structure. It is preferable to use a compound having a diketone structure because the transition metal-containing compound is converted into a metal complex and easily forms a uniform mixture with the nitrogen-containing compound.

ジケトン構造を有する化合物としては、ジアセチル、アセチルアセトン、2,5−ヘキサンジオンおよびジメドンが好ましく、アセチルアセトンおよび2,5−ヘキサンジオンがより好ましい。ジケトン構造を有する化合物としては、1種で用いても、2種以上を用いてもよい。
遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物、および溶媒の1つ以上の分子中に酸素を含むことが、得られる触媒の活性の観点から好ましい。
As the compound having a diketone structure, diacetyl, acetylacetone, 2,5-hexanedione and dimedone are preferable, and acetylacetone and 2,5-hexanedione are more preferable. As a compound having a diketone structure, one kind may be used, or two or more kinds may be used.
It is preferable from the viewpoint of the activity of the resulting catalyst that oxygen is contained in one or more molecules of the transition metal-containing compound, the nitrogen-containing organic compound, and the solvent.

(工程B)
工程Aにおいて、溶媒を用いて混合を行った場合には通常工程Bが行われる。工程Bでは、工程Aで得られた前記触媒担体前駆体組成物から溶媒を除去する。
溶媒の除去は大気下で行ってもよく、不活性ガス(例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム)雰囲気下で行ってもよい。不活性ガスとしては、コストの観点から、窒素およびアルゴンが好ましく、窒素がより好ましい。
(Process B)
In Step A, when mixing is performed using a solvent, Step B is usually performed. In step B, the solvent is removed from the catalyst carrier precursor composition obtained in step A.
The removal of the solvent may be performed in the air or in an inert gas (for example, nitrogen, argon, helium) atmosphere. As the inert gas, nitrogen and argon are preferable from the viewpoint of cost, and nitrogen is more preferable.

溶媒除去の際の温度は、溶媒の蒸気圧が大きい場合には常温であってもよいが、触媒の量産性の観点からは、好ましくは30℃以上、より好ましくは40℃以上、さらに好ましくは50℃以上であり、工程Aで得られる溶液中に含まれる、キレート等の金属錯体であると推定される触媒担体前駆体を分解させないという観点からは、好ましくは250℃以下、より好ましくは150℃以下、さらに好ましくは110℃以下である。   The temperature at the time of solvent removal may be room temperature when the vapor pressure of the solvent is high, but from the viewpoint of mass production of the catalyst, it is preferably 30 ° C or higher, more preferably 40 ° C or higher, and still more preferably. From the viewpoint of not decomposing the catalyst support precursor, which is estimated to be a metal complex such as a chelate, contained in the solution obtained in step A at 50 ° C. or higher, preferably 250 ° C. or lower, more preferably 150 ° C. ° C or lower, more preferably 110 ° C or lower.

溶媒の除去は、溶媒の蒸気圧が大きい場合には大気圧下で行ってもよいが、より短時間で溶媒を除去するため、減圧(たとえば、0.1Pa〜0.1MPa)下で行ってもよい。減圧下での溶媒の除去には、たとえばエバポレーターを用いることができる。   The removal of the solvent may be performed under atmospheric pressure when the vapor pressure of the solvent is high, but in order to remove the solvent in a shorter time, it is performed under reduced pressure (for example, 0.1 Pa to 0.1 MPa). Also good. For example, an evaporator can be used to remove the solvent under reduced pressure.

工程Aの次に、工程Bを行うことなく、工程Cを行ってもよいが、工程Aにおいて混合を溶媒中で行った場合には、工程Bにより溶媒の除去を行った後に、工程Cを行うことが好ましい。工程Bを行うと、工程Cにおけるエネルギー効率がよくなるため好ましい。   Next to step A, step C may be performed without performing step B. However, when mixing is performed in a solvent in step A, after removing the solvent in step B, step C is performed. Preferably it is done. It is preferable to perform step B because energy efficiency in step C is improved.

(工程C)
工程Cでは、前記触媒担体前駆体組成物を熱処理して、触媒担体を得る。
この熱処理の際の温度は、500〜1100℃であり、好ましくは600〜1050℃であり、より好ましくは700〜950℃である。
(Process C)
In Step C, the catalyst support precursor composition is heat-treated to obtain a catalyst support.
The temperature at the time of this heat treatment is 500 to 1100 ° C, preferably 600 to 1050 ° C, more preferably 700 to 950 ° C.

熱処理の温度が上記範囲よりも高すぎると、得られた触媒担体の粒子相互間においての焼結、粒成長がおこり、結果として触媒担体の比表面積が小さくなってしまうため、この粒子を塗布法により電極触媒層に加工する際の加工性が劣ってしまう。一方、熱処理の温度が上記範囲よりも低過ぎると、高い活性を有する触媒を得ることができない。   If the temperature of the heat treatment is too higher than the above range, sintering and grain growth occur between the particles of the obtained catalyst carrier, resulting in a decrease in the specific surface area of the catalyst carrier. As a result, the processability when processing into an electrode catalyst layer is poor. On the other hand, if the temperature of the heat treatment is too lower than the above range, a catalyst having high activity cannot be obtained.

熱処理の方法としては、たとえば、静置法、攪拌法、落下法、粉末捕捉法などが挙げられる。
熱処理における炉の形状としては、管状炉、上蓋型炉、トンネル炉、箱型炉、試料台昇降式炉(エレベーター型)、台車炉などが挙げられ、この中でも雰囲気を特に厳密にコントロールすることが可能な、管状炉、上蓋型炉、箱型炉および試料台昇降式炉が好ましく、管状炉および箱型炉が好ましい。
Examples of the heat treatment method include a stationary method, a stirring method, a dropping method, and a powder trapping method.
Examples of the shape of the furnace in the heat treatment include a tubular furnace, an upper lid furnace, a tunnel furnace, a box furnace, a sample table raising / lowering furnace (elevator type), a cart furnace, and the like. Possible are tubular furnaces, top lid furnaces, box furnaces and sample table raising and lowering furnaces, and tubular furnaces and box furnaces are preferred.

熱処理を行う際の雰囲気としては、得られる触媒の活性を高める観点から、その主成分が不活性ガス雰囲気であることが好ましい。不活性ガスの中でも、比較的安価であり、入手しやすい点で窒素、アルゴン、ヘリウムが好ましく、窒素およびアルゴンがさらに好ましい。これらの不活性ガスは、1種単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。なお、これらのガスは一般的な通念上不活性といわれるガスであるが、工程Cの前記熱処理の際にこれらの不活性ガスすなわち、窒素、アルゴン、ヘリウム等が、前記触媒担体前駆体組成物と反応している可能性はある。   The atmosphere for the heat treatment is preferably an inert gas atmosphere as a main component from the viewpoint of enhancing the activity of the resulting catalyst. Among the inert gases, nitrogen, argon, and helium are preferable and nitrogen and argon are more preferable because they are relatively inexpensive and easily available. These inert gas may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types. These gases are generally called inert gases, but these inert gases, that is, nitrogen, argon, helium, etc., are used in the catalyst carrier precursor composition during the heat treatment in Step C. It may be reacting with.

また、前記熱処理を、窒素ガス、アルゴンガスもしくは窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス、または窒素ガスおよびアルゴンガスから選ばれる一種以上のガスと水素ガス、アンモニアガスおよび酸素ガスから選ばれる一種以上のガスとの混合ガスの雰囲気で行うと、高い触媒性能を有する触媒が得られる傾向がある。   Further, the heat treatment is performed using nitrogen gas, argon gas or a mixed gas of nitrogen gas and argon gas, or one or more gases selected from nitrogen gas and argon gas and one or more gases selected from hydrogen gas, ammonia gas and oxygen gas. When carried out in a mixed gas atmosphere with a gas, a catalyst having high catalytic performance tends to be obtained.

熱処理の雰囲気中に水素ガスが含まれる場合には、水素ガスの濃度は、たとえば100体積%以下、好ましくは0.01〜10体積%、より好ましくは1〜5体積%である。
熱処理の雰囲気中に酸素ガスが含まれる場合には、酸素ガスの濃度は、たとえば0.01〜10体積%、好ましくは0.01〜5体積%である。
When hydrogen gas is contained in the atmosphere of the heat treatment, the concentration of hydrogen gas is, for example, 100% by volume or less, preferably 0.01 to 10% by volume, more preferably 1 to 5% by volume.
When oxygen gas is contained in the atmosphere of the heat treatment, the concentration of oxygen gas is, for example, 0.01 to 10% by volume, preferably 0.01 to 5% by volume.

前記熱処理で得られた熱処理物は、そのまま触媒担体として使用してもよく、さらに解砕してから触媒担体として用いてもよい。なお、本明細書において、解砕、破砕等、熱処理物を細かくする操作を、特に区別せず「解砕」と表記する。この解砕には、たとえば、ロール転動ミル、ボールミル、小径ボールミル(ビーズミル)、媒体撹拌ミル、気流粉砕機、乳鉢、自動混練乳鉢、槽解機またはジェトミルなどを用いることができる。電極触媒が少量の場合には、乳鉢、自動混練乳鉢、バッチ式のボールミルが好ましく、熱処理物を連続的に多量に処理する場合には、ジェットミル、連続式のボールミルが好ましく、連続式のボールミルの中でもビーズミルがさらに好ましい。   The heat-treated product obtained by the heat treatment may be used as it is as a catalyst carrier, or may be further pulverized before being used as a catalyst carrier. In the present specification, operations for making the heat-treated product fine, such as crushing and crushing, are referred to as “crushing” without any particular distinction. For this crushing, for example, a roll rolling mill, a ball mill, a small-diameter ball mill (bead mill), a medium stirring mill, an airflow crusher, a mortar, an automatic kneading mortar, a tank crusher, a jet mill, or the like can be used. When the amount of the electrode catalyst is small, a mortar, an automatic kneading mortar, or a batch type ball mill is preferable. When a heat-treated product is continuously processed in a large amount, a jet mill or a continuous type ball mill is preferable, and a continuous type ball mill is used. Among these, a bead mill is more preferable.

前記熱処理物の解砕を湿式で行う場合には分散媒を通常は用いる。分散媒としては、メタノール、エタノール、1-プロパノ―ル、2-プロパノ―ル、1-ブタノ−ル、2‐ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert-ブチルアルコール、ペンタノ−ル、2−ヘプタノ−ル、ベンジルアルコール等のアルコール類;
アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類;
テトラヒドロフラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類;
イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミンなどのアミン類;
蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチルなどのエステル類;
アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等の極性溶媒が好ましい。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
When the heat-treated product is crushed by a wet method, a dispersion medium is usually used. Examples of the dispersion medium include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentaanol, and 2-heptanol. Alcohols such as benzyl alcohol;
Ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, acetonyl acetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, diisobutyl ketone;
Ethers such as tetrahydrofuran, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether;
Amines such as isopropylamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine;
Esters such as propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate;
Polar solvents such as acetonitrile, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol and propylene glycol are preferred. These may be used alone or in combination of two or more.

前記分散媒は、好ましくは水を実質的に含まない。具体的には、分散媒中の水の含量は、好ましくは0〜0.1質量%である。   The dispersion medium is preferably substantially free of water. Specifically, the content of water in the dispersion medium is preferably 0 to 0.1% by mass.

(アノードおよびカソード)
前記アノードおよびカソードは、触媒および高分子電解質バインダを含む電極触媒層を有し、カソードに含まれる高分子電解質バインダおよびカソード側電解質膜の少なくとも一方がフッ素系電解質を含み、アノードに含まれる高分子電解質バインダおよびアノード側電解質膜の少なくとも一方が炭化水素系電解質を含む。
(Anode and cathode)
The anode and the cathode have an electrode catalyst layer including a catalyst and a polymer electrolyte binder, and at least one of the polymer electrolyte binder and the cathode side electrolyte membrane included in the cathode includes a fluorine-based electrolyte, and the polymer included in the anode At least one of the electrolyte binder and the anode side electrolyte membrane contains a hydrocarbon electrolyte.

本発明の実施形態を例示すれば、以下のとおりである。その1つは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むカソードおよびアノードとを有し、前記カソードおよびアノードが、少なくとも触媒担体、該触媒担体に担持された触媒金属および高分子電解質バインダを含み、前記カソードの高分子電解質バインダがフッ素系電解質であり、前記アノード電極の高分子電解質バインダが炭化水素系電解質である膜電極接合体であり、他の1つは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むカソード電極およびアノード電極とを有し、前記カソードおよびアノードが、少なくとも触媒担体、該触媒担体に担持された触媒金属および高分子電解質バインダを含み、前記電解質膜のカソード側がフッ素系電解質膜であり、前記電解質膜のアノード側が炭化水素系電解質膜である膜電極接合体である。   Examples of embodiments of the present invention are as follows. One of them has a polymer electrolyte membrane, a cathode and an anode sandwiching the polymer electrolyte membrane, and the cathode and the anode are at least a catalyst carrier, a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a polymer electrolyte binder. A membrane electrode assembly in which the polymer electrolyte binder of the cathode is a fluorine-based electrolyte, and the polymer electrolyte binder of the anode electrode is a hydrocarbon-based electrolyte, and the other is a polymer electrolyte membrane A cathode electrode and an anode electrode sandwiching the polymer electrolyte membrane, the cathode and anode including at least a catalyst carrier, a catalyst metal supported on the catalyst carrier and a polymer electrolyte binder, and the cathode of the electrolyte membrane A membrane electrode assembly in which the side is a fluorine-based electrolyte membrane and the anode side of the electrolyte membrane is a hydrocarbon-based electrolyte membrane

本発明に用いられる高分子電解質膜としては、炭化水素系電解質膜であれば特に制限はない。そのような電解質膜としては例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマー、スルホン化ポリスルフィッド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化エンジニアプラスチック系電解質膜、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィッド、スルホアルキル化ポリフェニレン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン等のスルホアルキル化エンジニアプラスチック系電解質膜、スルホアルキルエーテル化ポリフェニレン等の炭化水素系電解質膜等が挙げられる。   The polymer electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited as long as it is a hydrocarbon electrolyte membrane. Examples of such electrolyte membranes include sulfonated engineering plastics electrolyte membranes such as sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated acrylonitrile / butadiene / styrene polymer, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, and sulfoalkyl. Sulfoalkylated engineering plastics such as alkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, sulfoalkylated polyphenylene, sulfoalkylated polyetherethersulfone And electrolyte electrolyte membranes and hydrocarbon electrolyte membranes such as sulfoalkyl etherified polyphenylene.

このうち、燃料クロスオーバー、イオン伝導度、膨潤性等の観点からスルホアルキル化炭化水素系電解質膜、スルホアルキルエーテル化炭化水素系電解質膜が好ましい。タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物、ケイタングステン酸、ケイモリブデン酸、タングストリン酸、モリブデン酸などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによってより高温域まで運転が可能なできる燃料電池とすることもできる。   Of these, sulfoalkylated hydrocarbon electrolyte membranes and sulfoalkyletherified hydrocarbon electrolyte membranes are preferable from the viewpoint of fuel crossover, ionic conductivity, swelling properties, and the like. Hydrogen ion conductive inorganic substances such as tungsten oxide hydrate, zirconium oxide hydrate, tin oxide hydrate, silicotungstic acid, silicomolybdic acid, tungstophosphoric acid and molybdic acid are micro-dispersed in heat-resistant resin. By using a composite electrolyte membrane or the like, a fuel cell that can be operated to a higher temperature range can be obtained.

上記した水和型の酸性電解質膜は一般に乾燥時と湿潤時とでは膨潤によって膜の変形が発生し、十分にイオン導電性の高い膜では機械強度が十分でない場合が生じる。このような場合には、機械強度、耐久性、耐熱性に優れた不織布或いは織布状の繊維を芯材として用いたり、電解質膜製造時にこれらの繊維をフィラーとして添加、補強したり、細孔が貫通した高分子膜を芯材として用いたりすることは電池性能の信頼性を高める上で有効な方法である。   In general, the above-mentioned hydrated acidic electrolyte membrane undergoes deformation due to swelling when it is dry and wet, and a membrane with sufficiently high ionic conductivity may have insufficient mechanical strength. In such a case, a nonwoven fabric or a woven fabric excellent in mechanical strength, durability, and heat resistance is used as a core material, and these fibers are added and reinforced as a filler when manufacturing an electrolyte membrane. It is an effective method for improving the reliability of the battery performance to use a polymer film penetrated by as a core material.

また、電解質膜の燃料透過性を低減するためにポリベンズイミダゾール類に硫酸、リン酸、スルホン酸類やホスホン酸類をドープした膜を使用することもできる。また、本発明に用いられる高分子電解質膜を製造する際に、通常の高分子に使用される可塑剤、酸化防止剤、過酸化水素分解剤、金属捕捉材、界面活性剤、安定剤、離型剤等の添加剤を本発明の目的に反しない範囲内で使用できる。   In addition, in order to reduce the fuel permeability of the electrolyte membrane, a membrane obtained by doping polybenzimidazoles with sulfuric acid, phosphoric acid, sulfonic acids, or phosphonic acids can also be used. Further, when producing the polymer electrolyte membrane used in the present invention, plasticizers, antioxidants, hydrogen peroxide decomposing agents, metal scavengers, surfactants, stabilizers, release agents used in ordinary polymers are used. Additives such as molds can be used as long as they do not contradict the purpose of the present invention.

かかる高分子電解質膜のスルホン酸当量としては0.5〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂、更には0.8〜1.5ミリ当量/g乾燥樹脂の範囲が好ましい。スルホン酸当量がこの範囲より低い場合には膜のイオン伝導抵抗が大きくなり、一方、高い場合にはメタノール水溶液等の燃料水溶液に溶解しやすくなり好ましくない。該高分子電解質膜の厚みは特に制限はないが10〜300μmが好ましい。特に15〜200μmが好ましい。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能向上のためには200μmより薄い方が好ましい。溶液キャスト法の場合、膜厚は溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。溶融状態より製膜する場合、膜厚は溶融プレス法あるいは溶融押し出し法等で得た所定厚さのフィルムを所定の倍率に延伸することで膜厚を制御できる。   The sulfonic acid equivalent of such a polymer electrolyte membrane is preferably in the range of 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, more preferably 0.8 to 1.5 meq / g dry resin. When the sulfonic acid equivalent is lower than this range, the ion conduction resistance of the membrane increases, whereas when the sulfonic acid equivalent is high, the membrane easily dissolves in a fuel aqueous solution such as a methanol aqueous solution. Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of this polymer electrolyte membrane, 10-300 micrometers is preferable. 15-200 micrometers is especially preferable. A thickness of more than 10 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 200 μm is preferable in order to reduce membrane resistance, that is, improve power generation performance. In the case of the solution casting method, the film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate. When the film is formed from a molten state, the film thickness can be controlled by stretching a film having a predetermined thickness obtained by a melt press method or a melt extrusion method at a predetermined magnification.

前記高分子電解質膜とアノード触媒を担持させた触媒担体、或いはアノード触媒を担持させた触媒担体同士を接着させる、プロトンを伝導する炭化水素系高分子電解質バインダとしては、炭化水素系電解質であれば特に制限はない。そのような高分子電解質として、例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマー、スルホン化ポリスルフィッド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化エンジニアプラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィッド、スルホアルキル化ポリフェニレン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン等のスルホアルキル化エンジニアプラスチック系電解質、スルホアルキルエーテル化ポリフェニレン等の炭化水素系電解質等が挙げられる。   The hydrocarbon-based polymer electrolyte binder that conducts protons that adheres the polymer electrolyte membrane and the catalyst carrier supporting the anode catalyst or the catalyst carriers supporting the anode catalyst to each other is any hydrocarbon-based electrolyte. There is no particular limitation. Examples of such polymer electrolytes include sulfonated engineering plastics electrolytes such as sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated acrylonitrile / butadiene / styrene polymer, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene, and sulfoalkyl. Sulfoalkylated engineering plastics such as alkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, sulfoalkylated polyphenylene, sulfoalkylated polyetherethersulfone And electrolytes such as hydrocarbon electrolytes such as sulfoalkyl etherified polyphenylene.

このうち、耐酸化性の良好な高分子電解質であることが好ましい。かかる高分子電解質膜のスルホン酸当量としては0.5〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂、更には0.8〜1.8ミリ当量/g乾燥樹脂の範囲が好ましい。かかる高分子電解質のスルホン酸当量は高分子電解質膜の当量より大きいことがイオン伝導性の観点から好ましい。通常の高分子に使用される可塑剤、酸化防止剤、過酸化水素分解剤、金属捕捉材、界面活性剤、安定剤、離型剤等の添加剤を本発明の目的に反しない範囲内で使用できる。   Of these, a polymer electrolyte having good oxidation resistance is preferable. The sulfonic acid equivalent of such a polymer electrolyte membrane is preferably in the range of 0.5 to 2.5 meq / g dry resin, more preferably 0.8 to 1.8 meq / g dry resin. The sulfonic acid equivalent of such a polymer electrolyte is preferably larger than the equivalent of the polymer electrolyte membrane from the viewpoint of ion conductivity. Additives such as plasticizers, antioxidants, hydrogen peroxide decomposing agents, metal scavengers, surfactants, stabilizers, release agents, etc., used in ordinary polymers are within the scope of the present invention. Can be used.

前記高分子電解質膜とカソード触媒を担持させた触媒担体、或いはカソード触媒を担持させた触媒担体同士を接着させる、プロトンを伝導するフッ素系高分子電解質バインダとしては、フッ素系電解質であれば特に制限はない。そのようなフッ素系電解質としてポリパーフルオロスルホン酸等が用いられる。その代表的なものとしてNafion(登録商標:米国Dupont社製)、Aciplex(登録商標:旭化成工業株式会社製)、Flemion(登録商標:旭硝子株式会社製)がある。かかる電解質のスルホン酸当量は高分子電解質膜の当量より大きいことがイオン伝導性の観点から好ましい。   The fluorine-based polymer electrolyte binder that conducts protons that adheres the polymer electrolyte membrane and the catalyst carrier carrying the cathode catalyst or the catalyst carriers carrying the cathode catalyst to each other is not particularly limited as long as it is a fluorine-based electrolyte. There is no. Polyperfluorosulfonic acid or the like is used as such a fluorine-based electrolyte. Typical examples include Nafion (registered trademark: manufactured by Dupont, USA), Aciplex (registered trademark: manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark: manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). The sulfonic acid equivalent of the electrolyte is preferably larger than the equivalent of the polymer electrolyte membrane from the viewpoint of ion conductivity.

膜電極接合体に使用される電極は、触媒金属の微粒子を担持した導電材により構成されるものであり、必要に応じて撥水剤や結着剤が含まれていてもよい。また、触媒を担持していない導電材と必要に応じて含まれる撥水剤や結着剤とからなる層を、触媒層の外側に形成してもよい。   The electrode used for the membrane electrode assembly is composed of a conductive material carrying catalyst metal fine particles, and may contain a water repellent or a binder as necessary. Moreover, you may form the layer which consists of the electrically conductive material which does not carry | support a catalyst, and the water repellent and binder contained as needed on the outer side of a catalyst layer.

撥水剤として例えばフッ素化カーボン等が使用される。バインダとしては電解質膜と同系統の炭化水素電解質の溶液を用いることが接着性の観点から好ましいが、他の各種樹脂を用いても差し支えない。また、撥水性を有する含フッ素樹脂、例えばポリテトラフロロエチレン、テトラフロロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体、およびテトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体を加えてもよい。   For example, fluorinated carbon is used as the water repellent. As the binder, it is preferable to use a hydrocarbon electrolyte solution of the same system as the electrolyte membrane from the viewpoint of adhesiveness, but other various resins may be used. In addition, a fluorine-containing resin having water repellency, such as polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer may be added.

燃料電池として用いる際の高分子電解質膜と電極を接合する方法についても特に制限はなく、公知の方法を適用することが可能である。膜電極接合体の製作方法として、例えば、導電材、例えば、カーボンに担持させたPt触媒粉とポリテトラフロロエチレン懸濁液とを混ぜ、カーボンペーパーに塗布、熱処理して触媒層を形成する。   The method for joining the polymer electrolyte membrane and the electrode when used as a fuel cell is not particularly limited, and a known method can be applied. As a method for producing a membrane electrode assembly, for example, a conductive material, for example, Pt catalyst powder supported on carbon and a polytetrafluoroethylene suspension are mixed, applied to carbon paper, and heat-treated to form a catalyst layer.

次いで、バインダとして高分子電解質膜と同一の高分子電解質溶液或いはフッ素系電解質を触媒層に塗布し、高分子電解質膜とホットプレスで一体化する方法がある。この他、高分子電解質と同一の高分子電解質溶液を予めPt触媒粉にコーテイングする方法、触媒ペーストを印刷法、スプレー法、インクジェット法で高分子電解質膜の方に塗布する方法、高分子電解質膜に電極を無電解鍍金する方法、高分子電解質膜に白金族の金属錯イオンを吸着させた後、還元する方法等がある。このうち、触媒ペーストをインクジェット法で高分子電解質膜に塗布する方法が触媒のロスが少なく優れている。   Next, there is a method in which the same polymer electrolyte solution or fluorine-based electrolyte as the polymer electrolyte membrane is applied as a binder to the catalyst layer and integrated with the polymer electrolyte membrane by hot pressing. In addition, a method in which the same polymer electrolyte solution as the polymer electrolyte is previously coated on the Pt catalyst powder, a method in which the catalyst paste is applied to the polymer electrolyte membrane by a printing method, a spray method, or an ink jet method, a polymer electrolyte membrane In addition, there are a method of electrolessly plating an electrode, a method in which a platinum group metal complex ion is adsorbed on a polymer electrolyte membrane and then reduced. Among these, the method of applying the catalyst paste to the polymer electrolyte membrane by the ink jet method is excellent with little loss of the catalyst.

直接型メタノール燃料電池(DMFC)は、以上のように形成された膜電極接合体の外側に燃料流路と酸化剤流路を形成する溝付きの集電体としての燃料配流板と酸化剤配流板を配したものを単セルとし、このような単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより構成される。単セルを接続するのに積層する以外に平面で接続する方法がある。単セルを接続する方法はそのどちらでも特に制限は無い。   The direct methanol fuel cell (DMFC) has a fuel distribution plate and an oxidant distribution as a grooved current collector that forms a fuel flow path and an oxidant flow path outside the membrane electrode assembly formed as described above. A plate is provided as a single cell, and a plurality of such single cells are stacked via a cooling plate or the like. In addition to stacking to connect single cells, there is a method of connecting in a plane. There is no particular limitation on either method of connecting single cells.

燃料電池は、高い温度で作動させる方が、電極の触媒活性が上がり電極過電圧が減少するため望ましいが、特に作動温度には制限は無い。液体燃料を気化させて高温で作動させることも可能である。   It is desirable to operate the fuel cell at a high temperature because the catalytic activity of the electrode increases and the electrode overvoltage decreases. However, the operating temperature is not particularly limited. It is also possible to operate at high temperature by vaporizing the liquid fuel.

アノ−ド、電解質膜およびカソ−ドから構成される複数の単電池を作製し、それを平面に配列し、各単電池を導電性のインターコネクタで直列に接続することで高電圧化をはかり、燃料や酸化剤を強制供給する補機を用いることなく、又、燃料電池を強制冷却するための補機を用いることなく運転することができる。燃料には体積エネルギー密度の高いメタノール水溶液を液体燃料として用いることによって長い時間発電を継続できる小型電源を実現することができる。この小型電源を例えば携帯電話機、ブックタイプパーソナルコンピュータや携帯用ビデオカメラなどの電源として内蔵することによって駆動することができ、予め用意された燃料を逐次補給することによって長時間の連続使用が可能となる。   A plurality of unit cells composed of an anode, an electrolyte membrane and a cathode are manufactured, arranged in a plane, and each unit cell is connected in series with a conductive interconnector to increase the voltage. It is possible to operate without using an auxiliary device for forcibly supplying fuel and an oxidant, and without using an auxiliary device for forcibly cooling the fuel cell. By using a methanol aqueous solution having a high volumetric energy density as the liquid fuel, a compact power source capable of continuing power generation for a long time can be realized. This small power source can be driven by incorporating it as a power source for a mobile phone, a book type personal computer, a portable video camera, etc., and can be used continuously for a long time by replenishing fuel prepared in advance. Become.

又、前記の場合よりも燃料補給の頻度を大幅に少なく使用する目的で、この小型電源を例えば二次電池搭載の携帯電話機、ブックタイプパーソナルコンピュータや携帯用ビデオカメラの充電器と結合してそれらの収納ケースの一部に装着することによってバッテリーチャージャーとして用いることは有効である。この場合、携帯用電子機器使用時には収納ケースより取り出して二次電池で駆動し、使用しない時にはケースに収納することによってケースに内蔵された小型燃料電池発電装置が充電器を介して結合されて二次電池を充電する。こうすることによって燃料タンクの容積を大きくでき、燃料補給の頻度は大幅に少なくすることができる。   In addition, for the purpose of using fuel replenishment frequency much less than in the above case, this small power source is combined with, for example, a mobile phone equipped with a secondary battery, a book type personal computer or a charger for a portable video camera. It is effective to use it as a battery charger by attaching it to a part of the storage case. In this case, when the portable electronic device is used, it is taken out from the storage case and driven by the secondary battery, and when it is not used, the small fuel cell power generator built in the case is connected via the charger. Charge the next battery. By doing so, the volume of the fuel tank can be increased, and the frequency of refueling can be greatly reduced.

[燃料電池]
本発明の燃料電池は、前記膜電極接合体を備える。本発明の膜電極接合体は、固体高分子型燃料電池、特に燃料として水素またはメタノールを用いる固体高分子型燃料電池に使用することが好ましい。
[Fuel cell]
The fuel cell of the present invention includes the membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly of the present invention is preferably used for a polymer electrolyte fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen or methanol as a fuel.

本発明の燃料電池においては、前記膜電極接合体を備え、さらにアノードおよびカソードが、触媒と、該触媒を担持する触媒担体と、該触媒担体を覆う高分子電解質バインダとを含む電極触媒層を有し、前記アノードおよびカソードの少なくとも一方に含まれる高分子電解質バインダが、分子量が異なる少なくとも二種類以上のプロトン伝導性樹脂から形成され、前記高分子電解質バインダの前記触媒担体側部分を形成するプロトン伝導性樹脂の分子量が、前記高分子電解質バインダの外側部分を形成するプロトン伝導性樹脂の分子量よりも小さい燃料電池が好ましい。このような燃料電池であると、炭化水素系電解質膜との接合性を良好に保ちつつ、触媒金属の有効利用を促進し、電池出力を改善させることができる。   In the fuel cell of the present invention, the membrane electrode assembly is provided, and the anode and the cathode further include an electrode catalyst layer including a catalyst, a catalyst carrier supporting the catalyst, and a polymer electrolyte binder covering the catalyst carrier. The polymer electrolyte binder contained in at least one of the anode and the cathode is formed of at least two or more types of proton conductive resins having different molecular weights, and forms protons forming the catalyst carrier side portion of the polymer electrolyte binder A fuel cell in which the molecular weight of the conductive resin is smaller than the molecular weight of the proton conductive resin forming the outer portion of the polymer electrolyte binder is preferable. With such a fuel cell, it is possible to promote effective use of the catalyst metal and improve battery output while maintaining good bonding properties with the hydrocarbon-based electrolyte membrane.

ここでいう高分子電解質バインダの触媒担体側部分とは、触媒が担持された触媒担体を覆っている高分子電解質バインダのうち、触媒担体に直接接触している部分を意味する。高分子電解質バインダの外側部分とは、触媒が担持された触媒担体を覆っている高分子電解質バインダのうち、前記触媒担体側部分に接触し、かつ、電極触媒層の表面に露出している部分を意味する。   The catalyst carrier side portion of the polymer electrolyte binder here means a portion in direct contact with the catalyst carrier in the polymer electrolyte binder covering the catalyst carrier on which the catalyst is supported. The outer part of the polymer electrolyte binder is the part of the polymer electrolyte binder covering the catalyst carrier on which the catalyst is supported that is in contact with the catalyst carrier side part and exposed on the surface of the electrode catalyst layer Means.

ここでいうプロトン伝導性樹脂の分子量が異なるということは、(1)二種類以上のプロトン伝導性樹脂が異なる化学組成からなり、それぞれの重量平均分子量が異なること、あるいは(2)プロトン伝導性樹脂が同じ組成のポリマから構成されるが、その中に重量平均分子量の異なる2種類以上のポリマー群が含まれること、の2つの意味を持つ。本発明は、これらのうち一つを実施すれば効果を達成する。   The different molecular weights of the proton conductive resins here means that (1) two or more types of proton conductive resins have different chemical compositions and have different weight average molecular weights, or (2) proton conductive resins. Are composed of polymers having the same composition, but have two meanings that two or more types of polymers having different weight average molecular weights are included therein. The present invention achieves the effect by implementing one of these.

また、プロトン伝導性樹脂には、ガラス転移点が異なる少なくとも二種類以上のプロトン伝導性樹脂が含まれ、触媒担体側部分を形成するプロトン伝導性樹脂のガラス転移点が、その外側を形成するプロトン伝導性樹脂のガラス転移点よりも、低いことが好ましい。   In addition, the proton conductive resin includes at least two types of proton conductive resins having different glass transition points, and the glass transition point of the proton conductive resin forming the catalyst carrier side portion forms a proton that forms the outside thereof. It is preferably lower than the glass transition point of the conductive resin.

触媒担体側部分を形成するプロトン伝導性樹脂とは、触媒担体側の凝集体内の微細孔に存在するプロトン伝導性樹脂であり、その外側を形成するプロトン伝導性樹脂とは、触媒担体側の凝集体間の微細孔に存在するプロトン伝導性樹脂である。   The proton conductive resin that forms the catalyst carrier side portion is the proton conductive resin that exists in the fine pores in the aggregate on the catalyst carrier side, and the proton conductive resin that forms the outside of the proton conductive resin is the aggregate on the catalyst carrier side. It is a proton conductive resin present in the micropores between the aggregates.

なお、凝集体内の微細孔は50nm以下であり、凝集体間の微細孔は50nm以上であると切り分けることができる。
また、2種類以上のプロトン伝導性樹脂を有するため、その分子量分布を測定した場合、二つ以上のピークを有することが好ましいと推測される。しかしながら、含まれるプロトン伝導性樹脂単独の分子量分布に広がりがある場合、ピーク波形が干渉し、ピークが明確にならない場合がある。
In addition, the micropores within the aggregates are 50 nm or less, and the micropores between the aggregates can be separated into 50 nm or more.
Moreover, since it has two or more types of proton conductive resins, it is estimated that it is preferable to have two or more peaks when the molecular weight distribution is measured. However, if the molecular weight distribution of the contained proton conductive resin alone is broad, the peak waveform may interfere and the peak may not be clear.

なお、電極触媒層に含まれるプロトン伝導性樹脂のうち少なくとも1つが、極性基を有する芳香族炭化水素系電解質である必要がある。これは、極性基を有することによって芳香族炭化水素系電解質にプロトン伝導性を付与するためである。   Note that at least one of the proton conductive resins included in the electrode catalyst layer needs to be an aromatic hydrocarbon electrolyte having a polar group. This is for imparting proton conductivity to the aromatic hydrocarbon electrolyte by having a polar group.

また、触媒担体側部分を形成するプロトン伝導性樹脂が、部分的にフッ素化された芳香族炭化水素系電解質であることが好ましい。
このように、ガラス転移点が低い電解質樹脂(バインダ)を触媒が担持された触媒担体に接触させ、その上からガラス転移点が高い電解質樹脂(バインダ)を被覆した電極触媒層を用いることで、触媒金属の有効利用が促進される。ガラス転移点は、バインダの化学組成、プロトン伝導性を示す極性基の量や、その平均分子量などによって変化させることができるが、本発明では、これらのうちいずれの理由によっても効果を達成することができる。
Moreover, it is preferable that the proton conductive resin forming the catalyst carrier side portion is a partially fluorinated aromatic hydrocarbon electrolyte.
Thus, by using an electrode catalyst layer in which an electrolyte resin (binder) having a low glass transition point is brought into contact with a catalyst carrier on which a catalyst is supported and an electrolyte resin (binder) having a high glass transition point is coated thereon, Effective utilization of catalytic metal is promoted. The glass transition point can be changed depending on the chemical composition of the binder, the amount of polar groups showing proton conductivity, the average molecular weight, etc. In the present invention, the effect is achieved for any of these reasons. Can do.

本実施態様の電極触媒層は、アノードまたはカソードであり、これらの少なくとも一方の電極触媒層に化学組成の異なる2種以上のプロトン伝導性樹脂が含まれる。
なお、触媒担体側部分を形成するプロトン伝導性樹脂を第一のバインダ(触媒担体に接するプロトン伝導性樹脂)と、その外側に形成されるプロトン伝導性樹脂を第二のバインダ(触媒層最表面に存在するプロトン伝導性樹脂)と呼称することとする。
The electrode catalyst layer of this embodiment is an anode or a cathode, and at least one of these electrode catalyst layers contains two or more proton conductive resins having different chemical compositions.
The proton conductive resin forming the catalyst carrier side portion is the first binder (proton conductive resin in contact with the catalyst carrier), and the proton conductive resin formed outside thereof is the second binder (the outermost surface of the catalyst layer). The proton conductive resin existing in

また、本発明は、触媒担体の凝集体内の微細孔(一次細孔)に存在するプロトン伝導性樹脂の化学組成と、触媒担体の凝集体間の微細孔(二次細孔)に存在するプロトン伝導性樹脂の化学組成が異なると表現することもできる。なお、電極の作製条件によっては、局所的には、第二のバインダが一次細孔内にまで浸入したり、第一のバインダが二次細孔に存在する箇所も生じたりすることもあるが、一次細孔と二次細孔に存在するプロトン導電性樹脂の平均的な組成が異なっていれば、本発明の効果は達成される。尚、ここでいう平均的な組成が異なるとは、例えば、STEM−EDX法を用い、一次細孔、二次細孔に存在するプロトン導電性樹脂の組成をそれぞれ任意に5点以上測定したときに、その平均が異なることを示す。   The present invention also relates to the chemical composition of the proton conductive resin present in the fine pores (primary pores) in the aggregates of the catalyst carrier and the protons present in the fine pores (secondary pores) between the aggregates of the catalyst carrier. It can also be expressed that the chemical composition of the conductive resin is different. Depending on the electrode production conditions, locally, the second binder may penetrate into the primary pores, or the first binder may exist in the secondary pores. If the average composition of the proton conductive resin existing in the primary pore and the secondary pore is different, the effect of the present invention is achieved. Note that the average composition here is different when, for example, the STEM-EDX method is used, and the composition of the proton conductive resin existing in the primary pore and the secondary pore is arbitrarily measured at 5 or more points, respectively. Shows that the averages are different.

特に、第一のバインダは、一部をフッ素化されたアルキル基および芳香族環を含む芳香族炭化水素系電解質であることが好ましい。
本実施形態で用いる複数のバインダポリマーの主骨格は、芳香族炭化水素であり、これは電極触媒層におけるバインダポリマー間の相互作用が強い。そのため、異なるバインダポリマー間での結合性が良好となり、バインダポリマー間でのプロトン伝導抵抗を低く保つことができる。
In particular, the first binder is preferably an aromatic hydrocarbon electrolyte containing a partially fluorinated alkyl group and an aromatic ring.
The main skeleton of the plurality of binder polymers used in the present embodiment is an aromatic hydrocarbon, which has a strong interaction between binder polymers in the electrode catalyst layer. Therefore, the bonding property between different binder polymers becomes good, and the proton conduction resistance between the binder polymers can be kept low.

この電極触媒層は、第一のバインダと有機溶媒との混合溶液を乾燥・粉末(混合粉末)化した後、混合粉末を第一のバインダを溶解させない程度に極性の低い溶媒と混合しスラリー状としたところへ、第一のバインダとは化学組成・ガラス転移点の異なる第二のバインダが溶解したワニスを加え、第一のバインダを溶解させずに第二のバインダを被覆することで作製するものである。   This electrode catalyst layer is made by drying and powdering (mixing powder) the mixed solution of the first binder and organic solvent, and then mixing the mixed powder with a solvent having a low polarity so as not to dissolve the first binder. The first binder is made by adding a varnish in which a second binder having a different chemical composition and glass transition point is dissolved, and coating the second binder without dissolving the first binder. Is.

また、こうした電極触媒層を電解質膜の少なくとも一方の面に付与することで作製された燃料電池用膜−電極接合体(MEA)や、こうしたMEAを用いたPEFCやDMFCにも本発明は及ぶものである。   Further, the present invention extends to a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA) produced by applying such an electrode catalyst layer to at least one surface of an electrolyte membrane, and PEFC or DMFC using such MEA. It is.

以下に本発明による実施例について、図面を用いて記述する。
図1において、
アノード触媒層2とカソード触媒層3および固体高分子電解質膜1を一体化したものを膜電極接合体(Membrane-Electrode-Assembly)と称す。この場合、電極層(触媒層)と拡散層とが一体化していることもある。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
In FIG.
A structure in which the anode catalyst layer 2, the cathode catalyst layer 3 and the solid polymer electrolyte membrane 1 are integrated is referred to as a membrane-electrode assembly (Membrane-Electrode-Assembly). In this case, the electrode layer (catalyst layer) and the diffusion layer may be integrated.

本実施例は、アノード触媒層2およびカソード触媒層3におけるプロトン伝導性樹脂に関するものである。
図2を用いて本実施例の構成を、カソードを例にして示す。
The present embodiment relates to a proton conductive resin in the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3.
The configuration of the present embodiment will be described using the cathode as an example with reference to FIG.

本実施例では、カソード触媒層3(触媒電極層)中に、少なくとも2種類以上のプロトン伝導性樹脂が存在し、触媒22が担持された電子伝導体21に接するプロトン伝導性樹脂23と、その外側に存在するプロトン伝導性樹脂24との、物理的・化学的物性が異なることを特徴としている。   In the present embodiment, at least two or more kinds of proton conductive resins are present in the cathode catalyst layer 3 (catalyst electrode layer), and the proton conductive resin 23 in contact with the electron conductor 21 on which the catalyst 22 is supported, The physical and chemical properties of the proton conductive resin 24 existing outside are different.

図2では、説明上、簡便のため、2種類のプロトン伝導性樹脂23,24で構成される電極の模式図を示す。
図2にて21が電子伝導体(担体)、22が触媒金属粒子(触媒)であり、23,24はプロトン伝導性樹脂である。23を第一のバインダ、24を第二のバインダと呼ぶこととする。電極の作製条件によっては、局所的には第二のバインダが電子伝導体側に形成されたり、第一のバインダの外側に第二のバインダが存在しなかったりすることもあり得るが、平均的に図2のような構造となっていれば、本発明の効果は達成される。本構造の確認は、例えば、STEM−EDX法を用い、電子伝導体が樹脂で被覆された部分において、電子伝導体側から1nm外側に離れた点とバインダ皮膜最外から1nm内側に離れた点の化学組成を測定し、プロトン導電性樹脂の組成が異なることで達成できる。平均的に本構造が得られていることは、前記測定をそれぞれ任意の5点以上で測定し、その平均が異なることで確認できる。
In FIG. 2, for convenience of explanation, a schematic diagram of an electrode composed of two types of proton conductive resins 23 and 24 is shown.
In FIG. 2, 21 is an electron conductor (carrier), 22 is a catalyst metal particle (catalyst), and 23 and 24 are proton conductive resins. 23 is referred to as a first binder, and 24 is referred to as a second binder. Depending on the electrode fabrication conditions, the second binder may be locally formed on the electron conductor side, or the second binder may not exist outside the first binder. If the structure is as shown in FIG. 2, the effect of the present invention is achieved. This structure can be confirmed by, for example, using the STEM-EDX method, where the electron conductor is covered with resin at a point 1 nm outside from the electron conductor side and 1 nm inside from the outermost binder film. This can be achieved by measuring the chemical composition and different compositions of the proton conductive resin. The fact that this structure is obtained on average can be confirmed by measuring each of the above-mentioned measurements at five or more arbitrary points and different in average.

カソード触媒である触媒金属粒子22、触媒担体21、電解質バインダ(第1のバインダ23,第2のバインダ24)及びアノード触媒については前述のとおりである。
本実施例にかかる電極触媒層には、2種以上のプロトン伝導性樹脂が存在してもよい。第一のバインダ23は、触媒担体21に接し、触媒担体21上の触媒金属23と接触することで燃料電池反応に活用できる触媒表面積を増大させることが求められる。
The catalyst metal particles 22, the catalyst carrier 21, the electrolyte binder (the first binder 23, the second binder 24) and the anode catalyst which are cathode catalysts are as described above.
Two or more kinds of proton conductive resins may be present in the electrode catalyst layer according to the present embodiment. The first binder 23 is required to increase the catalyst surface area that can be utilized for the fuel cell reaction by contacting the catalyst carrier 21 and contacting the catalyst metal 23 on the catalyst carrier 21.

図3に、カソードに使用される、触媒金属が担持された担体の模式図を示す。20〜30nmの担体粒子31が集まった構造体33を形成している。その構造体33内に形成される細孔(一次細孔34)径は50nm以下である。   FIG. 3 shows a schematic diagram of a carrier on which a catalytic metal used is used for the cathode. A structure 33 in which carrier particles 31 of 20 to 30 nm are gathered is formed. The diameter of the pores (primary pores 34) formed in the structure 33 is 50 nm or less.

触媒金属の有効利用の観点から、第一のバインダには、担体粒子31からなる構造体33内の細孔34に進入しやすい材料であることが求められる。細孔34への進入しやすさは溶媒中でのポリマーの大きさに依存すると考えられ、これはポリマーの分子量あるいはポリマー間での分子間相互作用に強く影響を受ける。   From the viewpoint of effective utilization of the catalyst metal, the first binder is required to be a material that easily enters the pores 34 in the structure 33 made of the support particles 31. The ease of entry into the pores 34 is thought to depend on the size of the polymer in the solvent, which is strongly influenced by the molecular weight of the polymer or the intermolecular interactions between the polymers.

芳香族炭化水素電解質の一次構造の制御を行い、ポリマー間での分子間相互作用を弱めたポリマーを第一バインダに用いることにより触媒の有効利用を促進できる。このように分子間相互作用を弱めたポリマーのガラス転移点は低い値となる。   Effective control of the catalyst can be promoted by controlling the primary structure of the aromatic hydrocarbon electrolyte and using a polymer with weak intermolecular interaction between the polymers as the first binder. Thus, the glass transition point of the polymer which weakened intermolecular interaction becomes a low value.

ガラス転移点の低い、フレキシブルなポリマーは、触媒スラリー中で他のポリマー分子からの相互作用を受けづらく、比較的自由に変形できるため、細孔34内への進入が容易になる。この様なポリマーとしては、一部に4,4′−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノールやデカフルオロビフェニルなどを含み、一部をフッ素化したアルキル基および芳香族環を有する芳香族炭化水素系電解質が好ましい。このように一部をフッ素化したアルキル基および芳香族環を芳香族炭化水素系電解質に含ませることでガラス転移点を30℃低減させることができる。   A flexible polymer having a low glass transition point is less susceptible to interaction from other polymer molecules in the catalyst slurry and can be relatively freely deformed, so that it can easily enter the pores 34. Examples of such polymers include aromatic hydrocarbons having alkyl groups and aromatic rings partially containing 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphenol, decafluorobiphenyl, etc. An electrolyte is preferred. Thus, the glass transition point can be reduced by 30 ° C. by including a partially fluorinated alkyl group and aromatic ring in the aromatic hydrocarbon electrolyte.

ガラス転移点としては120℃以上270℃以下であることが好ましい。ガラス転移点は、ポリマーを膜状にしたものに対し動的粘弾性試験を行い、貯蔵弾性率と損失弾性率の比として得られる損失正接がピークとなる温度として測定することができる。   The glass transition point is preferably 120 ° C. or higher and 270 ° C. or lower. The glass transition point can be measured as a temperature at which the loss tangent obtained as a ratio of the storage elastic modulus and the loss elastic modulus becomes a peak by performing a dynamic viscoelasticity test on the polymer film.

また、分子サイズの観点から、芳香族炭化水素系電解質のうち、分子量が小さいプロトン伝導性樹脂が望ましい。望ましい数平均分子量としては10000〜50000が望ましい。第一バインダとしては、こうした数平均分子量のプロトン伝導性樹脂を選択することが好ましい。   Further, from the viewpoint of molecular size, a proton conductive resin having a small molecular weight is desirable among aromatic hydrocarbon electrolytes. The desirable number average molecular weight is preferably 10,000 to 50,000. As the first binder, it is preferable to select a proton conductive resin having such a number average molecular weight.

第二のバインダは、第一のバインダと触媒担体との混合体の表面を被覆するものである。担体粒子31からなる構造体33間に形成される、細孔径50nm以上の細孔(二次細孔35)に、第二のバインダを形成し、触媒電極の結着性を保持する。   The second binder covers the surface of the mixture of the first binder and the catalyst carrier. A second binder is formed in pores (secondary pores 35) having a pore diameter of 50 nm or more formed between the structures 33 made of the carrier particles 31, and the binding property of the catalyst electrode is maintained.

このため、ガラス転移点が高い樹脂が好ましい。また、特に、DMFCのカソード電極への応用を考えると、水やメタノールに対して膨潤率の小さな樹脂が好ましい。
この観点から、第二のバインダには、第一バインダよりもガラス転移点の高い、芳香族炭化水素系電解質樹脂を用いることが好ましい。ガラス転移点としては、250℃以上であることが好ましい。また、結着性,溶解に対する安定性のためには分子量が大きいことが好ましく、特に、第二のバインダは第一のバインダよりも分子量が大きいことが望ましい。
For this reason, a resin having a high glass transition point is preferred. In particular, considering application to the cathode electrode of DMFC, a resin having a small swelling ratio with respect to water or methanol is preferable.
From this viewpoint, it is preferable to use an aromatic hydrocarbon electrolyte resin having a glass transition point higher than that of the first binder for the second binder. The glass transition point is preferably 250 ° C. or higher. Moreover, it is preferable that the molecular weight is large for binding property and stability against dissolution, and it is particularly desirable that the second binder has a higher molecular weight than the first binder.

また、本実施例の膜電極接合体に使用する電解質膜は、プロトン伝導電解質樹脂を用いることができる。電解質膜と電極との間の接合性を良好に保つためには、第二のバインダと電解質膜とが同じ骨格の一次構造を有することが好ましい。   In addition, a proton conductive electrolyte resin can be used for the electrolyte membrane used in the membrane electrode assembly of this example. In order to maintain good bonding between the electrolyte membrane and the electrode, it is preferable that the second binder and the electrolyte membrane have the same primary structure of the skeleton.

以下に、本実施例にかかる電極触媒層の製造方法について、カソードの電極触媒層を例にして述べる。
触媒金属粒子を担持した担体粒子に、第一のバインダを被覆するため、これらを溶媒に混合した触媒スラリーを混合し、分散後、溶媒を乾燥させる。
Hereinafter, the method for producing the electrode catalyst layer according to this example will be described by taking the electrode catalyst layer of the cathode as an example.
In order to coat the first binder on the carrier particles carrying the catalyst metal particles, a catalyst slurry in which these are mixed with a solvent is mixed, and after dispersion, the solvent is dried.

溶媒としては、容易に乾燥、水により洗浄することができ、かつ、担体粒子の分散を妨げないものであれば特に制限を受けない。例えば、水の他に、エチレングリコールモノメチルエーテル,エチレングリコールモノエチルエーテル,プロピレングリコールモノメチルエーテル,プロピレングリコールモノメチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルや、n−プロパノール,iso−プロパノール,t−ブチルアルコール等のアルコール類、および1−メチル−2−ピロリドンなどの高極性溶媒を用いることができる。   The solvent is not particularly limited as long as it can be easily dried and washed with water and does not interfere with the dispersion of the carrier particles. For example, in addition to water, alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, n-propanol, iso-propanol, t-butyl alcohol, etc. Alcohols and highly polar solvents such as 1-methyl-2-pyrrolidone can be used.

この溶媒を乾燥させ、触媒を担持させる担体粒子と第一のバインダとによる粉末を得るための方法としては、スラリーを加熱あるいは真空中で乾燥させ、得られた粉末を粉砕する方法、または、スプレードライヤーを用い、スラリーを噴霧し、気中で溶媒を除去し粉末を得る方法などが挙げられる。   As a method for drying the solvent and obtaining a powder comprising the carrier particles supporting the catalyst and the first binder, the slurry is dried in a heat or vacuum, and the obtained powder is pulverized or sprayed. Examples thereof include a method of spraying slurry using a dryer and removing the solvent in the air to obtain a powder.

得られた混合粉末の表面に、第二のバインダを被覆するためには、第一のバインダが被覆された混合粉末を溶媒に分散させスラリー状としたところへ、そこへ第二のバインダが溶解あるいは分散した溶液を加え、混合することで得られる。この際に使用する溶媒の極性とその分量、加える順番を適切に選定することで、第一のバインダを溶解させずに第二のバインダを被覆できるような触媒スラリーを得ることができる。   In order to coat the surface of the obtained mixed powder with the second binder, the mixed powder coated with the first binder is dispersed in a solvent to form a slurry, and the second binder is dissolved therein. Alternatively, it can be obtained by adding a dispersed solution and mixing. By appropriately selecting the polarity and the amount of the solvent used and the order of addition, a catalyst slurry that can cover the second binder without dissolving the first binder can be obtained.

こうして得られたスラリーを電極として塗布し形成することで電極触媒層を形成することができる。
この際に使用する溶媒としては、粉末内で固化したバインダを溶出させないことが必要である。適した溶媒としては、第一のバインダに依存して変化するが、一般に、極性の小さな溶媒であることが望ましく、n−プロパノール,iso−プロパノール,t−ブチルアルコール,酢酸エチルなどが好ましい。
The electrode catalyst layer can be formed by applying and forming the slurry thus obtained as an electrode.
As a solvent used in this case, it is necessary not to elute the binder solidified in the powder. A suitable solvent varies depending on the first binder, but in general, a solvent having a small polarity is desirable, and n-propanol, iso-propanol, t-butyl alcohol, ethyl acetate and the like are preferable.

また、第二のバインダを溶解させるための溶媒としては、水の他に、エチレングリコールモノメチルエーテル,エチレングリコールモノエチルエーテル,プロピレングリコールモノメチルエーテル,プロピレングリコールモノメチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル,n−プロパノール,iso−プロパノール,t−ブチルアルコール等のアルコール類、および1−メチル−2−ピロリドンなどの高極性溶媒を用いることができるが、スラリーを作製した際に、第一のバインダが溶出しないような溶媒組成を選定する必要がある。   As the solvent for dissolving the second binder, in addition to water, alkylene glycol monoalkyl ether such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, n- Alcohols such as propanol, iso-propanol, and t-butyl alcohol, and highly polar solvents such as 1-methyl-2-pyrrolidone can be used, but when the slurry is prepared, the first binder is not eluted. It is necessary to select a proper solvent composition.

なお、電極形成法としては、触媒ペーストを印刷法,スプレー法,インクジェット法,ダイコーター法などで高分子電解質膜あるいはガス拡散層上に塗布する方法が好ましい。
製造される電極の構造は、電極の薄片を走査型透過電子顕微鏡(STEM)で評価できる。触媒近傍と触媒の外層表面近傍とにおけるプロトン伝導性樹脂の組成を、EDX(エネルギー分散型X線分光法)で評価することで、前記構造が得られていることを確認できる。また、光電子分光法を用いた触媒電極の表面組成評価を行い、触媒電極全体に含まれるプロトン伝導性樹脂の成分組成と表面の成分組成とを比較することで、前記構造が評価できる。本実施例の電極中に含まれるプロトン伝導性樹脂の一次構造は、樹脂を溶解させた溶液を核磁気共鳴(NMR)分析を行うことで評価できる。分子量分布は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)を用いて評価できる。
In addition, as an electrode formation method, the method of apply | coating a catalyst paste on a polymer electrolyte membrane or a gas diffusion layer by the printing method, the spray method, the inkjet method, the die coater method etc. is preferable.
The structure of the manufactured electrode can be evaluated with a scanning transmission electron microscope (STEM) on a thin piece of the electrode. It can be confirmed that the structure is obtained by evaluating the composition of the proton conductive resin in the vicinity of the catalyst and in the vicinity of the outer layer surface of the catalyst by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy). Further, the structure can be evaluated by evaluating the surface composition of the catalyst electrode using photoelectron spectroscopy, and comparing the component composition of the proton conductive resin contained in the entire catalyst electrode with the component composition of the surface. The primary structure of the proton conductive resin contained in the electrode of this example can be evaluated by conducting a nuclear magnetic resonance (NMR) analysis of a solution in which the resin is dissolved. The molecular weight distribution can be evaluated using gel permeation chromatography (GPC).

本実施例では、第一のバインダが、一次細孔まで進入することで、一次細孔の内部の触媒金属を有効に利用し、触媒利用率を改善させ、さらに、第二のバインダを用いることで、電極の形状安定性を良好にすることができる。また、第二のバインダに炭化水素系電解質を用いることで電極と炭化水素系電解質膜との接合性を改善させることができる。   In this embodiment, the first binder enters the primary pores to effectively use the catalyst metal inside the primary pores, improve the catalyst utilization, and further use the second binder. Thus, the shape stability of the electrode can be improved. In addition, by using a hydrocarbon-based electrolyte for the second binder, the bondability between the electrode and the hydrocarbon-based electrolyte membrane can be improved.

以下実施例および試験例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明の範囲はここに開示した実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and test examples, but the scope of the present invention is not limited to the examples disclosed herein.

1.実施例
(実施例1)
(1)クロロメチル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、30gのポリエーテルスルホン(PES)、テトラクロロエタン250mlを入れ、更にクロロメチルメチルエーテル40mlを加えた後、無水塩化錫(IV)1mlとテトラクロロエタン20mlの混合溶液を滴下し、80℃に過熱して90分間加熱撹拌した。
1. Example (Example 1)
(1) Synthesis of chloromethylated polyethersulfone After the inside of a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, and reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 30 g of polyethersulfone (PES), 250 ml of tetrachloroethane was added, and 40 ml of chloromethyl methyl ether was further added. Then, a mixed solution of 1 ml of anhydrous tin (IV) chloride and 20 ml of tetrachloroethane was added dropwise, heated to 80 ° C. and stirred for 90 minutes with heating. .

次いで、該反応溶液をメタノール1リットル中に落とし、ポリマーを析出させた。析出した沈殿をミキサーで粉砕してメタノールで洗浄し、クロロメチル化ポリエーテルスルホンを得た。核磁気共鳴スペクトルによるクロロメチル基の導入率{(式1)における全構造単位(x及びyの合計)対するクロロメチル基の導入された構造単位の割合}は36%であった。   Next, the reaction solution was dropped into 1 liter of methanol to precipitate a polymer. The deposited precipitate was pulverized with a mixer and washed with methanol to obtain chloromethylated polyethersulfone. The introduction rate of the chloromethyl group {the ratio of the structural unit having the chloromethyl group introduced to the total structural units (total of x and y) in (Formula 1)} in the nuclear magnetic resonance spectrum was 36%.

(2)アセチルチオ化ポリエーテルスルホンの合成
得られたクロロメチル化ポリエーテルスルホンを撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた1000mlの4ツ口丸底フラスコに入れ、N−メチルピロリドン600mlを加えた。これに、チオ酢酸カリウム9gとN−メチルピロリドン(NMP)50mlの溶液を加え、80℃に加熱し3時間加熱撹拌した。次いで、該反応液を水1リットル中に落とし、ポリマーを析出させた。析出させた沈殿をミキサーで粉砕し、水で洗浄した後、加熱乾燥してアセチルチオ化ポリエーテルスルホン32gを得た。
(2) Synthesis of acetylthiolated polyethersulfone The obtained chloromethylated polyethersulfone was put in a 1000 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, and reflux condenser connected with a calcium chloride tube. -600 ml of methylpyrrolidone was added. To this was added a solution of 9 g of potassium thioacetate and 50 ml of N-methylpyrrolidone (NMP), and the mixture was heated to 80 ° C. and stirred for 3 hours. Next, the reaction solution was dropped into 1 liter of water to precipitate a polymer. The deposited precipitate was pulverized with a mixer, washed with water, and then dried by heating to obtain 32 g of acetylthiolated polyethersulfone.

(3)スルホメチル化ポリエーテルスルホンの合成
得られたアセチルチオ化ポリエーテルスルホン20gを撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの4ツ口丸底フラスコに入れ、さらに酢酸300ml加えた。過酸化水素水20mlを加え、45℃に加熱し4時間加熱撹拌した。
(3) Synthesis of sulfomethylated polyethersulfone 20 g of the obtained acetylthiolated polyethersulfone was placed in a 500 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, and reflux condenser connected with a calcium chloride tube. 300 ml of acetic acid was added. 20 ml of hydrogen peroxide solution was added, heated to 45 ° C. and stirred for 4 hours.

次いで、6規定の水酸化ナトリウム水溶液1リットル中に、冷却しながら該反応溶液を加え、しばらく撹拌した。ポリマーをろ過し、アルカリ成分が抜けるまで水で洗浄した。その後、1規定の塩酸300mlにポリマーを加え、しばらく撹拌した。ポリマーをろ過し、酸成分が抜けるまで水で洗浄し、減圧乾燥することで、定量的にスルホメチル化ポリエーテルスルホン20gを得た。NMRのメチレンプロトンのケミカルシフトが3.78ppmにシフトしていることにより、スルホメチル基の存在を確認した。スルホメチル基の導入率{(式2)における全構造単位(x及びyの合計)対するルホメチル基の導入された構造単位の割合}はクロロメチル基の導入率から36%であった。   Next, the reaction solution was added to 1 liter of 6N aqueous sodium hydroxide solution while cooling, and stirred for a while. The polymer was filtered and washed with water until the alkaline component was removed. Thereafter, the polymer was added to 300 ml of 1N hydrochloric acid and stirred for a while. The polymer was filtered, washed with water until the acid component was removed, and dried under reduced pressure to quantitatively obtain 20 g of a sulfomethylated polyethersulfone. The presence of a sulfomethyl group was confirmed by the chemical shift of the NMR methylene proton being shifted to 3.78 ppm. The introduction rate of the sulfomethyl group {the ratio of the structural unit having the sulfomethyl group introduced to the total structural units (total of x and y) in (Formula 2)} was 36% from the introduction rate of the chloromethyl group.

(4)高分子電解質膜の作製
前記(3)で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンを5重量%の濃度になるようにジメチルアセトアミド−メトキシエタノールの混合溶媒(1:1)に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚42μmのスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜を作製した。この高分子電解質膜の室温におけるメタノール透過性は12mA/cm2、イオン伝導性は0.053S/cmであった。
(4) Production of polymer electrolyte membrane The sulfomethylated polyethersulfone obtained in (3) above was dissolved in a mixed solvent (1: 1) of dimethylacetamide-methoxyethanol so as to have a concentration of 5% by weight. This solution was spread on glass by spin coating, air-dried, and then vacuum-dried at 80 ° C. to prepare a sulfomethylated polyethersulfone electrolyte membrane having a thickness of 42 μm. This polymer electrolyte membrane had a methanol permeability at room temperature of 12 mA / cm 2 and an ionic conductivity of 0.053 S / cm.

(5)膜電極接合体(MEA)の作製
前記(1)、(2)及び(3)と同様にしてスルホメチル基の導入率{(式2)における全構造単位(x及びyの合計)対するルホメチル基の導入された構造単位の割合}が41%であるスルホメチル化ポリエーテルスルホンを合成し、これをカソード及びアノード電極の高分子電解質とした。
(5) Production of membrane electrode assembly (MEA) In the same manner as in the above (1), (2) and (3), introduction rate of sulfomethyl group {for all structural units in (Formula 2) (total of x and y) A sulfomethylated polyethersulfone having a ratio of structural units introduced with a sulfomethyl group} of 41% was synthesized and used as a polymer electrolyte for the cathode and anode electrodes.

炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が1/1の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt%分散担持した触媒粉末と30wt%の前記高分子電解質(スルホメチル化ポリエーテルスルホン)の1−プロパノール、2−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調製してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約125μm、幅30mm、長さ30mmのアノ−ド電極を作製した。   A catalyst powder in which platinum / ruthenium alloy fine particles having a platinum / ruthenium atomic ratio of 1/1 on a carbon support are dispersed and supported by 50 wt%, and 30 wt% of the polymer electrolyte (sulfomethylated polyethersulfone) 1-propanol, 2- A slurry of a mixed solvent of propanol and methoxyethanol was prepared, and an anode electrode having a thickness of about 125 μm, a width of 30 mm, and a length of 30 mm was produced on the polyimide film by a screen printing method.

カソード用触媒の製造方法を以下に示す。
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mL及びアセチルアセトン(純正化学)5mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、グリシン(和光純薬(株)製)2.507g及び酢酸鉄(Aldrich社製)0.153gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。
The manufacturing method of the catalyst for cathodes is shown below.
Titanium tetraisopropoxide (made by Junsei Chemical Co., Ltd.) 5mL and acetylacetone (Junsei Chemical Co., Ltd.) 5mL are added to a solution of ethanol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 15mL and acetic acid (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 5mL. A titanium-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. In addition, 2.507 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.153 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) were added to 20 mL of pure water, and the mixture was stirred and completely dissolved at room temperature to prepare a glycine-containing mixture solution. .

チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、触媒前駆体組成物を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体組成物を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。前記触媒前駆体組成物の溶媒を完全に蒸発させた後、乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。   The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a catalyst precursor composition. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor composition. After completely evaporating the solvent of the catalyst precursor composition, the catalyst precursor composition was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、4容量%水素と窒素との混合ガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで900℃まで加熱し、900℃で1時間保持し、自然冷却することによりTiFeCNO粉末(以下「触媒担体(1)」とも記す。)を得た。   This powder is placed in a tubular furnace, heated to 900 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in a mixed gas atmosphere of 4% by volume hydrogen and nitrogen, held at 900 ° C. for 1 hour, and naturally cooled to thereby cool TiFeCNO powder. (Hereinafter also referred to as “catalyst carrier (1)”).

触媒担体(1)の粉末X線回折スペクトルを図5に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、元素分析結果による触媒担体(1)の成分比は、Ti0.95Fe0.05C1.510.151.55であった。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。触媒担体(1)のBET比表面積は172m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst carrier (1) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
The component ratio of the catalyst carrier (1) based on the result of elemental analysis was Ti 0.95 Fe0.05C 1.51 N 0.15 O 1.55 . The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed. The catalyst carrier (1) had a BET specific surface area of 172 m 2 / g.

この担体に白金50重量%を担持させてカソード用触媒(1)を得た。
次に、前記カソード用触媒(1)とポリパーフルオロスルホン酸の1−プロパノール、2−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水/アルコール混合溶媒のスラリーを調製してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約20μm、幅30mm、長さ30mmのカソ−ド電極を作製した。アノ−ド電極表面に5重量%の前記高分子電解質の1−プロパノール、2−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約0.5ml浸透させた後に前記(4)で作製したスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜に接合し、約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥した。
Cathode catalyst (1) was obtained by supporting 50% by weight of platinum on this carrier.
Next, a slurry of a water / alcohol mixed solvent is prepared by using the cathode catalyst (1) and polyperfluorosulfonic acid 1-propanol, a mixed solvent of 2-propanol and methoxyethanol as a binder, and a polyimide film is formed by screen printing. A cathode electrode having a thickness of about 20 μm, a width of 30 mm, and a length of 30 mm was produced. The sulfomethylated polyethersulfone electrolyte prepared in (4) above after impregnating about 0.5 ml of a mixed solvent of 1-propanol, 2-propanol and methoxyethanol of 5% by weight of the polymer electrolyte on the surface of the anode electrode. The film was bonded to the membrane and dried at 80 ° C. for 3 hours under a load of about 1 kg.

次にカソ−ド電極表面に5重量%のポリパーフルオロスルホン酸の1−プロパノール、2−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約0.5ml浸透させた後に前記高分子電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥することによってMEA(I)を作製した。   Next, about 0.5 ml of a mixed solvent of 1% propanol, 2-propanol and methoxyethanol of 5% by weight of polyperfluorosulfonic acid was infiltrated on the surface of the cathode electrode, and then joined to the polymer electrolyte membrane first. MEA (I) was produced by joining so as to overlap with the anode layer and applying a load of about 1 kg and drying at 80 ° C. for 3 hours.

炭素粉末に焼成後の重量で40wt%となるように撥水剤ポリテトラフロロエチレン(PTFE)微粒子の水性分散液(デイスパージョンD−1:ダイキン工業製)を添加して混練してペースト状になったものを、厚さ約350μm、空隙率87%のカーボンクロスの片面に塗布し、室温で乾燥した後270℃で3時間焼成して炭素シートを形成した。PTFE量はカーボンクロス布に対して5〜20wt%となるようにした。得られたシートを上記MEAの電極サイズと同じ形状に切り出してカソード拡散層とした。厚さ約350μm、空隙率87%のカーボンクロスを発煙硫酸(濃度60%)に浸たし、窒素気流下2日間60℃の温度に保持した。次いで、フラスコの温度を室温迄冷却した。発煙硫酸を除去し、カーボンクロスを蒸留水が中性になるまでよく洗浄した。   An aqueous dispersion of water repellent polytetrafluoroethylene (PTFE) fine particles (Dispersion D-1: manufactured by Daikin Industries) is added and kneaded into carbon powder so that the weight after firing is 40 wt%. This was coated on one side of a carbon cloth having a thickness of about 350 μm and a porosity of 87%, dried at room temperature, and then fired at 270 ° C. for 3 hours to form a carbon sheet. The amount of PTFE was set to 5 to 20 wt% with respect to the carbon cloth cloth. The obtained sheet was cut into the same shape as the electrode size of the MEA to form a cathode diffusion layer. A carbon cloth having a thickness of about 350 μm and a porosity of 87% was immersed in fuming sulfuric acid (concentration 60%), and kept at a temperature of 60 ° C. for 2 days under a nitrogen stream. The flask temperature was then cooled to room temperature. The fuming sulfuric acid was removed and the carbon cloth was washed well until the distilled water became neutral.

次いで、メタノールで浸漬、乾燥した。得られたカーボンクロスの赤外線分光吸収スペクトルの1225cm-1及び1413cm-1に−OSO3H基に基づく吸収が認められた。又、1049cm-1に−OH基に基づく吸収が認められた。このことから、カーボンクロスの表面に−OSO3H基や−OH基が導入されとことが確認された。発煙硫酸処理されていないカーボンクロスとメタノール水溶液との接触角81°より小さく、親水性であった。又、導電性にも優れていた。これを上記MEA(I)の電極サイズと同じ形状に切り出してアノード拡散層とした。 Subsequently, it was immersed in methanol and dried. To 1225 cm -1 and 1413cm -1 in the infrared absorption spectrum of the resulting carbon cloth absorption based on -OSO 3 H group was observed. Absorption based on the —OH group was observed at 1049 cm −1 . Therefore, we bet introduces -OSO 3 H group or a -OH group was observed at the surface of the carbon cloth. The contact angle between the carbon cloth not treated with fuming sulfuric acid and the aqueous methanol solution was smaller than 81 ° and was hydrophilic. Moreover, it was excellent also in electroconductivity. This was cut out into the same shape as the electrode size of the MEA (I) to form an anode diffusion layer.

(6)燃料電池(DMFC)の発電性能
図4に示す高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付MEA(I)を組み込んで電池性能を測定した。図4において、41は高分子電解質膜、42はアノード電極、43はカソード電極、44はアノード拡散層、45カソード拡散層、46は燃料、47は空気、48は外部負荷である。燃料としてアノードに濃度3wt%のメタノール水溶液を循環させ、カソードに空気を供給した。50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転した。運転開始10時間後の50mA/cm2のときの、出力電圧は440mVであった。引き続き50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転し2,000時間稼動後に385mVの出力を示し、安定であった。
(6) Power generation performance of fuel cell (DMFC) Using the polymer fuel cell power generator single cell shown in FIG. 4, the MEA (I) with diffusion layer was incorporated to measure the battery performance. In FIG. 4, 41 is a polymer electrolyte membrane, 42 is an anode electrode, 43 is a cathode electrode, 44 is an anode diffusion layer, 45 cathode diffusion layer, 46 is fuel, 47 is air, and 48 is an external load. As a fuel, an aqueous methanol solution having a concentration of 3 wt% was circulated through the anode, and air was supplied to the cathode. Continuous operation was performed at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2 . The output voltage was 440 mV at 50 mA / cm 2 10 hours after the start of operation. Subsequently, it was continuously operated at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2 , and after 2,000 hours of operation, an output of 385 mV was exhibited and stable.

(比較例1)
(1)膜電極接合体(MEA)の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が1/1の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt%分散担持した触媒粉末と30wt%ポリパーフルオロスルホン酸電解質をバインダとして水/アルコール混合溶媒(水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20:40:40の混合溶媒)のスラリーを調製してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約125μm、幅30mm、長さ30mmのアノ−ド電極を作製した。
(Comparative Example 1)
(1) Preparation of membrane electrode assembly (MEA) A catalyst powder in which 50 wt% of platinum / ruthenium alloy fine particles having an atomic ratio of platinum to ruthenium of 1/1 are dispersed and supported on a carbon support and a 30 wt% polyperfluorosulfonic acid electrolyte. A slurry of a water / alcohol mixed solvent (a mixed solvent of water, isopropanol, and normal propanol in a weight ratio of 20:40:40) was prepared as a binder, and the thickness was about 125 μm, width 30 mm, and length on a polyimide film by screen printing. An anode electrode having a thickness of 30 mm was produced.

次に、前記カソード用触媒(1)と30wt%ポリパーフルオロスルホン酸をバインダとして水/アルコール混合溶媒のスラリーを調製してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約20μm、幅30mm、長さ30mmのカソ−ド電極を作製した。アノ−ド電極表面に5重量%のポリパーフルオロスルホン酸アルコール水溶液(水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20:40:40の混合溶媒)を約0.5ml浸透させた後に実施例1の(4)で作製したスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜に接合し、約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥した。   Next, a slurry of a water / alcohol mixed solvent is prepared using the cathode catalyst (1) and 30 wt% polyperfluorosulfonic acid as a binder, and is about 20 μm in thickness, 30 mm in width and length on a polyimide film by a screen printing method. A 30 mm cathode electrode was prepared. After impregnating about 0.5 ml of a 5% by weight polyperfluorosulfonic acid alcohol aqueous solution (a mixed solvent of water, isopropanol, and normal propanol at a weight ratio of 20:40:40) on the surface of the anode electrode, It was joined to the sulfomethylated polyethersulfone electrolyte membrane prepared in (4), and dried at 80 ° C. for 3 hours under a load of about 1 kg.

次にカソ−ド電極表面に5重量%のポリパーフルオロスルホン酸の1−プロパノール、2−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約0.5ml浸透させた後に前記高分子電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥することによってMEA(II)を作製した。
これと実施例1で作製した親水化カーボンクロスをアノード拡散層に、撥水化カーボンクロスをカソード拡散層に用いた。
Next, about 0.5 ml of a mixed solvent of 1% propanol, 2-propanol and methoxyethanol of 5% by weight of polyperfluorosulfonic acid was infiltrated on the surface of the cathode electrode, and then joined to the polymer electrolyte membrane first. It joined so that it might overlap with an anode layer, and about 1 kg of load was applied, and it dried at 80 degreeC for 3 hours, and produced MEA (II).
This and the hydrophilic carbon cloth produced in Example 1 were used for the anode diffusion layer, and the water repellent carbon cloth was used for the cathode diffusion layer.

(2)燃料電池(DMFC)の発電性能
図4に示す高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付MEA(II)を組み込んで電池性能を測定した。燃料としてアノードに濃度3wt%のメタノール水溶液を循環させ、カソードに空気を供給した。50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転した。運転開始10時間後の。50mA/cm2のとき、出力電圧は440mVであった。引き続き50mA/cm2の負荷400時間稼動後に出力電圧は242mVに低下した。
(2) Power generation performance of fuel cell (DMFC) The MEA (II) with diffusion layer was incorporated into the polymer fuel cell power generator single cell shown in FIG. 4 to measure the battery performance. As a fuel, an aqueous methanol solution having a concentration of 3 wt% was circulated through the anode, and air was supplied to the cathode. Continuous operation was performed at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2 . 10 hours after the start of operation. At 50 mA / cm 2 , the output voltage was 440 mV. Subsequently, the output voltage dropped to 242 mV after 400 hours of operation at a load of 50 mA / cm 2 .

以上のことから、アノード電極の高分子電解質バインダとして炭化水素系電解質を用い、カソード電極の高分子電解質バインダとしてフッ素系電解質を用いたMEAを組み込んだ燃料電池は、アノード電極及びカソード電極の高分子電解質バインダとしてフッ素系電解質を用いたMEAを組み込んだ燃料電池と異なり、長期間安定な出力が得られることが分かる。   From the above, a fuel cell incorporating a MEA using a hydrocarbon electrolyte as a polymer electrolyte binder for an anode electrode and a fluorine electrolyte as a polymer electrolyte binder for a cathode electrode is a polymer of the anode electrode and the cathode electrode. It can be seen that, unlike a fuel cell incorporating an MEA using a fluorine-based electrolyte as an electrolyte binder, a stable output can be obtained for a long time.

(比較例2)
(1)膜電極接合体(MEA)の作製
カソード電極の高分子電解質を実施例1の(5)記載のスルホメチル基の導入率{(式2)における全構造単位(x及びyの合計)対するルホメチル基の導入された構造単位の割合}が41%であるスルホメチル化ポリエーテルスルホンである炭化水素系電解質に替え、カソード電極を高分子電解質膜に接合する際の高分子電解質を実施例1の(5)記載のスルホメチル基の導入率{(式2)における全構造単位(x及びyの合計)対するルホメチル基の導入された構造単位の割合}が41%であるスルホメチル化ポリエーテルスルホンである炭化水素系電解質に替えた以外、全く実施例1と同様にしてMEA(III)を製作した。
(Comparative Example 2)
(1) Production of Membrane / Electrode Assembly (MEA) The polymer electrolyte of the cathode electrode is the introduction rate of sulfomethyl group described in (5) of Example 1 {total structural units (total of x and y) in (Formula 2)] The polymer electrolyte for joining the cathode electrode to the polymer electrolyte membrane was replaced with a hydrocarbon electrolyte that was a sulfomethylated polyethersulfone having a ratio of rufomethyl groups introduced therein of 41%. (5) A sulfomethylated polyethersulfone having a sulfomethyl group introduction rate {the ratio of structural units having a sulfomethyl group introduced to the total structural units (total of x and y) in (Formula 2)} of 41% in (Formula 2) MEA (III) was produced in the same manner as in Example 1 except that the hydrocarbon electrolyte was used.

(2)燃料電池(DMFC)の発電性能
図4に示す高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付MEA(II)を組み込んで電池性能を測定した。燃料としてアノードに濃度3wt%のメタノール水溶液を循環させ、カソードに空気を供給した。50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転した。運転開始10時間後の50mA/cm2のとき、出力電圧は440mVであった。引き続き50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転し400時間稼動後に出力電圧は0mVに低下した。
(2) Power generation performance of fuel cell (DMFC) The MEA (II) with diffusion layer was incorporated into the polymer fuel cell power generator single cell shown in FIG. 4 to measure the battery performance. As a fuel, an aqueous methanol solution having a concentration of 3 wt% was circulated through the anode, and air was supplied to the cathode. Continuous operation was performed at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2 . At 50 mA / cm 2 10 hours after the start of operation, the output voltage was 440 mV. Subsequently, continuous operation was performed at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2. After 400 hours of operation, the output voltage decreased to 0 mV.

以上のことから、アノード電極の高分子電解質バインダとして炭化水素系電解質を用い、カソード電極の高分子電解質バインダとしてフッ素系電解質を用いたMEAを組み込んだ燃料電池は、アノード電極及びカソード電極の高分子電解質バインダとして炭化水素系電解質を用いたMEAを組み込んだ燃料電池と異なり、長期間安定な出力が得られることが分かる。   From the above, a fuel cell incorporating a MEA using a hydrocarbon electrolyte as a polymer electrolyte binder for an anode electrode and a fluorine electrolyte as a polymer electrolyte binder for a cathode electrode is a polymer of the anode electrode and the cathode electrode. It can be seen that, unlike a fuel cell incorporating an MEA using a hydrocarbon electrolyte as an electrolyte binder, a stable output can be obtained for a long time.

(実施例2)
カソード電極の厚さを10μmにした以外、全く実施例1と同じ膜電極接合体(MEA)を作製し、図4に示す単セルに組み込み、50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転した。その結果、連続運転10時間後の出力は451mV、連続運転2,000時間後の出力は374mVであった。カソード電極の厚さを10μmにしたMEAの初期の出力は、カソード電極の厚さを20μmとした場合より高いが、長時間経過すると逆に低くなっていることが分かる。
(Example 2)
A membrane electrode assembly (MEA) exactly the same as that of Example 1 except that the thickness of the cathode electrode was changed to 10 μm was produced, incorporated in the single cell shown in FIG. 4, and continuously applied at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2. Drove. As a result, the output after 10 hours of continuous operation was 451 mV, and the output after 2,000 hours of continuous operation was 374 mV. It can be seen that the initial output of the MEA with the cathode electrode thickness of 10 μm is higher than that when the cathode electrode thickness is 20 μm, but it becomes lower after a long time.

(実施例3)
(1)親水処理カーボンペーパー1の作製
厚さ約150μm、空隙率87%のカーボンペーパーを発煙硫酸(濃度60%)に浸たし、窒素気流下2日間60℃の温度に保持した。次いで、フラスコの温度を室温迄冷却した。発煙硫酸を除去し、カーボンペーパーを蒸留水が中性になるまでよく洗浄した。次いで、メタノールに浸漬、乾燥した。得られた親水処理カーボンペーパー1の赤外線分光吸収スペクトルの1225cm-1及び1413cm-1に−OSO3H基に基づく吸収が認められた。又、1049cm-1に−OH基に基づく吸収が認められた。このことから、カーボンペーパーの表面に−OSO3H基や−OH基が導入され、発煙硫酸処理されていないカーボンペーパーとメタノール水溶液との接触角が81°より小さく、親水性であった。又、導電性にも優れていた。
(Example 3)
(1) Production of hydrophilic treated carbon paper 1 Carbon paper having a thickness of about 150 μm and a porosity of 87% was immersed in fuming sulfuric acid (concentration 60%) and kept at a temperature of 60 ° C. for 2 days under a nitrogen stream. The flask temperature was then cooled to room temperature. The fuming sulfuric acid was removed and the carbon paper was washed well until the distilled water was neutral. Subsequently, it was immersed in methanol and dried. To 1225 cm -1 and 1413cm -1 of the resulting hydrophilic treatment infrared absorption spectrum of the carbon paper 1 absorption based on -OSO 3 H group was observed. Absorption based on the —OH group was observed at 1049 cm −1 . Therefore, the introduction of -OSO 3 H groups and -OH groups on the surface of the carbon paper, the contact angle between the carbon paper and the aqueous methanol solution is not fuming sulfuric acid treatment is less than 81 °, were hydrophilic. Moreover, it was excellent also in electroconductivity.

(2)膜電極接合体(MEA)の作製
アノードの拡散層に前記親水処理カーボンペーパー1を用い、カソード電極の厚さを表1記載のように、20μmとした以外実施例1と同じくして膜電極接合体(MEA)を作製した。
(2) Production of Membrane Electrode Assembly (MEA) Same as Example 1 except that the hydrophilic carbon paper 1 was used for the diffusion layer of the anode and the thickness of the cathode electrode was 20 μm as shown in Table 1. A membrane electrode assembly (MEA) was produced.

(3)燃料電池(DMFC)の発電性能
図4に示す高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付MEAを組み込んで電池性能を測定した。燃料としてアノードに濃度3wt%のメタノール水溶液を循環させ、カソードに空気を供給した。50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転した。運転開始10時間後と2000時間後の電流密度50mA/cm2の負荷持の出力電圧を表1に示す。
(3) Power generation performance of fuel cell (DMFC) Using the polymer fuel cell power generator single cell shown in FIG. 4, the MEA with diffusion layer was incorporated to measure battery performance. As a fuel, an aqueous methanol solution having a concentration of 3 wt% was circulated through the anode, and air was supplied to the cathode. Continuous operation was performed at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2 . Table 1 shows the output voltage with a load having a current density of 50 mA / cm 2 after 10 hours and 2000 hours from the start of operation.

カソード電極が薄いほど運転開始直後の発電出力は良好である。一方、2,000時間後の出力はカソード電極が薄いと低下する傾向がある。カソード電極の厚さとして20μm〜50μmが好ましい。   The thinner the cathode electrode, the better the power output immediately after the start of operation. On the other hand, the output after 2,000 hours tends to decrease when the cathode electrode is thin. The thickness of the cathode electrode is preferably 20 μm to 50 μm.

(実施例4)
(1)ポリオレフィン多孔質膜の作製
重量平均分子量が2.5×106の超高分子量ポリエチレン3重量部と、重量平均分子量6.8×105の高密度ポリエチレン14重量部とを混合した原料樹脂と、流動パラフィン83重量部とを混合し、ポリエチレン組成物の溶液を調製した。次に、このポリエチレン組成物の溶液100重量部に、酸化防止剤0.375重量部を混合した。この混合液を攪拌機付きのオートクレーブに充填して200℃で90分間攪拌し、均一な溶液を得た。この溶液を直径45mmの押出機により、200℃のTダイから押し出し、20℃に冷却した冷却ロールで引き取りながら厚さ1.8mmのゲル状シートを形成した。得られたシートを二軸延伸機にセットし、温度105℃、製膜速度5m/分で5×5倍に同時二軸延伸を行った。
Example 4
(1) Production of polyolefin porous membrane A raw material obtained by mixing 3 parts by weight of ultrahigh molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight of 2.5 × 10 6 and 14 parts by weight of high density polyethylene having a weight average molecular weight of 6.8 × 10 5 The resin and 83 parts by weight of liquid paraffin were mixed to prepare a polyethylene composition solution. Next, 0.375 parts by weight of an antioxidant was mixed with 100 parts by weight of this polyethylene composition solution. This mixed solution was filled in an autoclave equipped with a stirrer and stirred at 200 ° C. for 90 minutes to obtain a uniform solution. This solution was extruded from a T die at 200 ° C. by an extruder having a diameter of 45 mm and taken up by a cooling roll cooled to 20 ° C., thereby forming a gel sheet having a thickness of 1.8 mm. The obtained sheet was set in a biaxial stretching machine, and simultaneous biaxial stretching was performed 5 × 5 times at a temperature of 105 ° C. and a film forming speed of 5 m / min.

得られた延伸膜を塩化メチレンで洗浄して残留する流動パラフィンを抽出除去した。室温で乾燥した後、90℃で30秒間熱固定処理して厚さ20μm、空孔率40%のポリオレフィン多孔質膜1を得た。なお、空孔率はフィルムの単位面積S(cm2)あたりの重量W(g)、平均厚みt(μm)および密度d(g/cm3)から下式〔1〕により算出した値を使用した。 The obtained stretched membrane was washed with methylene chloride to extract and remove the remaining liquid paraffin. After drying at room temperature, heat setting was performed at 90 ° C. for 30 seconds to obtain a polyolefin porous membrane 1 having a thickness of 20 μm and a porosity of 40%. For the porosity, the value calculated by the following formula [1] from the weight W (g) per unit area S (cm 2 ), the average thickness t (μm) and the density d (g / cm 3 ) of the film is used. did.

このポリオレフィン多孔質膜1の熱収縮率は10cm角の試料を105℃で8時間無張力の状態で静置して測定したところ、縦方向の熱収縮率が25%、横方向の熱収縮率が19%であった。 The heat shrinkage rate of the polyolefin porous membrane 1 was measured by standing a 10 cm square sample in a state of no tension at 105 ° C. for 8 hours. The heat shrinkage rate in the vertical direction was 25% and the heat shrinkage rate in the horizontal direction. Was 19%.

(2)高分子電解質複合膜の製膜
高分子電解質複合膜の作製に先立って、実施例1の(3)で作製したスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質をN,N−ジメチルアセトアミドに溶解して25重量%の高分子電解質溶液を調製した。この溶液を上記ポリオレフィン多孔質膜1に含浸させ、ガラス基板上で高分子電解質溶液を流延塗布した。その後、80℃で30分間、次いで120℃で30分間加熱乾燥して溶液中の溶媒を除去してポリオレフィン多孔質膜1の両側にスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質がコートされ、ポリオレフィン多孔質膜1の空孔内がスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質で埋まった高分子電解質複合膜1を作製した。得られた高分子電解質複合膜1の膜厚は40μmであった。
(2) Formation of polymer electrolyte composite membrane Prior to the preparation of the polymer electrolyte composite membrane, the sulfomethylated polyethersulfone electrolyte prepared in (1) of Example 1 was dissolved in N, N-dimethylacetamide and 25 A weight% polyelectrolyte solution was prepared. The polyolefin porous membrane 1 was impregnated with this solution, and a polymer electrolyte solution was cast on a glass substrate. Thereafter, the solvent in the solution is removed by heating and drying at 80 ° C. for 30 minutes, and then at 120 ° C. for 30 minutes to coat the polyolefin porous membrane 1 with a sulfomethylated polyethersulfone electrolyte. A polymer electrolyte composite membrane 1 in which the pores were filled with a sulfomethylated polyethersulfone electrolyte was produced. The film thickness of the obtained polymer electrolyte composite membrane 1 was 40 μm.

(3)親水処理カーボンペーパー2の作製
分子量20,000のポリエチレングリコール1重量部をテトラヒドロフラン297重量部に加え、50℃に加温しながら攪拌,溶解した。アミノ基とアルコキシシラン残基の両方を有する、チッソ株式会社製サイラエースS330を2重量部加えて攪拌し、親水塗膜形成用塗料を調製した。この塗料に酸素プラズマ処理した厚さ約150μm、空隙率87%のカーボンペーパーを約5分間浸漬したのち、該カーボンペーパーを塗料から取り出して100℃、20分間加熱処理し、親水処理カーボンペーパー2を得た。
(3) Preparation of hydrophilic treated carbon paper 2 1 part by weight of polyethylene glycol having a molecular weight of 20,000 was added to 297 parts by weight of tetrahydrofuran, and the mixture was stirred and dissolved while heating at 50 ° C. 2 parts by weight of Silaace S330 manufactured by Chisso Corporation having both an amino group and an alkoxysilane residue was added and stirred to prepare a paint for forming a hydrophilic coating film. After immersing carbon paper having a thickness of about 150 μm and a porosity of 87% in this paint for about 5 minutes, the carbon paper was taken out of the paint and heat-treated at 100 ° C. for 20 minutes to obtain hydrophilic treated carbon paper 2. Obtained.

(4)膜電極接合体(MEA)の作製
高分子電解質膜として前記高分子電解質複合膜1を用い、アノード拡散層として前記親水処理カーボンペーパー2を使用した以外、全く実施例3と同様にして膜電極接合体(MEA)を作製した。
(4) Production of Membrane / Electrode Assembly (MEA) Except that the polymer electrolyte composite membrane 1 was used as a polymer electrolyte membrane and the hydrophilic carbon paper 2 was used as an anode diffusion layer, exactly the same as in Example 3. A membrane electrode assembly (MEA) was produced.

(5)燃料電池(DMFC)の発電性能
図4に示す高分子形燃料電池発電装置単セルを用い、前記拡散層付MEAを組み込んで電池性能を測定した。燃料としてアノードに濃度3wt%のメタノール水溶液を循環させ、カソードに空気を供給した。50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転した。運転開始10時間後と2,000時間後の電流密度50mA/cm2の負荷持の出力電圧を表1に示す。
(5) Power generation performance of fuel cell (DMFC) Using the polymer fuel cell power generator single cell shown in FIG. 4, the MEA with diffusion layer was incorporated to measure the battery performance. As a fuel, an aqueous methanol solution having a concentration of 3 wt% was circulated through the anode, and air was supplied to the cathode. Continuous operation was performed at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2 . Table 1 shows the output voltage of a load having a current density of 50 mA / cm 2 after 10 hours and 2,000 hours from the start of operation.

カソード電極が薄いほど運転開始直後の発電出力は良好である。一方、2000時間後の出力はカソード電極が薄いと低下する傾向がある。カソード電極の厚さとして15μm〜50μmが好ましい。   The thinner the cathode electrode, the better the power output immediately after the start of operation. On the other hand, the output after 2000 hours tends to decrease when the cathode electrode is thin. The thickness of the cathode electrode is preferably 15 μm to 50 μm.

また、実施例3と実施例4を比較すると、高分子電解質膜としては、高分子電解質複合膜の方が優れていることが分かる。   Further, comparing Example 3 and Example 4, it can be seen that the polymer electrolyte composite membrane is superior as the polymer electrolyte membrane.

(実施例5)
高分子電解質膜の成膜において、ポリオレフィン多孔質膜1のアノード側にスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質をコートし、ポリオレフィン多孔質膜1のカソード側に30wt%ポリパーフルオロスルホン酸電解質バインダの水/アルコール混合溶媒(水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20:40:40の混合溶媒)をコートした。それ以外は、実施例4と全く同じ実験を行い、MEAを作製し、図4に示す高分子形燃料電池発電装置単セルを用い、前記拡散層付MEAを組み込んで電池性能を測定した。燃料としてアノードに3wt%のメタノール水溶液を循環させ、カソードに空気を供給した。50mA/cm2の負荷をかけながら60℃で連続運転した。運転開始10時間後と2,000時間後の電流密度50mA/cm2の負荷持の出力電圧を表2に示す。尚、表2には実施例4も比較のために併記した。
(Example 5)
In the formation of a polymer electrolyte membrane, a sulfomethylated polyethersulfone electrolyte is coated on the anode side of the polyolefin porous membrane 1, and a water / alcohol of a 30 wt% polyperfluorosulfonic acid electrolyte binder is coated on the cathode side of the polyolefin porous membrane 1. A mixed solvent (water, isopropanol, and normal propanol in a weight ratio of 20:40:40) was coated. Except that, the same experiment as in Example 4 was performed to prepare an MEA, and the battery performance was measured by incorporating the MEA with a diffusion layer using the polymer fuel cell power generator single cell shown in FIG. As a fuel, a 3 wt% aqueous methanol solution was circulated to the anode, and air was supplied to the cathode. Continuous operation was performed at 60 ° C. while applying a load of 50 mA / cm 2 . Table 2 shows the output voltage of a load having a current density of 50 mA / cm 2 after 10 hours and 2,000 hours from the start of operation. In Table 2, Example 4 is also shown for comparison.

表2の実施例5と実施例4を比較すると、高分子電解質膜としてアノードに炭化水素系電解質膜を、カソードにフッ素系電解質膜を用いた高分子電解質複合膜は、アノード及びカソード共に炭化水素系電解質膜を用いた高分子電解質複合膜より耐久性が優れていることが分かる。 When Example 5 and Example 4 in Table 2 are compared, the polymer electrolyte composite membrane using the hydrocarbon electrolyte membrane for the anode as the polymer electrolyte membrane and the fluorine electrolyte membrane for the cathode is the hydrocarbon for both the anode and the cathode. It can be seen that the durability is superior to the polymer electrolyte composite membrane using the system electrolyte membrane.

(実施例6)、(実施例7)
カソード電極及びアノード電極の高分子電解質としてフッ素系電解質のNafionを用い、実施例5と同じ実験をした結果を表2の実施例6に、カソード電極、アノード電極の高分子電解質として炭化水素系電解質のSM−PESを用い、実施例5と同じ実験をした結果を表2の実施例7に示す。
(Example 6), (Example 7)
The results of the same experiment as in Example 5 using a fluorine-based electrolyte Nafion as the polymer electrolyte for the cathode and anode electrodes are shown in Example 6 in Table 2, and the hydrocarbon electrolyte as the polymer electrolyte for the cathode and anode electrodes. Table 7 shows the results of the same experiment as in Example 5 using SM-PES.

実施例6と比較例1を比較すると、カソード電極及びアノード電極の高分子電解質としてフッ素系電解質を用いた場合、高分子電解質膜としてアノ−ドに炭化水素系電解質膜を、カソードにフッ素系電解質膜を用いた高分子電解質複合膜の方が、高分子電解質として炭化水素系電解質を用いるよりも耐久性が優れていることが分かる。   When Example 6 and Comparative Example 1 are compared, when a fluorine-based electrolyte is used as the polymer electrolyte of the cathode electrode and the anode electrode, a hydrocarbon-based electrolyte membrane is used as the polymer electrolyte membrane, and a fluorine-based electrolyte is used as the cathode. It can be seen that the polymer electrolyte composite membrane using the membrane is more durable than using a hydrocarbon electrolyte as the polymer electrolyte.

また、実施例7と比較例2を比較すると、カソード電極及びアノード電極の高分子電解質として炭化水素系電解質を用いた場合、高分子電解質膜としてアノードに炭化水素系電解質膜を、カソードにフッ素系電解質膜を用いた高分子電解質複合膜の方が、高分子電解質として炭化水素系電解質膜を用いるよりも耐久性が優れていることが分かる。   Further, when Example 7 and Comparative Example 2 are compared, when a hydrocarbon-based electrolyte is used as the polymer electrolyte of the cathode electrode and the anode electrode, a hydrocarbon-based electrolyte membrane is used as the polymer electrolyte membrane on the anode and a fluorine-based electrolyte is used on the cathode. It can be seen that the polymer electrolyte composite membrane using the electrolyte membrane is superior in durability to using a hydrocarbon electrolyte membrane as the polymer electrolyte.

本発明の実施例によれば、膜電極接合体の高分子電解質膜として炭化水素系電解質膜を用いた場合、アノード電極の高分子電解質バインダとして炭化水素系電解質を用いることにより炭化水素系電解質膜とアノード電極との接着が強固になり、カソード電極の高分子電解質バインダとしてフッ素系電解質を用いることによりカソード電極中の高分子電解質バインダの劣化が少なくなり、燃料電池による発電を安定して長時間行うことができる。   According to the embodiment of the present invention, when a hydrocarbon electrolyte membrane is used as the polymer electrolyte membrane of the membrane electrode assembly, the hydrocarbon electrolyte membrane is used by using the hydrocarbon electrolyte as the polymer electrolyte binder of the anode electrode. Adhesion between the anode and the anode is strengthened, and the use of a fluorine-based electrolyte as the polymer electrolyte binder for the cathode electrode reduces the deterioration of the polymer electrolyte binder in the cathode electrode, enabling stable and long-term power generation by the fuel cell. It can be carried out.

また、膜電極接合体の高分子電解質膜としてアノード側に炭化水素系電解質膜をカソード側にフッ素系電解質膜を用いた高分子電解質複合膜が、炭化水素系電解質膜或いは高分子電解質膜としてアノードに炭化水素系電解質膜を、カソード側にフッ素系電解質膜を用いた高分子電解質複合膜よりも耐久性が優れ、燃料電池による発電を安定して長時間行うことができる。   In addition, a polymer electrolyte composite membrane using a hydrocarbon electrolyte membrane on the anode side as a polymer electrolyte membrane of a membrane electrode assembly and a fluorine electrolyte membrane on the cathode side is used as a hydrocarbon electrolyte membrane or an anode as a polymer electrolyte membrane. In addition, it is more durable than a polymer electrolyte composite membrane using a hydrocarbon-based electrolyte membrane and a fluorine-based electrolyte membrane on the cathode side, and power generation by a fuel cell can be performed stably for a long time.

本発明の実施例による膜電極接合体を用いた直接メタノール方式の燃料電池電源システムを二次電池搭載の携帯電話機、携帯用パーソナルコンピュータ、携帯用オーデイオ、ビジュアル機器、その他の携帯用情報端末に付設するバッテリーチャージャーとして用いる、或いは二次電池を搭載することなく直接内蔵電源とすることによってこれらの電子機器は長時間使用が可能となり、燃料の補給によって連続使用が可能となる。また、本発明による膜電極接合体を用い、水素を燃料とした高分子形燃料電池は家庭用及び業務用コジェネレーション分散電源、移動体用の燃料電池電源として長時間使用が可能となり、燃料の補給によって連続使用が可能となる。   A direct methanol fuel cell power supply system using a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention is attached to a mobile phone equipped with a secondary battery, a portable personal computer, a portable audio device, a visual device, and other portable information terminals. These electronic devices can be used for a long time by being used as a battery charger or by directly using a built-in power supply without mounting a secondary battery, and can be used continuously by refueling. In addition, the polymer fuel cell using the membrane electrode assembly according to the present invention and using hydrogen as fuel can be used for a long period of time as a fuel cell power source for household and commercial cogeneration distributed power sources and mobile units. Continuous use is possible by replenishment.

2.試験例
[試験例1]
(1−1) スルホン化ポリエーテルスルホン中に(4,4′−ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノールを導入したポリマーを合成し、溶媒を除去させた(以下ポリマーA)。
(1−2) 得られたポリマーAの数平均分子量は45000であり、ガラス転移点は260℃であった。スルホン基当量は1.5mmol/gであった。ポリマーA5gをエチレングリコールモノメチルエーテル45gに溶解させた。
(1−3)上記カソード用触媒(1) 1gをエチレングリコールモノメチルエーテル6gと混合・攪拌させ、溶媒中にカーボン粒子を分散させた後、(1−2)で得たポリマーAの溶液を1g加え、12時間混合させた。
2. Test Example [Test Example 1]
(1-1) A polymer in which (4,4′-hexafluoroisopropylidene) diphenol was introduced into sulfonated polyethersulfone was synthesized, and the solvent was removed (hereinafter referred to as polymer A).
(1-2) The number average molecular weight of the obtained polymer A was 45000, and the glass transition point was 260 ° C. The sulfone group equivalent was 1.5 mmol / g. 5 g of polymer A was dissolved in 45 g of ethylene glycol monomethyl ether.
(1-3) 1 g of the above catalyst for cathode (1) was mixed and stirred with 6 g of ethylene glycol monomethyl ether to disperse the carbon particles in the solvent, and then 1 g of the polymer A solution obtained in (1-2) was used. Added and mixed for 12 hours.

(1−4) (1−3)で得た触媒スラリーを真空乾燥させ、乾燥物をメノウ乳鉢で粉砕,微粒子化した。
(1−5) スルホアルキル化ポリエーテルスルホンを合成した(以下ポリマーB)。ポリマーBの数平均分子量は100,700であり、ガラス転移点は290℃であった。スルホン基当量は1.7mmol/gであった。
(1−6) ポリマーB5gをエチレングリコールモノメチルエーテル45gに溶解させた。
(1−7) (1−4)で得た粉末1.1gをn−プロパノール,iso−プロパノール混合溶液6gに分散させた後、(1−5)で得られたポリマーB溶液1gを加え、混合した。この触媒スラリーと同組成の溶媒をポリマーAと混合し、24時間以上放置したがポリマーAの溶解は見られなかった。
(1-4) The catalyst slurry obtained in (1-3) was vacuum-dried, and the dried product was pulverized into fine particles in an agate mortar.
(1-5) A sulfoalkylated polyethersulfone was synthesized (hereinafter referred to as polymer B). The number average molecular weight of the polymer B was 100,700, and the glass transition point was 290 ° C. The sulfone group equivalent was 1.7 mmol / g.
(1-6) 5 g of polymer B was dissolved in 45 g of ethylene glycol monomethyl ether.
(1-7) After 1.1 g of the powder obtained in (1-4) was dispersed in 6 g of a mixed solution of n-propanol and iso-propanol, 1 g of the polymer B solution obtained in (1-5) was added, Mixed. A solvent having the same composition as the catalyst slurry was mixed with polymer A and allowed to stand for 24 hours or more, but dissolution of polymer A was not observed.

(1−8) (1−7)で得た触媒スラリーをスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質膜上に塗布し、カソード電極とした。
アノード電極にはPtRu金属をカーボンブラックに担持した触媒粉末(田中貴金属工業製,TEC61E54)を使った電極触媒層を有する電極を用いた。
ホットプレスにより膜電極接合体を作製した。ホットプレス温度は120℃、プレス圧力は80kg/cm2とした。
(1-8) The catalyst slurry obtained in (1-7) was applied on a sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte membrane to obtain a cathode electrode.
As the anode electrode, an electrode having an electrode catalyst layer using a catalyst powder (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which PtRu metal is supported on carbon black was used.
A membrane electrode assembly was produced by hot pressing. The hot pressing temperature was 120 ° C. and the pressing pressure was 80 kg / cm 2 .

(1−9) 以上のようにして作製した電極を、冷却ミクロトーム装置を用いて薄片化し、走査型透過電子顕微鏡(STEM)で観察を行う。エネルギー分散型X線分光(EDX)を用いたフッ素(F)元素と硫黄(S)元素の存在をマッピングすることにより、アノード電極中のポリマーA(F元素含有),B(S元素を多く含有)の分散状態を調査する。触媒担持カーボン最表面にF元素が偏在し、カーボン構造体内の細孔からもF元素が観測される。また、F元素が偏在した領域の周りにS元素が多く存在することが確認される。この結果より、F元素を含むポリマーAがカーボン粒子表面に位置し細孔内部まで侵入し、S元素を多く含むポリマーBがその上を覆った構造となっていることが確認できる。 (1-9) The electrode produced as described above is sliced using a cooling microtome device and observed with a scanning transmission electron microscope (STEM). By mapping the presence of fluorine (F) and sulfur (S) elements using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), polymers A (containing F element) and B (containing a large amount of S element) in the anode electrode ) Is investigated. The F element is unevenly distributed on the outermost surface of the catalyst-supporting carbon, and the F element is also observed from the pores in the carbon structure. It is also confirmed that there are many S elements around the region where the F elements are unevenly distributed. From this result, it can be confirmed that the polymer A containing the F element is located on the surface of the carbon particles and penetrates into the pores, and the polymer B containing a lot of the S element covers it.

[試験例2]
(2−1) 前記(1−7)においてポリマーBの溶液を2g添加すること以外は実施例1と同様に作製した。
(2−2) 以上のようにして作製した電極を、冷却ミクロトーム装置を用いて薄片化し、STEMで元素マッピングすることにより、ポリマーA(F元素含有)がカーボン粒子表面に偏在し、ポリマーB(S元素含有)がその上を覆った構造となっていることが確認できる。また、試験例1と比較し、F元素の偏在領域が大きく観察される。
[Test Example 2]
(2-1) Prepared in the same manner as in Example 1 except that 2 g of the polymer B solution was added in (1-7).
(2-2) The electrode produced as described above is sliced using a cooling microtome device, and element mapping is performed with STEM, whereby polymer A (containing F element) is unevenly distributed on the surface of the carbon particles, and polymer B ( It can be confirmed that the structure is covered with the S element containing). In addition, compared with Test Example 1, an unevenly distributed region of the F element is observed.

[比較試験例1]
(3−1) (1−2)で得たポリマーAの溶液と(1−5)で得たポリマーBの溶液を同重量で混合した。
(3−2)上記カソード用触媒(1)1gをエチレングリコールモノメチルエーテル6gと混合・攪拌させ、溶媒中にカーボン粒子を分散させた後、(3−1)で得たポリマーAとBの溶液を2g加え、12時間混合させた。
(3−3) (3−2)で得た触媒スラリーをスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質膜上に塗布し、カソード電極とした。アノード電極にはPtRu金属をカーボンブラックに担持した触媒粉末(田中貴金属工業製,TEC61E54)を使った電極触媒層を用いた。
ホットプレスにより膜電極接合体を作製した。ホットプレス温度は120℃、プレス圧力は80kg/cm2とした。
(3−4) 以上のようにして作製した電極を、冷却ミクロトーム装置を用いて薄片化し、STEMで観察を行う。EDXを用い、フッ素(F)と硫黄(S)の元素マッピングを行ったところ、触媒担持カーボン表面に均一にFとSが分散しており、電極中でのポリマーAとBとが均一に混合していることがわかる。
[Comparative Test Example 1]
(3-1) The polymer A solution obtained in (1-2) and the polymer B solution obtained in (1-5) were mixed at the same weight.
(3-2) 1 g of the above catalyst for cathode (1) is mixed and stirred with 6 g of ethylene glycol monomethyl ether to disperse carbon particles in a solvent, and then a solution of polymers A and B obtained in (3-1). 2 g was added and mixed for 12 hours.
(3-3) The catalyst slurry obtained in (3-2) was applied on a sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte membrane to obtain a cathode electrode. As the anode electrode, an electrode catalyst layer using a catalyst powder (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which PtRu metal was supported on carbon black was used.
A membrane electrode assembly was produced by hot pressing. The hot pressing temperature was 120 ° C. and the pressing pressure was 80 kg / cm 2 .
(3-4) The electrode produced as described above is sliced using a cooling microtome device, and observed with a STEM. When element mapping of fluorine (F) and sulfur (S) was performed using EDX, F and S were uniformly dispersed on the surface of the catalyst-carrying carbon, and the polymers A and B in the electrode were uniformly mixed. You can see that

[比較試験例2]
(4−1)上記カソード用触媒(1) 1gをエチレングリコールモノメチルエーテル6gと混合・攪拌させ、溶媒中にカーボン粒子を分散させた後、(1−2)で得たポリマーAの溶液を2g加え、12時間混合させた。
(4−2) (4−1)で得た触媒スラリーを真空乾燥させ、乾燥物をメノウ乳鉢で粉砕,微粒子化した。
(4−3) (4−2)で得た粉末1.2gをn−プロパノール,iso−プロパノール混合溶液6gに分散させ、混合した。
(4−4) (4−3)で得た触媒スラリーをスルホアルキル化ポリエーテルスルホン電解質膜上に塗布し、カソード電極とした。アノード電極にはPtRu金属をカーボンブラックに担持した触媒粉末(田中貴金属工業製,TEC61E54)を使った電極触媒層を用いた。ホットプレスにより膜電極接合体を作製した。ホットプレス温度は120℃、プレス圧力は80kg/cm2とした。
[Comparative Test Example 2]
(4-1) 1 g of the above catalyst for cathode (1) was mixed and stirred with 6 g of ethylene glycol monomethyl ether to disperse the carbon particles in the solvent, and then 2 g of the polymer A solution obtained in (1-2) was added. Added and mixed for 12 hours.
(4-2) The catalyst slurry obtained in (4-1) was vacuum-dried, and the dried product was pulverized into fine particles in an agate mortar.
(4-3) 1.2 g of the powder obtained in (4-2) was dispersed in 6 g of a mixed solution of n-propanol and iso-propanol and mixed.
(4-4) The catalyst slurry obtained in (4-3) was applied on a sulfoalkylated polyethersulfone electrolyte membrane to obtain a cathode electrode. As the anode electrode, an electrode catalyst layer using a catalyst powder (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which PtRu metal was supported on carbon black was used. A membrane electrode assembly was produced by hot pressing. The hot pressing temperature was 120 ° C. and the pressing pressure was 80 kg / cm 2 .

〔考察〕
試験例1〜2,比較試験例1〜2で作製した膜電極接合体を集電板で挟み込み、アノード側に水素,カソード側に窒素を流し、カソード触媒層中のPtの有効表面積を測定した。その結果を表3にまとめる。
[Discussion]
The membrane electrode assemblies produced in Test Examples 1 and 2 and Comparative Test Examples 1 and 2 were sandwiched between current collector plates, hydrogen was supplied to the anode side and nitrogen was supplied to the cathode side, and the effective surface area of Pt in the cathode catalyst layer was measured. . The results are summarized in Table 3.

一方、ポリマーAとBを混合してアノード電極を作製した比較試験例1の有効触媒表面積は、試験例1,2や比較試験例2に比べて低いものとなった。これより分子量の小さなポリマーAを第一バインダと用いたアノード電極では触媒の有効利用がなされていることがいえる。 On the other hand, the effective catalyst surface area of Comparative Test Example 1 in which the anodes were prepared by mixing polymers A and B was lower than that of Test Examples 1 and 2 and Comparative Test Example 2. It can be said that the catalyst is effectively utilized in the anode electrode using the polymer A having a smaller molecular weight as the first binder.

本発明は、PEFCやDMFCに代表される燃料電池に利用可能である。   The present invention can be used for fuel cells represented by PEFC and DMFC.

Claims (4)

アノードとカソードと固体高分子電解質膜とを含み、前記固体高分子電解質膜が前記アノードと前記カソードとの間に挟まれた構成を有する電極膜接合体であって、
前記アノードおよびカソードは、触媒および高分子電解質バインダを含む電極触媒層を有し、
前記カソードに含まれる触媒は、触媒金属および触媒担体から構成される複合粒子からなる酸素還元触媒であり、
前記触媒担体が、遷移金属元素M1、M1以外の遷移金属元素M2、炭素、窒素および酸素を含み、
前記遷移金属元素M1、遷移金属元素M2、炭素、窒素および酸素の原子数の比(遷移金属元素M1:遷移金属元素M2:炭素:窒素:酸素)が(1−a):a:x:y:z(ただし、0<a≦0.5、0<x≦7、0<y≦2、0<z≦3である。)であり、
前記遷移金属元素M1が、チタン、ジルコニウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
前記触媒金属が白金、金、銅、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムおよびレニウム、並びにこれら2種以上の合金からなる群から選ばれる1種以上であり、
前記カソードに含まれる高分子電解質バインダおよびカソード側電解質膜の少なくとも一方がフッ素系電解質を含み、前記アノードに含まれる高分子電解質バインダおよびアノード側電解質膜の少なくとも一方が炭化水素系電解質を含む電極膜接合体。
An electrode membrane assembly comprising an anode, a cathode, and a solid polymer electrolyte membrane, wherein the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the anode and the cathode,
The anode and cathode have an electrocatalyst layer comprising a catalyst and a polymer electrolyte binder;
The catalyst contained in the cathode is an oxygen reduction catalyst composed of composite particles composed of a catalyst metal and a catalyst carrier,
The catalyst carrier includes transition metal elements M2 other than transition metal elements M1 and M1, carbon, nitrogen and oxygen;
The ratio of the number of atoms of transition metal element M1, transition metal element M2, carbon, nitrogen and oxygen (transition metal element M1: transition metal element M2: carbon: nitrogen: oxygen) is (1-a): a: x: y : Z (where 0 <a ≦ 0.5, 0 <x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, 0 <z ≦ 3),
The transition metal element M1 is at least one selected from the group consisting of titanium, zirconium, niobium and tantalum,
The catalytic metal is one or more selected from the group consisting of platinum, gold, copper, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, osmium and rhenium, and alloys of two or more thereof;
At least one of the polymer electrolyte binder and cathode side electrolyte membrane contained in the cathode contains a fluorine-based electrolyte, and at least one of the polymer electrolyte binder and anode side electrolyte membrane contained in the anode contains an electrode membrane containing a hydrocarbon electrolyte. Joined body.
前記遷移金属元素M2が、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、バナジウムおよびマンガンから選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the transition metal element M2 is at least one selected from iron, nickel, chromium, cobalt, vanadium, and manganese. 請求項1または2に記載の膜電極接合体を備える燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1. 前記アノードおよびカソードは、触媒と、該触媒を担持する触媒担体と、該触媒担体を覆う高分子電解質バインダとを含む電極触媒層を有し、
前記アノードおよびカソードの少なくとも一方に含まれる高分子電解質バインダは、重量平均分子量が異なる少なくとも二種類以上のプロトン伝導性樹脂を含み、前記高分子電解質バインダの前記触媒担体側部分に含まれるプロトン伝導性樹脂の重量平均分子量が、前記高分子電解質バインダの外側部分に含まれるプロトン伝導性樹脂の重量平均分子量よりも小さい請求項3に記載の燃料電池。
The anode and the cathode have an electrode catalyst layer including a catalyst, a catalyst carrier supporting the catalyst, and a polymer electrolyte binder covering the catalyst carrier,
The polymer electrolyte binder contained in at least one of the anode and the cathode contains at least two kinds of proton conductive resins having different weight average molecular weights, and the proton conductivity contained in the catalyst carrier side portion of the polymer electrolyte binder. The fuel cell according to claim 3, wherein the weight average molecular weight of the resin is smaller than the weight average molecular weight of the proton conductive resin contained in the outer portion of the polymer electrolyte binder.
JP2012163974A 2012-07-24 2012-07-24 Electrode membrane assembly and fuel cell Pending JP2014026743A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012163974A JP2014026743A (en) 2012-07-24 2012-07-24 Electrode membrane assembly and fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012163974A JP2014026743A (en) 2012-07-24 2012-07-24 Electrode membrane assembly and fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014026743A true JP2014026743A (en) 2014-02-06

Family

ID=50200237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012163974A Pending JP2014026743A (en) 2012-07-24 2012-07-24 Electrode membrane assembly and fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014026743A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU168869U1 (en) * 2016-03-28 2017-02-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН) HYDROGEN ELECTRODE FROM THIN MODIFIED PALLADIUM FILM
CN107073466A (en) * 2014-11-28 2017-08-18 昭和电工株式会社 Catalyst carrier and its manufacture method
JP2019530961A (en) * 2016-09-30 2019-10-24 バラード パワー システムズ インコーポレイテッド Cathode electrode design for electrochemical fuel cells
JP7426066B2 (en) 2019-10-04 2024-02-01 国立大学法人 東京大学 Electrolyte-electrode assembly for ammonia electrolytic synthesis

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107073466A (en) * 2014-11-28 2017-08-18 昭和电工株式会社 Catalyst carrier and its manufacture method
RU168869U1 (en) * 2016-03-28 2017-02-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН) HYDROGEN ELECTRODE FROM THIN MODIFIED PALLADIUM FILM
JP2019530961A (en) * 2016-09-30 2019-10-24 バラード パワー システムズ インコーポレイテッド Cathode electrode design for electrochemical fuel cells
JP7105226B2 (en) 2016-09-30 2022-07-22 バラード パワー システムズ インコーポレイテッド Cathode electrode design for electrochemical fuel cells
JP7426066B2 (en) 2019-10-04 2024-02-01 国立大学法人 東京大学 Electrolyte-electrode assembly for ammonia electrolytic synthesis

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5855023B2 (en) Method for producing catalyst carrier, method for producing composite catalyst, composite catalyst, and fuel cell using the same
CA3021498C (en) High activity alloy-based electrode catalyst, and membrane electrode assembly and fuel cell using high activity alloy-based electrode catalyst
JP6124891B2 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell including the same
CN103227333A (en) Composite, catalyst including the same, fuel cell and lithium air battery including the same
JPWO2015020079A1 (en) Catalyst particles and electrode catalyst, electrolyte membrane-electrode assembly and fuel cell using the same
Hyun et al. Tailoring catalyst layer structures for anion exchange membrane fuel cells by controlling the size of ionomer aggreates in dispersion
KR101880373B1 (en) Method for manufacturing electrocatalyst for fuel cell and use thereof
JP5255160B1 (en) Fuel cell electrode catalyst and method for producing the same
KR20210114052A (en) Fluid for fuel cells
JP2014026743A (en) Electrode membrane assembly and fuel cell
JP6040954B2 (en) Method for producing fuel cell catalyst
You et al. Platinum–antimony tin oxide nanoparticle as cathode catalyst for direct methanol fuel cell
JP2013116458A (en) Manufacturing method for catalyst carrier, manufacturing method for complex catalyst, complex catalyst and direct oxidation type fuel battery using the catalyst
JP2014026790A (en) Electrode membrane assembly and fuel cell
US9379390B2 (en) Process for producing catalyst for direct-liquid fuel cell, catalyst produced by the process and uses thereof
JP5916528B2 (en) Ink, electrode catalyst layer formed using the ink, and use thereof
JP2018081740A (en) Carbon powder for fuel cell, catalyst arranged by use thereof, electrode catalyst layer, membrane-electrode assembly and fuel cell
Ioroi et al. PEM-type water electrolysis/fuel cell reversible cell with low PGM catalyst loadings
Youn et al. Electrocatalysts for electrooxidation of methyl formate
Zhang et al. Facile synthesis of Nafion-stabilized iridium nanoparticles and their direct use for fuel cells and water electrolyzers
JP6862792B2 (en) Method of manufacturing electrode catalyst
JP6720611B2 (en) Method for manufacturing electrode catalyst
KR100721310B1 (en) Carbon supported electrocatalyst for polymer electrolyte membrane fuel cell and its fabrication method
JP2024016322A (en) catalyst
Martinaiou et al. Low Pt Loading Cathodes for Pemfcs Through the Use of A Nitrogen Functionalized Substrate