JP2014044940A - Ion conductivity-imparting agent, anode catalyst layer, membrane-electrode assembly formed using the catalyst layer, anion exchange membrane fuel cell, and method of operating the same - Google Patents

Ion conductivity-imparting agent, anode catalyst layer, membrane-electrode assembly formed using the catalyst layer, anion exchange membrane fuel cell, and method of operating the same Download PDF

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憲二 福田
Yoshiki Yoshikawa
由樹 吉川
Yohei Chikashige
陽平 近重
Masao Yamaguchi
真男 山口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion conductivity imparting-agent for an anode catalyst layer of an anion exchange membrane fuel cell, good in conformability of a hydrocarbon-based anion exchange membrane and an anode catalyst layer at a junction interface therebetween, and high in initial performance, and further to provide an ion conductivity-imparting agent hardly deteriorated in performance even after long-term use.SOLUTION: In an ion conductivity-imparting agent for use in forming an anode catalyst layer of an anion exchange membrane fuel cell, an ion conductivity-imparting agent comprising a hydrocarbon-based anion exchange resin having an anion exchange capacity of 1.8-3.5 mmol/g is used.

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池のうち、特に陰イオン交換膜型燃料電池のアノード触媒層の形成に用いるイオン伝導性付与剤、該イオン伝導性付与剤を用いて形成するアノード触媒層、該アノード触媒層を用いて形成する膜−電極接合体(以下、膜−電極接合体を「MEA」ともいう)、該MEAを具備する陰イオン交換膜型燃料電池及びその運転方法に関する。   The present invention relates to an ion conductivity-imparting agent used for forming an anode catalyst layer of an anion-exchange membrane fuel cell among solid polymer fuel cells, an anode catalyst layer formed using the ion-conductivity imparting agent, The present invention relates to a membrane-electrode assembly formed using the anode catalyst layer (hereinafter, the membrane-electrode assembly is also referred to as “MEA”), an anion exchange membrane fuel cell including the MEA, and an operation method thereof.

固体高分子型燃料電池は、イオン交換樹脂等の固体高分子を電解質として用いる燃料電池であり、動作温度が比較的低いという特徴を有する。固体高分子型燃料電池の電解質には、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜を用いることができる。いずれの電解質を使用した場合でも固体高分子型燃料電池は以下の基本構造を有する。   A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a solid polymer such as an ion exchange resin as an electrolyte, and has a feature that its operating temperature is relatively low. As the electrolyte of the polymer electrolyte fuel cell, a cation exchange membrane or an anion exchange membrane can be used. Regardless of which electrolyte is used, the polymer electrolyte fuel cell has the following basic structure.

図1は、固体高分子形燃料電池の基本構造を示す概念図である。図1中、1a、1bはそれぞれ電池隔壁であり、電池隔壁1aには外部と連通する燃料流通孔2が、電池隔壁1bには外部と連通する酸化剤ガス流通孔3が形成されている。電池隔壁1a、1b内の空間は、固体高分子電解質膜6によって二分されている。固体高分子電解質膜6の一表面には、燃料室側ガス拡散電極(アノード)4が接合され、他表面(裏面)には、酸化剤室側ガス拡散電極(カソード)5が接合されている。電池隔壁1aと固体高分子電解質膜6とに囲われて形成される燃料室(アノード室)7は、燃料流通孔2によって外部と連通されており、電池隔壁1bと固体高分子電解質膜6とに囲われて形成される酸化剤室(カソード室)8は、酸化剤ガス流通孔3によって外部と連通されている。   FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic structure of a polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 1, reference numerals 1a and 1b denote battery partition walls, in which a fuel circulation hole 2 communicating with the outside is formed in the battery partition wall 1a, and an oxidant gas circulation hole 3 communicating with the outside is formed in the battery partition wall 1b. The spaces in the battery partition walls 1 a and 1 b are divided into two by the solid polymer electrolyte membrane 6. A fuel chamber side gas diffusion electrode (anode) 4 is bonded to one surface of the solid polymer electrolyte membrane 6, and an oxidant chamber side gas diffusion electrode (cathode) 5 is bonded to the other surface (back surface). . A fuel chamber (anode chamber) 7 formed by being surrounded by the battery partition wall 1a and the solid polymer electrolyte membrane 6 is communicated with the outside by the fuel flow hole 2, and the battery partition wall 1b and the solid polymer electrolyte membrane 6 are connected to each other. The oxidant chamber (cathode chamber) 8 formed by being surrounded by is communicated with the outside by the oxidant gas flow hole 3.

このような基本構造の固体高分子型燃料電池は、燃料室7に燃料流通孔2を通して水素ガスやメタノール等からなる燃料を供給すると共に、酸化剤室8に酸化剤ガス流通孔3を通して酸素や空気等の酸素含有ガスからなる酸化剤ガスを供給し、さらに両ガス拡散電極間に外部負荷回路を接続することにより次のような機構により電気エネルギーを発生させている。即ち、固体高分子電解質膜として陽イオン交換膜を用いた場合には、アノード4において該電極内に含まれる触媒と燃料とが接触することにより生成したプロトン(水素イオン)は、固体高分子電解質膜6内を伝導して酸化剤室8に移動し、カソード5で酸化剤ガス中の酸素と反応して水を生成する。一方、アノード4においてプロトンと同時に生成した電子は外部負荷回路を通じてカソード5へと移動するので上記反応のエネルギーを電気エネルギーとして利用することができる。   The polymer electrolyte fuel cell having such a basic structure supplies a fuel made of hydrogen gas, methanol, or the like to the fuel chamber 7 through the fuel circulation hole 2, and oxygen or Electric energy is generated by the following mechanism by supplying an oxidant gas composed of an oxygen-containing gas such as air and connecting an external load circuit between the two gas diffusion electrodes. That is, when a cation exchange membrane is used as the solid polymer electrolyte membrane, protons (hydrogen ions) generated by contact of the catalyst and fuel contained in the electrode at the anode 4 are converted into solid polymer electrolyte. It conducts through the membrane 6 and moves to the oxidant chamber 8, and reacts with oxygen in the oxidant gas at the cathode 5 to generate water. On the other hand, the electrons generated simultaneously with the protons in the anode 4 move to the cathode 5 through the external load circuit, so that the energy of the reaction can be used as electric energy.

上記のような構造の固体高分子形燃料電池においては、固体高分子電解質膜としてパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜が最も一般的に用いられている。また、このようなパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いるガス拡散電極としては、カーボンブラック等の導電剤に担持された白金等の金属粒子からなる触媒を多孔性材料からなる電極基材で支持したガス拡散電極や、該触媒をパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜上に層状に形成したガス拡散電極が一般的に用いられている。通常、該ガス拡散電極は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に熱圧着することにより、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜と接合されている。そして、このような方法で接合を行う場合には、ガス拡散電極内部の触媒上で発生するプロトンの利用率を高める目的で(換言すれば、該プロトンを効率よく電極に移動させる目的で)ガス拡散電極の接合面にイオン伝導性付与剤としてパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の溶液を塗布したり、ガス拡散電極の内部にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を配合することが行われている(特許文献1、2)。なお、上記パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、固体高分子電解質膜とガス拡散電極との接合性を向上させる機能も有している。   In the polymer electrolyte fuel cell having the above structure, a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane is most commonly used as the polymer electrolyte membrane. In addition, as a gas diffusion electrode using such a perfluorocarbon sulfonic acid resin film, a gas in which a catalyst made of metal particles such as platinum supported on a conductive agent such as carbon black is supported by an electrode substrate made of a porous material. A diffusion electrode or a gas diffusion electrode in which the catalyst is formed in layers on a perfluorocarbon sulfonic acid resin film is generally used. Usually, the gas diffusion electrode is bonded to the perfluorocarbon sulfonic acid resin film by thermocompression bonding to the perfluorocarbon sulfonic acid resin film. And when joining by such a method, in order to raise the utilization factor of the proton which generate | occur | produces on the catalyst inside a gas diffusion electrode (in other words, for the purpose of moving this proton efficiently to an electrode) A perfluorocarbon sulfonic acid resin solution is applied to the bonding surface of the diffusion electrode as an ion conductivity imparting agent, or a perfluorocarbon sulfonic acid resin is blended inside the gas diffusion electrode (Patent Documents 1 and 2). ). The perfluorocarbon sulfonic acid resin also has a function of improving the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion electrode.

ところが、このようなパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いる固体高分子形燃料電池においては、主としてパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に起因して以下の問題を生じている。(i)反応場が酸性雰囲気となるため、白金などの高価な貴金属触媒を用いる必要がある。(ii)焼却処理でフッ酸を生じるため、環境適合性が悪い。(iii)燃料ガスや酸化剤ガスの透過性が比較的高いため、電圧ロスを生じる。(iv)原料が高価であるためコストダウンし難い。   However, in the polymer electrolyte fuel cell using such a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, the following problems are mainly caused by the perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane. (I) Since the reaction field is an acidic atmosphere, it is necessary to use an expensive noble metal catalyst such as platinum. (Ii) Since hydrofluoric acid is generated by incineration, environmental compatibility is poor. (Iii) Since the permeability of fuel gas and oxidant gas is relatively high, voltage loss occurs. (Iv) Since the raw material is expensive, it is difficult to reduce the cost.

これらの問題、特に上記(i)の問題を解決するために、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に替えて炭化水素系陰イオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池が幾つか提案されている(特許文献3−5)。   In order to solve these problems, particularly the above problem (i), several polymer electrolyte fuel cells using hydrocarbon-based anion exchange membranes instead of perfluorocarbon sulfonic acid resin membranes have been proposed (patents). Literature 3-5).

これら炭化水素系陰イオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池は、パーフルオロカーボンスルホン酸膜を用いる場合と同様に、水素などの燃料ガス、酸素などの酸化剤ガスを用いて発電できるが、各電極における反応機構及び固体高分子電解質6内を伝導するイオン種が異なるものとなる。   These polymer electrolyte fuel cells using a hydrocarbon-based anion exchange membrane can generate power using a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as oxygen, as in the case of using a perfluorocarbon sulfonic acid membrane. The reaction mechanism in the electrode and the ion species conducted in the solid polymer electrolyte 6 are different.

例えば、アノード室7に燃料流通孔2を通して水素を含む燃料を供給すると共に、カソード室8に酸化剤ガス流通孔3を通して酸素や空気等の酸素を含む酸化剤ガスを供給し、さらにアノード4とカソード5の間に外部負荷回路を接続すると、カソード5においては該電極内に含まれる触媒と酸化剤ガス中の酸素と水が接触することにより水酸化物イオンが生成する。即ち、カソードにおける電極反応には水が必須である。次いで、ここで生成した水酸化物イオンは、固体高分子電解質膜6内を伝導してアノード側に移動し、アノード4で燃料と反応して水を生成する。アノード4において水と同時に生成した電子は、外部負荷回路を通じてカソード5へと移動するので上記反応のエネルギーを電気エネルギーとして利用することができる。   For example, a fuel containing hydrogen is supplied to the anode chamber 7 through the fuel circulation hole 2, and an oxidant gas containing oxygen such as oxygen or air is supplied to the cathode chamber 8 through the oxidant gas circulation hole 3. When an external load circuit is connected between the cathodes 5, hydroxide ions are generated at the cathode 5 when the catalyst contained in the electrodes comes into contact with oxygen in the oxidant gas and water. That is, water is essential for the electrode reaction at the cathode. Next, the hydroxide ions generated here are conducted through the solid polymer electrolyte membrane 6 and moved to the anode side, and react with the fuel at the anode 4 to generate water. Electrons generated simultaneously with water in the anode 4 move to the cathode 5 through the external load circuit, and thus the energy of the reaction can be used as electric energy.

炭化水素系陰イオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池は、反応場が塩基性雰囲気になるため、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜のような陽イオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池に比べて次のような利点を有する。   A polymer electrolyte fuel cell using a hydrocarbon-based anion exchange membrane has a basic reaction atmosphere, so a polymer electrolyte fuel cell using a cation exchange membrane such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane Has the following advantages.

(i)安価で埋蔵量の豊富な遷移金属からなる触媒を用いることができるため、触媒の選択肢が広がる。
(ii)塩基性の燃料が使用できるなど、使用可能な燃料が増える。
(iii)加工性、量産性に優れる金属製の電池隔壁を耐酸処理することなく使用できる。
(iv)酸素還元反応に有利である。
(I) Since a catalyst made of a transition metal with abundant reserves can be used, the options for the catalyst are widened.
(Ii) The amount of usable fuel increases, for example, basic fuel can be used.
(Iii) A metal battery partition excellent in processability and mass productivity can be used without being subjected to acid resistance treatment.
(Iv) It is advantageous for oxygen reduction reaction.

上記各公報に開示されている固体高分子形燃料電池のガス拡散電極においては、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いる場合にガス拡散電極に対してパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂からなるイオン伝導性付与剤を添加するのと同様な理由により、イオン伝導性付与剤として種々の陰イオン交換樹脂が添加される。このような陰イオン交換樹脂としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンポリマーの末端をジアミンで処理して4級化したポリマー等のフッ素樹脂系のものも知られている(例えば、特許文献6)。これを用いると、固体高分子電解質膜が前記炭化水素系陰イオン交換膜である場合、前記炭化水素系イオン交換膜とガス拡散電極との接合界面における馴染みが悪くなり、接合強度が低下する問題が生じる。   In the gas diffusion electrode of the polymer electrolyte fuel cell disclosed in each of the above publications, when a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane is used, an ion conductivity imparting agent made of perfluorocarbon sulfonic acid resin is added to the gas diffusion electrode. For the same reason as the addition, various anion exchange resins are added as an ion conductivity imparting agent. As such an anion exchange resin, for example, a fluororesin-based resin such as a polymer obtained by treating a terminal of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group with a diamine to be quaternized is known (for example, Patent Document 6). When this is used, when the solid polymer electrolyte membrane is the hydrocarbon-based anion exchange membrane, the familiarity at the bonding interface between the hydrocarbon-based ion exchange membrane and the gas diffusion electrode is deteriorated, and the bonding strength is reduced. Occurs.

従って、炭化水素系陰イオン交換膜を用いる場合には、イオン伝導性付与剤の陰イオン交換樹脂は炭化水素系のものが好ましいとされており、芳香族ビニル化合物と共役ジエンとのブロック共重合体等の熱可塑性エラストマーに陰イオン交換基を導入した陰イオン交換樹脂が提案されている(特許文献7)。特許文献6において、炭化水素系陰イオン交換樹脂としては、上記炭化水素系イオン交換膜との接合性に優れる、柔軟な非架橋性のものである場合にはイオン交換容量が高いと水に可溶性になるため0.5〜1.5mmol/gのものが良好と説明されている。また、このことから実施例において、こうした陰イオン交換樹脂は、カソード触媒層に添加するものも、アノード触媒層に添加するものも全てにおいて上記非架橋性のものが使用され、その陰イオン交換容量は0.8〜1.3mmol/gの低めで、水への溶解度(20℃)が0.02〜0.04質量%の極小値に抑えられたものが使用されている。   Therefore, when a hydrocarbon-based anion exchange membrane is used, the anion exchange resin as the ion conductivity-imparting agent is preferably a hydrocarbon-based one, and the block copolymer weight of the aromatic vinyl compound and the conjugated diene. An anion exchange resin in which an anion exchange group is introduced into a thermoplastic elastomer such as a coalescence has been proposed (Patent Document 7). In Patent Document 6, the hydrocarbon-based anion exchange resin is excellent in bondability with the above-described hydrocarbon-based ion exchange membrane, and is flexible and non-crosslinkable. Therefore, it is described that 0.5 to 1.5 mmol / g is good. In addition, from this, in the examples, such anion exchange resins are added to the cathode catalyst layer and those added to the anode catalyst layer are all non-crosslinkable, and their anion exchange capacity is used. Has a lower value of 0.8 to 1.3 mmol / g, and its water solubility (20 ° C.) is suppressed to a minimum value of 0.02 to 0.04 mass%.

このような炭化水素系陰イオン交換膜及びイオン伝導性付与剤を用いた固体高分子型燃料電池においては、炭化水素系陰イオン交換膜及びイオン伝導性付与剤のイオン伝導性は、これらが湿潤状態である場合に発揮される。そのため、炭化水素系陰イオン交換膜及びイオン伝導性付与剤のイオン伝導性を維持するためには、水分が必要である。また、上述したようにカソード側においては、電極反応で水が消費される。よって、燃料電池のセル内には、水分が継続的に供給される必要がある。燃料電池のセル内に水分を供給するためには、一般的に加湿器等の水分供給装置が外部に設置される。しかし、水分供給装置を設置すると、システムが大型化する、高価格となる、水分供給装置の水分供給量を精密に管理する必要がある等の弊害が生じる。そのため、できるだけ低加湿条件で運転可能な燃料電池、理想的には水分供給装置を設けずに空気中に含まれる水分のみで運転可能な燃料電池を構成する技術が求められている。   In a polymer electrolyte fuel cell using such a hydrocarbon-based anion exchange membrane and an ion conductivity-imparting agent, the ionic conductivity of the hydrocarbon-based anion exchange membrane and the ion conductivity-imparting agent is wet. It is demonstrated when it is in a state. Therefore, moisture is required to maintain the ionic conductivity of the hydrocarbon-based anion exchange membrane and the ionic conductivity-imparting agent. Further, as described above, water is consumed in the electrode reaction on the cathode side. Therefore, moisture needs to be continuously supplied into the fuel cell. In order to supply moisture into the fuel cell, a moisture supply device such as a humidifier is generally installed outside. However, the installation of the water supply device causes problems such as an increase in the size of the system, high price, and the necessity of precisely managing the water supply amount of the water supply device. Therefore, there is a need for a technique for configuring a fuel cell that can be operated under as low a humidification condition as possible, and ideally a fuel cell that can be operated only with moisture contained in the air without providing a moisture supply device.

特開平3−208260号公報JP-A-3-208260 特開平4−329264号公報JP-A-4-329264 特開平11−273695号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-273695 特開平11−135137号公報JP-A-11-135137 特開2000−331693号公報JP 2000-331693 A 特開2000−331693号公報JP 2000-331693 A 特開2002−367626号公報JP 2002-367626 A

本発明者等は固体高分子電解質膜として炭化水素系陰イオン交換膜を用いる固体高分子形燃料電池(以下、「陰イオン交換膜型燃料電池」ともいう)について検討を行った。その結果、水分供給装置を設置しない場合、特にアノード側に供給する燃料ガスの湿度が低い場合には、陰イオン交換膜型燃料電池の性能はMEAに含まれるイオン伝導性付与剤、特にアノード側に含まれるイオン伝導性付与剤の性状に大きく依存し、その性状によっては十分な性能の陰イオン交換膜型燃料電池が得られないことが判明した。即ち、前記したように、従来、炭化水素系陰イオン交換膜を用いる固体高分子形燃料電池において、イオン伝導性付与剤としてアノード触媒層に配合される炭化水素系陰イオン交換樹脂の陰イオン伝導性付与剤は、陰イオン交換容量が0.5〜1.5mmol/gの小さい値のものしか具体的に知られていない。   The present inventors examined a solid polymer fuel cell using a hydrocarbon-based anion exchange membrane as a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter also referred to as “anion exchange membrane fuel cell”). As a result, when the moisture supply device is not installed, particularly when the humidity of the fuel gas supplied to the anode side is low, the performance of the anion exchange membrane type fuel cell is the ion conductivity imparting agent contained in the MEA, particularly the anode side. It was found that an anion exchange membrane fuel cell with sufficient performance could not be obtained depending on the properties of the ion conductivity-imparting agent contained therein. That is, as described above, in the conventional polymer electrolyte fuel cell using a hydrocarbon-based anion exchange membrane, the anion conduction of the hydrocarbon-based anion exchange resin blended in the anode catalyst layer as an ion conductivity imparting agent. Only the nature imparting agent having a small anion exchange capacity of 0.5 to 1.5 mmol / g is specifically known.

陰イオン交換膜型燃料電池のアノード側では上記のように電極反応で水が生成するが、斯様にして生成した水の一部は水素などの燃料ガス中に逸散するため、生成水の一部分のみがアノード側の触媒層(以下、「アノード触媒層」ともいう)に保持され、さらにその一部のみが陰イオン交換膜を通ってカソード側に供給され該カソードでの電極反応で消費されることとなる。燃料ガス中へ逸散する水の量は、前記のようなアノード触媒層を構成するイオン伝導性付与剤の陰イオン交換容量が低いほど、また、アノードに供給する燃料ガスの湿度が低いほど、多くなる。従って、水が生成するアノード側であっても、前記のように陰イオン交換容量が低いイオン伝導性付与剤を用いてアノードを構成した場合、アノードに供給する燃料ガスを低湿度で運転すると、アノード触媒層に充分に水分を保持できない危険性があった。その結果、アノード触媒層中のイオン伝導性が不足するのはもちろん、アノード側から、カソードの電極反応で消費される水を速やかに触媒活性点に供給することができなくなって電池出力が低下することがあった。さらには、低湿度の燃料ガスを用いる運転を長時間継続すると、アノード側からカソード側へ供給される反応基質である水が不足し、電池出力の安定性が低下していた。更にまた、このような安定性の低下は、カソード側に供給する空気も低加湿である場合に顕著であった。   As described above, water is generated by the electrode reaction on the anode side of the anion exchange membrane fuel cell, but a part of the water thus generated is dissipated in the fuel gas such as hydrogen. Only a part is held in the catalyst layer on the anode side (hereinafter also referred to as “anode catalyst layer”), and only a part thereof is supplied to the cathode side through the anion exchange membrane and consumed in the electrode reaction at the cathode. The Rukoto. The amount of water dissipated into the fuel gas is such that the lower the anion exchange capacity of the ion conductivity-imparting agent constituting the anode catalyst layer as described above, and the lower the humidity of the fuel gas supplied to the anode is, Become more. Accordingly, even when the anode is formed using an ion conductivity-imparting agent having a low anion exchange capacity as described above, even when it is on the anode side where water is generated, when the fuel gas supplied to the anode is operated at low humidity, There was a risk that sufficient moisture could not be retained in the anode catalyst layer. As a result, not only the ionic conductivity in the anode catalyst layer is insufficient, but also the water consumed by the cathode electrode reaction cannot be quickly supplied from the anode side to the catalyst active point, and the battery output is reduced. There was a thing. Furthermore, when the operation using the low-humidity fuel gas is continued for a long time, the water serving as the reaction substrate supplied from the anode side to the cathode side is insufficient, and the stability of the battery output is lowered. Furthermore, such a decrease in stability was significant when the air supplied to the cathode side was also low humidified.

そこで、本発明は、陰イオン交換膜型燃料電池のアノード触媒層用のイオン伝導性付与剤であって、炭化水素系陰イオン交換膜と触媒層との接合界面における両者の馴染みが良く、アノード側に供給する燃料ガスが低湿度であっても高い電池出力が得られ、低湿度の燃料ガスを用いる運転を長時間継続しても高い電池出力が安定して得られるイオン伝導性付与剤を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention is an ion conductivity-imparting agent for the anode catalyst layer of an anion exchange membrane fuel cell, and the familiarity of both at the joining interface between the hydrocarbon-based anion exchange membrane and the catalyst layer is good. An ion conductivity-imparting agent that provides high battery output even when the fuel gas supplied to the side has low humidity, and that stably provides high battery output even if the operation using low-humidity fuel gas is continued for a long time. The purpose is to provide.

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行ったところ、陰イオン交換膜型燃料電池を構成するMEAのアノード触媒層の形成時(炭化水素系陰イオン交換膜とアノード触媒層との接合時を含む)に、所定のイオン伝導性付与剤を用いることで上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The inventors of the present invention have made extensive studies in order to solve the above-described problems. As a result, when the anode catalyst layer of MEA constituting the anion exchange membrane fuel cell is formed (hydrocarbon-based anion exchange membrane, anode catalyst layer, The present invention has been completed by finding that the above-mentioned problems can be solved by using a predetermined ion conductivity-imparting agent.

即ち、第一の本発明は、陰イオン交換膜型燃料電池のアノード触媒層の形成に用いるイオン伝導性付与剤であって、陰イオン交換容量が1.8〜3.5mmol/gの炭化水素系陰イオン交換樹脂からなるイオン伝導性付与剤である。第一の発明には、炭化水素系陰イオン交換樹脂が非架橋形であるイオン伝導性付与剤を含む。また、第一の発明には、前記非架橋形の炭化水素系陰イオン交換樹脂のヤング率が1〜300MPaであるイオン伝導性付与剤を含む。   That is, the first aspect of the present invention is an ion conductivity imparting agent used for forming an anode catalyst layer of an anion exchange membrane fuel cell, and a hydrocarbon having an anion exchange capacity of 1.8 to 3.5 mmol / g. It is an ion conductivity-imparting agent comprising a system anion exchange resin. The first invention includes an ion conductivity imparting agent in which the hydrocarbon-based anion exchange resin is in a non-crosslinked form. The first invention includes an ion conductivity-imparting agent in which the Young's modulus of the non-crosslinked hydrocarbon-based anion exchange resin is 1 to 300 MPa.

第二の本発明は、アノード触媒と、上記のイオン伝導性付与剤とを含有してなる陰イオン交換膜型燃料電池用のアノード触媒層である。   The second aspect of the present invention is an anode catalyst layer for an anion exchange membrane fuel cell, comprising an anode catalyst and the ion conductivity-imparting agent.

第三の本発明は、炭化水素系陰イオン交換膜と、この陰イオン交換膜の一表面上に形成される上記アノード触媒層と、からなる構造を含む陰イオン交換膜型燃料電池用のMEAである。第三の本発明には、炭化水素系陰イオン交換膜が、25℃における水透過度が1400g・m−2・hr−1以上の炭化水素系陰イオン交換膜である場合を含む。 The third aspect of the present invention is an MEA for an anion exchange membrane fuel cell comprising a structure comprising a hydrocarbon-based anion exchange membrane and the anode catalyst layer formed on one surface of the anion exchange membrane. It is. The third aspect of the present invention includes the case where the hydrocarbon-based anion exchange membrane is a hydrocarbon-based anion exchange membrane having a water permeability of 1400 g · m −2 · hr −1 or more at 25 ° C.

第四の本発明は、上記MEAを具備する陰イオン交換膜型燃料電池である。第四の本発明には、カソード触媒層がカソード触媒と本発明のイオン伝導性付与剤とを含有してなる陰イオン交換膜型燃料電池を含む。   A fourth present invention is an anion exchange membrane fuel cell comprising the MEA. The fourth present invention includes an anion exchange membrane fuel cell in which the cathode catalyst layer contains the cathode catalyst and the ion conductivity-imparting agent of the present invention.

第五の本発明は、上記陰イオン交換膜型燃料電池のアノード室に水素を供給し、カソード室に空気を供給して発電を行うことを特徴とする陰イオン交換膜型燃料電池の運転方法である。第五の本発明においては、アノード室に供給する水素が、陰イオン交換膜型燃料電池の運転温度における相対湿度が40%以下の水素である場合、あるいは、さらに、カソード室に供給する空気が陰イオン交換膜型燃料電池の運転温度における相対湿度が70%以下である場合、即ち、陰イオン交換膜型燃料電池に加湿器等の水分供給装置が設けられていない場合を含む。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an operating method for an anion exchange membrane fuel cell, wherein hydrogen is supplied to the anode chamber of the anion exchange membrane fuel cell and air is supplied to the cathode chamber to generate electric power. It is. In the fifth aspect of the present invention, when the hydrogen supplied to the anode chamber is hydrogen having a relative humidity of 40% or less at the operating temperature of the anion exchange membrane fuel cell, or further, the air supplied to the cathode chamber is This includes the case where the relative humidity at the operating temperature of the anion exchange membrane fuel cell is 70% or less, that is, the case where a moisture supply device such as a humidifier is not provided in the anion exchange membrane fuel cell.

本発明のイオン伝導性付与剤を用いて構成するMEAは、炭化水素系陰イオン交換膜の一表面に触媒粒子を含むアノード触媒層を接合してなり、該MEAは、炭化水素系陰イオン交換膜と触媒粒子との間に、本発明のイオン伝導性付与剤が介在している。このイオン伝導性付与剤は、陰イオン交換容量が1.8〜3.5mmol/gと大きいため含水率が高い。そのためアノード側に供給する燃料ガスが低湿度であっても、アノード触媒層内に多量の水分を保持することが可能となる。その結果、アノード触媒層全体で高いイオン伝導性が発揮されるのはもちろん、アノード側からカソードへ、カソード電極反応で必要な水が速やかに供給されるため、高い電池出力が得られる。さらに、アノードの燃料ガス供給経路中に加湿器等の水分供給装置を設置することなく、低湿度の燃料ガスを長時間供給しても、アノード側からカソード触媒層に供給される反応基質である水の欠乏が生じ難い。そのため、上記高い電池出力は安定的に維持される。さらに、また、これら安定性の維持は、カソード側の空気供給経路に水分供給装置を設置しない場合であっても効果的である。   The MEA constructed using the ion conductivity-imparting agent of the present invention comprises an anode catalyst layer containing catalyst particles bonded to one surface of a hydrocarbon-based anion exchange membrane, and the MEA comprises a hydrocarbon-based anion exchange. The ion conductivity-imparting agent of the present invention is interposed between the membrane and the catalyst particles. Since this ion conductivity imparting agent has a large anion exchange capacity of 1.8 to 3.5 mmol / g, its water content is high. Therefore, even if the fuel gas supplied to the anode side has a low humidity, a large amount of water can be retained in the anode catalyst layer. As a result, not only high ion conductivity is exhibited in the entire anode catalyst layer, but also water necessary for the cathode electrode reaction is rapidly supplied from the anode side to the cathode, so that high battery output can be obtained. Furthermore, it is a reaction substrate that is supplied from the anode side to the cathode catalyst layer even if low-humidity fuel gas is supplied for a long time without installing a moisture supply device such as a humidifier in the fuel gas supply path of the anode. Water deficiency is unlikely to occur. Therefore, the high battery output is stably maintained. Furthermore, maintaining these stability is effective even when no water supply device is installed in the air supply path on the cathode side.

図1は、固体高分子形燃料電池の基本構造を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic structure of a polymer electrolyte fuel cell. 図2は、本発明のMEAの基本構造を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing the basic structure of the MEA of the present invention. 図3は、本発明のMEAの他の基本構造を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing another basic structure of the MEA of the present invention.

(イオン伝導性付与剤)
本発明においてイオン伝導性付与剤とは、陰イオン交換膜型燃料電池のアノード触媒層を構成する材料である。本発明のイオン伝導性付与剤は、アノード触媒層内部に添加されたり、炭化水素系陰イオン交換膜とアノード触媒層とを接合する際にアノード触媒層の接合面に塗布されたりして使用される。
(Ion conductivity imparting agent)
In the present invention, the ion conductivity imparting agent is a material constituting the anode catalyst layer of the anion exchange membrane fuel cell. The ion conductivity-imparting agent of the present invention is used by being added to the inside of the anode catalyst layer or applied to the joining surface of the anode catalyst layer when joining the hydrocarbon-based anion exchange membrane and the anode catalyst layer. The

本発明のイオン伝導性付与剤は、アノード触媒層内やアノード触媒層と炭化水素系陰イオン交換膜との接合面近傍におけるイオンの伝導性を高める効果や、水分を高濃度で保持することで同部分からカソードへの水分供給を安定に維持する効果が極めて高い。   The ion conductivity-imparting agent of the present invention has the effect of increasing the conductivity of ions in the anode catalyst layer or in the vicinity of the junction surface between the anode catalyst layer and the hydrocarbon-based anion exchange membrane, and by maintaining a high concentration of moisture. The effect of stably maintaining the water supply from the same part to the cathode is extremely high.

本発明のイオン伝導性付与剤は、陰イオン交換容量が所定範囲の炭化水素系陰イオン交換樹脂を含んでなる。本発明のイオン伝導性付与剤は、この炭化水素系陰イオン交換樹脂の溶液又はその懸濁液からなる場合もある。   The ion conductivity-imparting agent of the present invention comprises a hydrocarbon-based anion exchange resin having an anion exchange capacity within a predetermined range. The ion conductivity-imparting agent of the present invention may be composed of a solution of this hydrocarbon-based anion exchange resin or a suspension thereof.

本発明のイオン伝導性付与剤で使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂は、陰イオン交換容量が所定範囲内であって、分子内に少なくとも1個の陰イオン交換基を有し、水に難溶で、かつ弾性を有する炭化水素系陰イオン交換樹脂である。このような炭化水素系陰イオン交換樹脂は、公知の方法で合成できる。   The hydrocarbon-based anion exchange resin used in the ion conductivity-imparting agent of the present invention has an anion exchange capacity within a predetermined range, has at least one anion exchange group in the molecule, and is difficult to water. It is a soluble and elastic hydrocarbon-based anion exchange resin. Such a hydrocarbon-based anion exchange resin can be synthesized by a known method.

炭化水素系陰イオン交換樹脂の陰イオン交換容量は、1.8〜3.5mmol/gであり、1.9〜3.0mmol/gであることが好ましく、2.0〜2.8mmol/gであることが特に好ましい。この範囲の陰イオン交換容量の炭化水素系陰イオン交換樹脂は陰イオン伝導性が高い。さらに含水率が高いため、こうした陰イオン交換容量の炭化水素系陰イオン交換樹脂を用いることで、低湿度の燃料ガスを供給して燃料電池を運転する場合であってもアノード触媒層に多量の水分を保持することが可能となる。その結果、該運転条件下であっても高い電池出力が得られ、さらに、上記低湿度での運転を長期間継続しても、高い電池出力を安定的に維持できる。   The anion exchange capacity of the hydrocarbon-based anion exchange resin is 1.8 to 3.5 mmol / g, preferably 1.9 to 3.0 mmol / g, and 2.0 to 2.8 mmol / g. It is particularly preferred that A hydrocarbon-based anion exchange resin having an anion exchange capacity in this range has high anion conductivity. Furthermore, since the water content is high, a hydrocarbon-based anion exchange resin having such anion exchange capacity can be used to supply a large amount to the anode catalyst layer even when a fuel cell is operated by supplying low humidity fuel gas. It becomes possible to retain moisture. As a result, a high battery output can be obtained even under the operating conditions, and the high battery output can be stably maintained even if the operation at the low humidity is continued for a long period of time.

炭化水素系陰イオン交換樹脂の陰イオン交換容量が1.8mmol/g未満の場合には、低湿度下でのアノード触媒層の水分保持量が不十分となる。また、電池出力が低下し易く、該電池出力を安定に維持することが困難となる。一方、炭化水素系陰イオン交換樹脂の陰イオン交換容量が3.5mmol/gを越える場合には、水分の吸収による膨潤が大きくなり、燃料や酸化剤ガスの拡散を阻害する場合がある。さらには、水への溶解性が高くなりアノード触媒層から溶出し易い。   When the anion exchange capacity of the hydrocarbon-based anion exchange resin is less than 1.8 mmol / g, the water retention amount of the anode catalyst layer under low humidity becomes insufficient. In addition, the battery output is likely to decrease, and it becomes difficult to stably maintain the battery output. On the other hand, when the anion exchange capacity of the hydrocarbon-based anion exchange resin exceeds 3.5 mmol / g, swelling due to moisture absorption increases, which may inhibit the diffusion of fuel and oxidant gas. Furthermore, the solubility in water is increased and the anode catalyst layer is easily eluted.

上記の炭化水素系陰イオン交換樹脂は、陰イオン交換容量を前記範囲とすることで、後述の方法で測定した含水率を、相対湿度90%の下で、通常35〜100%、好適には38〜90%、特に好適には40〜80%にすることができる。更には相対湿度40%の低湿度下でも、通常7〜25%、好適には8〜20%、特に好適には9〜18%に維持することができる。   The above hydrocarbon-based anion exchange resin has an anion exchange capacity within the above range, and the moisture content measured by the method described below is usually 35 to 100% under a relative humidity of 90%, preferably It can be 38 to 90%, particularly preferably 40 to 80%. Furthermore, even under a low humidity of 40% relative humidity, it can be maintained usually at 7 to 25%, preferably 8 to 20%, particularly preferably 9 to 18%.

このような高い含水率を持つ炭化水素系陰イオン交換樹脂を陰イオン交換膜型燃料電池のアノード触媒層に用いることで、燃料ガスを低湿度で運転しても高い電池出力が得られ、かつ、高い電池出力を安定に維持することが可能となる。水が生成するアノード側であっても、燃料ガスが低湿度である場合には、該アノードの含水率を高めて良好なイオン伝導性を維持するためと推定されるが、高い電池出力と電池出力の安定性を両立させるためには、このようなアノード触媒層のイオン伝導性が高まった効果のみでは説明しがたい。即ち、本発明のアノード触媒層で充分な水分量を保持することが可能になるため、アノード側から、カソードの電極反応で消費される水を速やかに触媒活性点に供給することができ、その結果、電池出力が高まる。更には長時間の運転に際しても該水分の欠乏を生じることなく運転が可能となるため、出力の安定性が向上する。以上のように、単純な含水率の増大によるイオン伝導性の向上だけでなく、アノード側からカソードへの水の移動を促進することで、高い電池出力と出力の安定性が達成されるものと推定される。   By using such a hydrocarbon-based anion exchange resin having a high water content for the anode catalyst layer of an anion exchange membrane fuel cell, high battery output can be obtained even when the fuel gas is operated at low humidity, and It is possible to stably maintain a high battery output. Even on the anode side where water is generated, when the fuel gas is at low humidity, it is estimated that the water content of the anode is increased to maintain good ionic conductivity, but high battery output and battery In order to make the output stability compatible, it is difficult to explain only the effect of increasing the ionic conductivity of the anode catalyst layer. That is, since it becomes possible to hold a sufficient amount of water in the anode catalyst layer of the present invention, water consumed in the cathode electrode reaction can be quickly supplied from the anode side to the catalyst active point. As a result, the battery output is increased. Furthermore, since the operation can be performed without causing the deficiency of water even when the operation is performed for a long time, the output stability is improved. As described above, high battery output and output stability can be achieved not only by improving the ionic conductivity by simply increasing the water content but also by promoting the movement of water from the anode side to the cathode. Presumed.

本発明において、炭化水素系陰イオン交換樹脂とは、分子内に存在するイオン交換基以外の大部分が炭化水素基で構成されている陰イオン交換樹脂を意味する。ただし、本発明の効果を阻害しない範囲であれば分子内の陰イオン交換基以外の部分に炭素原子及び水素原子以外の原子が含まれていてもよい。例えば、分子の主鎖及び側鎖を構成する結合として炭素−炭素結合や炭素=炭素結合(二重結合)以外に、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、シロキサン結合等により導入される酸素、窒素、珪素、硫黄、ホウ素、リン等の原子が挙げられる。このような原子は、分子を構成する全原子数の総計40%以下、好適には10%以下となるような量で含まれていてもよい。また、分子を構成する水素原子数の40%以下、好適には10%以下であれば、主鎖及び側鎖に塩素、臭素、フッ素、ヨウ素、その他原子が直接又は置換基として結合していてもよい。   In the present invention, the hydrocarbon-based anion exchange resin means an anion exchange resin in which most of the molecules other than the ion exchange groups present in the molecule are composed of hydrocarbon groups. However, as long as the effect of the present invention is not hindered, atoms other than carbon atoms and hydrogen atoms may be contained in a portion other than the anion exchange group in the molecule. For example, in addition to carbon-carbon bond and carbon = carbon bond (double bond) as bonds constituting the main chain and side chain of the molecule, oxygen, nitrogen introduced by ether bond, ester bond, amide bond, siloxane bond, etc. , Atoms such as silicon, sulfur, boron and phosphorus. Such atoms may be contained in such an amount that the total number of atoms constituting the molecule is 40% or less, preferably 10% or less. If the number of hydrogen atoms constituting the molecule is 40% or less, preferably 10% or less, chlorine, bromine, fluorine, iodine, or other atoms are bonded directly or as a substituent to the main chain and side chain. Also good.

上記炭化水素系陰イオン交換樹脂中に存在する陰イオン交換基としては、陰イオン交換能を有する置換基であれば特に限定されないが、4級アンモニウム塩基、ピリジニウム塩基、イミダゾリウム塩基、第3級アミノ基、ホスホニウム基が例示される。これらのうち、強塩基性の観点から4級アンモニウム塩基又はピリジニウム塩基が好ましい。   The anion exchange group present in the hydrocarbon-based anion exchange resin is not particularly limited as long as it is a substituent having anion exchange ability, but a quaternary ammonium base, a pyridinium base, an imidazolium base, a tertiary base. Examples include amino groups and phosphonium groups. Among these, a quaternary ammonium base or a pyridinium base is preferable from the viewpoint of strong basicity.

また、上記炭化水素系陰イオン交換樹脂の陰イオン交換基の対イオンは、OH、HCO 、CO 2−のいずれか、あるいはこれらの混合形であることが好ましい。対イオンが前記イオン形である場合、陰イオン交換樹脂のイオン伝導性を高めることができ、かつ、アノードの電極反応を高効率で進めることができる。対イオンを前記イオン形にするための操作の安全性や、得られる陰イオン交換樹脂の化学的安定性を高められる点で、HCO 、CO 2−が対イオンとして特に好ましい。 Further, the counter ion of the anion exchange group of the hydrocarbon-based anion exchange resin is preferably OH , HCO 3 or CO 3 2− or a mixed form thereof. When the counter ion is in the ionic form, the ion conductivity of the anion exchange resin can be increased, and the anode electrode reaction can be advanced with high efficiency. HCO 3 and CO 3 2− are particularly preferable as the counter ion from the viewpoint of enhancing the safety of the operation for converting the counter ion to the ionic form and the chemical stability of the obtained anion exchange resin.

上記炭化水素系陰イオン交換樹脂は、水に難溶であるのが好ましい。水に容易に溶解する場合には、燃料電池を構成して使用する際に、触媒層から該炭化水素系陰イオン交換樹脂が溶出してしまい、電池性能が低下する。このことから、特許文献7では、イオン伝導性付与剤として使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂の20℃の水に対する溶解度(飽和溶液中の上記炭化水素系陰イオン交換樹脂の濃度)は、1質量%未満、好適には0.8質量%以下とすることが求められている(段落〔0016〕)。具体的には、その実施例において、前記陰イオン交換容量が0.8〜1.3mmol/gの炭化水素系陰イオン交換樹脂は、20℃の水に対する溶解度が0.02〜0.04質量%のものが使用されている。これに対して、本発明でイオン伝導性付与剤として使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂は、その陰イオン交換容量が1.8〜3.5mmol/gと大きい。しかしこの程度の陰イオン交換容量であれば、水への溶解度は許容範囲であり、通常0.3質量%以上、場合によっては0.4質量%以上にはなるものの、前記1質量%未満(好適には0.8質量%以下)には抑えることができる。本発明においてイオン伝導性付与剤として使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂としては、非架橋型であることが好ましい。非架橋型の炭化水素系陰イオン交換樹脂は、触媒との分散性に優れ、容易に溶液とすることができるため、施用性が高い。また、非架橋型の炭化水素系陰イオン交換樹脂は柔軟であるため、炭化水素系イオン交換膜との接合性に優れる。   The hydrocarbon-based anion exchange resin is preferably hardly soluble in water. In the case of being easily dissolved in water, when the fuel cell is configured and used, the hydrocarbon-based anion exchange resin is eluted from the catalyst layer, and the battery performance is deteriorated. Therefore, in Patent Document 7, the solubility of the hydrocarbon-based anion exchange resin used as an ion conductivity imparting agent in water at 20 ° C. (the concentration of the hydrocarbon-based anion exchange resin in the saturated solution) is 1 It is required to be less than mass%, preferably 0.8 mass% or less (paragraph [0016]). Specifically, in the examples, the hydrocarbon anion exchange resin having an anion exchange capacity of 0.8 to 1.3 mmol / g has a solubility in water of 20 ° C. of 0.02 to 0.04 mass. % Are used. In contrast, the hydrocarbon-based anion exchange resin used as the ion conductivity-imparting agent in the present invention has a large anion exchange capacity of 1.8 to 3.5 mmol / g. However, with this level of anion exchange capacity, the solubility in water is acceptable, usually 0.3% by mass or more, and in some cases 0.4% by mass or more, but less than 1% by mass ( Preferably, it can be suppressed to 0.8% by mass or less. The hydrocarbon-based anion exchange resin used as the ion conductivity-imparting agent in the present invention is preferably non-crosslinked. The non-crosslinked hydrocarbon anion exchange resin is excellent in dispersibility with the catalyst and can be easily made into a solution, and therefore has high applicability. Further, since the non-crosslinked hydrocarbon-based anion exchange resin is flexible, it has excellent bonding properties with the hydrocarbon-based ion exchange membrane.

上記炭化水素系陰イオン交換樹脂は、適度な弾性率であることが好ましい。具体的には、25℃におけるヤング率が1〜300MPaであることが好ましく、3〜100MPaであることが特に好ましい。このような弾性率を有することにより、炭化水素系陰イオン交換樹脂とカソード触媒層との密着性を向上させることができる。また、燃料電池を構成して使用する場合に、ヒートサイクルにより発生する応力を分散することが可能となり、燃料電池の耐久性を大きく改善することが可能となる。   The hydrocarbon-based anion exchange resin preferably has an appropriate elastic modulus. Specifically, the Young's modulus at 25 ° C. is preferably 1 to 300 MPa, and particularly preferably 3 to 100 MPa. By having such an elastic modulus, adhesion between the hydrocarbon-based anion exchange resin and the cathode catalyst layer can be improved. Further, when the fuel cell is configured and used, the stress generated by the heat cycle can be dispersed, and the durability of the fuel cell can be greatly improved.

本発明において使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂は、そのまま又は溶液若しくは懸濁液として、アノード触媒層の形成に用いるイオン伝導性付与剤として使用する。アノード触媒層の接合面となる面に塗布したり、アノード触媒(白金族触媒等)を含むアノード触媒層形成用組成物(後述)に配合したりする。炭化水素系陰イオン交換樹脂をアノード触媒層内や接合面近傍に均一に存在させることができ、接合性が良好でかつ活性の高いアノード触媒層を作成することができるという観点から、炭化水素系陰イオン交換樹脂は溶液状態で使用するのが好ましい。   The hydrocarbon-based anion exchange resin used in the present invention is used as an ion conductivity imparting agent used for forming the anode catalyst layer as it is or as a solution or suspension. It is applied to a surface to be a bonding surface of the anode catalyst layer, or is blended with an anode catalyst layer forming composition (described later) containing an anode catalyst (platinum group catalyst or the like). From the viewpoint that a hydrocarbon-based anion exchange resin can be uniformly present in the anode catalyst layer or in the vicinity of the bonding surface, and an anode catalyst layer having good bonding properties and high activity can be created. The anion exchange resin is preferably used in a solution state.

このような理由から、炭化水素系陰イオン交換樹脂は、有機溶媒に対して溶解性を示すことが好ましい。有機溶媒は特に限定されないが、例えば次に示す溶媒から適宜選択すれば良い。   For these reasons, it is preferable that the hydrocarbon-based anion exchange resin is soluble in an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited, and may be appropriately selected from the following solvents, for example.

メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、t−ブタノール、1−ヘキサノール、シクロヘキサノール、2−エトキシエタノール等のアルコール類;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類;酢酸エチル、酢酸イソブチル等のエステル類;アセトニトリル、マロンニトリル等のニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル‐2−ピロリジノン等のアミド類;ジメチルスルホキシド、スルホラン等のスルホキシド類;ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類;ヘキサン、トルエン、ベンゼン等の炭化水素類;クロロホルム、ジクロロメタン等の塩素化炭化水素類等の溶媒が例示される。これらは、単独でも良いし、2種以上を組み合わせて使用することもできる。これらの溶媒には、水が含まれていても良い。乾燥操作が容易である点、炭化水素系陰イオン交換膜との馴染みや触媒との分散性が良好である観点から、エタノール、1−プロパノール、テトラヒドロフラン、クロロホルムから選ばれる1種、または2種以上の組合せであることが好ましい。   Alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, t-butanol, 1-hexanol, cyclohexanol, 2-ethoxyethanol; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone; ethyl acetate, isobutyl acetate, etc. Esters of nitriles such as acetonitrile and malonnitrile; Amides such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidinone; Sulfoxides such as dimethyl sulfoxide and sulfolane; Diethyl ether And solvents such as ethers such as 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran and dioxane; hydrocarbons such as hexane, toluene and benzene; and chlorinated hydrocarbons such as chloroform and dichloromethane. These may be used alone or in combination of two or more. These solvents may contain water. One or two or more selected from ethanol, 1-propanol, tetrahydrofuran and chloroform from the viewpoint of easy drying operation, familiarity with hydrocarbon anion exchange membranes and good dispersibility with catalysts. It is preferable that it is a combination.

前記炭化水素系陰イオン交換樹脂の有機溶媒に対する溶解度(20℃における飽和溶液中の上記炭化水素系陰イオン交換樹脂濃度)は、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることが特に好ましい。イオン伝導性付与剤が溶液状態である場合、溶液中の前記炭化水素系陰イオン交換樹脂の濃度は特に限定されないが、通常1〜20質量%であり、2〜15質量%であることが好ましい。この濃度は、溶媒と炭化水素系陰イオン交換樹脂の組合せ、アノード触媒に対する使用量、粘度、施用時の浸透性等に応じて適宜決定すればよい。   The solubility of the hydrocarbon-based anion exchange resin in an organic solvent (the concentration of the hydrocarbon-based anion exchange resin in a saturated solution at 20 ° C.) is preferably 1% by mass or more, and preferably 3% by mass or more. Is particularly preferred. When the ion conductivity-imparting agent is in a solution state, the concentration of the hydrocarbon-based anion exchange resin in the solution is not particularly limited, but is usually 1 to 20% by mass, and preferably 2 to 15% by mass. . This concentration may be appropriately determined according to the combination of the solvent and the hydrocarbon-based anion exchange resin, the amount used for the anode catalyst, the viscosity, the permeability during application, and the like.

上記炭化水素系陰イオン交換樹脂を懸濁液として使用する場合、分散媒は特に限定されないが、上記の有機溶媒のうち炭化水素系陰イオン交換樹脂を溶解しない溶媒や水が使用される。また、懸濁液中の炭化水素系陰イオン交換樹脂の含有量は特に限定されないが、上記溶液状態である場合と同程度とするのが好ましい。   When the hydrocarbon-based anion exchange resin is used as a suspension, the dispersion medium is not particularly limited, but a solvent or water that does not dissolve the hydrocarbon-based anion exchange resin among the above organic solvents is used. Further, the content of the hydrocarbon-based anion exchange resin in the suspension is not particularly limited, but is preferably set to the same level as that in the solution state.

本発明で使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂は、陰イオン交換樹脂として従来公知のものの中から本発明で特定する条件を満足するものを適宜選択するか、合成して使用すればよい。一般に、水や有機溶媒に対する溶解性や、ヤング率は、炭化水素系陰イオン交換樹脂中に存在する陰イオン交換基の量、分子量、架橋度、樹脂の主鎖構造によって制御される。そのため、炭化水素系陰イオン交換樹脂の選択に際しては、このような点に着目して選択するのが好適である。また、上記のような因子は、陰イオン交換基を有する炭化水素系陰イオン交換樹脂の一般的な合成方法において合成条件を変えることにより容易に調整できる。本発明で使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂の合成方法は特に制限されないが、例えば以下に示すような方法で容易に合成することができる。   The hydrocarbon-based anion exchange resin used in the present invention may be appropriately selected from those conventionally known as anion exchange resins, or may be synthesized and used. In general, the solubility in water and organic solvents and the Young's modulus are controlled by the amount of anion exchange groups present in the hydrocarbon-based anion exchange resin, the molecular weight, the degree of crosslinking, and the main chain structure of the resin. Therefore, when selecting the hydrocarbon-based anion exchange resin, it is preferable to select with attention to such points. Moreover, the above factors can be easily adjusted by changing the synthesis conditions in a general synthesis method of a hydrocarbon-based anion exchange resin having an anion exchange group. The method for synthesizing the hydrocarbon-based anion exchange resin used in the present invention is not particularly limited, but can be easily synthesized, for example, by the following method.

前記炭化水素系陰イオン交換樹脂は、陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体又は陰イオン交換基を有する単量体と共役ジエン化合物とを、有機溶媒及び水に対する溶解特性が前記の条件を満足するように重合する。その後、陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体を用いた場合には、陰イオン交換基の導入処理を施す。使用する単量体の種類とその組合せ及び量;陰イオン交換基の導入量;高分子の重合度等を調整することにより、前記炭化水素系陰イオン交換樹脂は容易に合成することができる。   The hydrocarbon-based anion exchange resin has a property of dissolving a monomer having a functional group into which an anion exchange group can be introduced or a monomer having an anion exchange group and a conjugated diene compound in an organic solvent and water. Polymerization is performed so as to satisfy the above conditions. Thereafter, when a monomer having a functional group capable of introducing an anion exchange group is used, an anion exchange group introduction treatment is performed. The hydrocarbon-based anion exchange resin can be easily synthesized by adjusting the types and combinations and amounts of the monomers used; the amount of anion exchange groups introduced; the degree of polymerization of the polymer, and the like.

陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体としては、スチレン、α−メチルスチレン、クロルメチルスチレン、ビニルピリジン、ビニルイミダゾール、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル化合物が例示される。陰イオン交換基の導入し易さの点から、スチレン、α−メチルスチレンが好ましい。陰イオン交換基を有する単量体としては、ビニルベンジルトリメチルアミン、ビニルベンジルトリエチルアミン等のアミノ基含有の芳香族ビニル化合物;ビニルピリジン、ビニルイミダゾール等の含窒素複素環系単量体;それらの塩類及びエステル類が例示される。   Examples of the monomer having a functional group into which an anion exchange group can be introduced include aromatic vinyl compounds such as styrene, α-methylstyrene, chloromethylstyrene, vinylpyridine, vinylimidazole, and vinylnaphthalene. From the viewpoint of easy introduction of an anion exchange group, styrene and α-methylstyrene are preferable. As monomers having an anion exchange group, amino group-containing aromatic vinyl compounds such as vinylbenzyltrimethylamine and vinylbenzyltriethylamine; nitrogen-containing heterocyclic monomers such as vinylpyridine and vinylimidazole; salts thereof and the like Examples are esters.

共役ジエン化合物としては、ブタジエン、イソプレン、クロロプレン、1,3−ペンタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエンが例示される。その使用量は特に限定されないが、炭化水素系陰イオン交換樹脂中における共役ジエン化合物単位の含有率は5〜85質量%であり、特に10〜75質量%であることが一般的である。   Examples of the conjugated diene compound include butadiene, isoprene, chloroprene, 1,3-pentadiene, and 2,3-dimethyl-1,3-butadiene. The amount used is not particularly limited, but the content of the conjugated diene compound unit in the hydrocarbon-based anion exchange resin is 5 to 85% by mass, and generally 10 to 75% by mass.

上記の陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体、陰イオン交換基を有する単量体、共役ジエン化合物の他に、必要に応じてこれらの単量体と共重合可能な架橋性単量体を添加してもよい。架橋性単量体としては、特に制限されないが、例えば、ジビニルベンゼン類;ジビニルスルホン、ジビニルビフェニル、トリビニルベンゼン等の多官能性ビニル化合物;トリメチロールメタントリメタクリル酸エステル、メチレンビスアクリルアミド、ヘキサメチレンジメタクリルアミド等の多官能性メタクリル酸誘導体が例示される。これらの架橋性単量体を用いる場合、その使用量は一般には、陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体又は陰イオン交換基を有する単量体100質量部に対して、0.01〜5質量部、好適には0.05〜1質量部から採択される。架橋性単量体が0.01質量部以下の場合には、得られる陰イオン交換基を有する炭化水素系高分子は、水に可溶となり易い。また、架橋性単量体が5質量部以上の場合には、有機溶媒に不溶になり易い。   In addition to the above-mentioned monomer having a functional group capable of introducing an anion exchange group, a monomer having an anion exchange group, and a conjugated diene compound, a crosslinkable copolymer with these monomers as required A sex monomer may be added. Although it does not restrict | limit especially as a crosslinkable monomer, For example, Divinylbenzenes; Polyfunctional vinyl compounds, such as divinyl sulfone, divinyl biphenyl, and trivinylbenzene; Trimethylol methane trimethacrylate, Methylenebisacrylamide, Hexamethylene Examples are polyfunctional methacrylic acid derivatives such as dimethacrylamide. When these crosslinkable monomers are used, the amount used is generally based on 100 parts by mass of a monomer having a functional group into which an anion exchange group can be introduced or a monomer having an anion exchange group. It is selected from 0.01 to 5 parts by mass, preferably 0.05 to 1 part by mass. When the crosslinkable monomer is 0.01 parts by mass or less, the resulting hydrocarbon polymer having an anion exchange group is likely to be soluble in water. Further, when the crosslinkable monomer is 5 parts by mass or more, it is easily insoluble in an organic solvent.

上記の陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体、陰イオン交換基を有する単量体、共役ジエン化合物や架橋性単量体の他に、必要に応じてこれらの単量体と共重合可能な他の単量体を添加してもよい。このような他の単量体としては、エチレン、プロピレン、ブチレン、アクリロニトリル、塩化ビニル、アクリル酸エステル等のビニル化合物が例示される。その使用量は、陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体又は陰イオン交換基を有する単量体100質量部に対して0〜100質量部が好ましい。   In addition to the monomer having a functional group into which the anion exchange group can be introduced, a monomer having an anion exchange group, a conjugated diene compound or a crosslinkable monomer, these monomers may be used as necessary. Other monomers copolymerizable with may be added. Examples of such other monomers include vinyl compounds such as ethylene, propylene, butylene, acrylonitrile, vinyl chloride, and acrylic acid esters. The amount used is preferably 0 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the monomer having a functional group into which an anion exchange group can be introduced or the monomer having an anion exchange group.

重合方法は、溶液重合、懸濁重合、乳化重合等の公知の重合法が採用される。重合方法は特に限定されるものではなく、単量体組成物の組成等に応じて適宜選択すればよい。スチレン等の上記例示した単量体を用いる場合、1万〜100万、好ましくは5万〜40万の平均分子量になるような重合条件で重合させるのが好ましい。陰イオン交換基を有する単量体を用いる場合には、このようにして重合を行うことにより本発明で使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂を得ることができる。また、陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体を用いる場合には、このような重合で得られる重合体についてアミノ化、アルキル化等の公知の諸方法により所望の陰イオン交換基を導入することにより本発明で使用する炭化水素系陰イオン交換樹脂を得ることができる。   As the polymerization method, known polymerization methods such as solution polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization are employed. The polymerization method is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the composition of the monomer composition. When the above exemplified monomers such as styrene are used, the polymerization is preferably performed under polymerization conditions such that the average molecular weight is 10,000 to 1,000,000, preferably 50,000 to 400,000. When a monomer having an anion exchange group is used, the hydrocarbon-based anion exchange resin used in the present invention can be obtained by performing polymerization in this manner. In addition, when a monomer having a functional group into which an anion exchange group can be introduced is used, the polymer obtained by such polymerization is subjected to desired anion exchange by various known methods such as amination and alkylation. By introducing a group, the hydrocarbon-based anion exchange resin used in the present invention can be obtained.

なお、上記の方法による場合、炭化水素系陰イオン交換樹脂はハロゲンイオンを対イオンとして得られることが多い。本発明においてイオン伝導性付与剤は、で該ハロゲンイオンを対イオンとする炭化水素系陰イオン交換樹脂を用いてもよいが、該ハロゲンイオンを予めOH、HCO 、CO 2−にイオン交換した炭化水素系陰イオン交換樹脂を用いることが好ましい。前者のイオン伝導性付与剤を用いた場合、後述の触媒層やMEAを作成した後、該ハロゲンイオンをOH、HCO 、CO 2−にイオン交換する。該イオン交換の方法は特に制限されず、公知の方法を用いることができる。例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カリウムナトリウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素アンモニウムなどの水溶液に、前記ハロゲンイオンを対イオンとする炭化水素系陰イオン交換樹脂を、2〜10時間浸漬することによって行うことができる。操作の安全性や、得られる陰イオン交換樹脂の安定性の点から、HCO 、CO 2−形とすることが最も好ましい。 In the above method, the hydrocarbon-based anion exchange resin is often obtained using halogen ions as counter ions. In the present invention, the ion conductivity-imparting agent may be a hydrocarbon-based anion exchange resin having the halogen ion as a counter ion. However, the halogen ion is previously converted to OH , HCO 3 , CO 3 2− . It is preferable to use an ion-exchanged hydrocarbon anion exchange resin. When the former ion conductivity-imparting agent is used, after producing a catalyst layer and MEA described later, the halogen ions are ion-exchanged into OH , HCO 3 , and CO 3 2− . The ion exchange method is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a hydrocarbon system in which an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium potassium carbonate, ammonium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, ammonium hydrogen carbonate, or the like is used as a counter ion. It can be performed by immersing the anion exchange resin for 2 to 10 hours. From the viewpoint of operational safety and stability of the obtained anion exchange resin, it is most preferable to use HCO 3 and CO 3 2− forms.

なお、上記の方法の中でも、効果の高い前記炭化水素系陰イオン交換樹脂を容易に得ることができることから、前記した単量体から複数の種類の単量体を選んでハードセグメントとソフトセグメントを構成するように(通常、芳香族ビニル化合物の重合ブロックがハードセグメントを構成し、共役ジエン化合物の重合ブロックがソフトセグメントを構成する)ブロック共重合を行って所謂熱可塑性エラストマーとした後、陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体を用いた場合には陰イオン交換基の導入処理を施す方法が特に好適である。   Among the above methods, since the highly effective hydrocarbon-based anion exchange resin can be easily obtained, the hard segment and the soft segment are selected by selecting a plurality of types of monomers from the monomers described above. After forming a so-called thermoplastic elastomer by block copolymerization (usually, the polymer block of the aromatic vinyl compound forms a hard segment and the polymer block of a conjugated diene compound forms a soft segment), an anion In the case of using a monomer having a functional group into which an exchange group can be introduced, a method of performing an anion exchange group introduction treatment is particularly suitable.

この場合には、熱可塑性エラストマーの一般的な合成方法に準じて、共重合させる単量体の組合せを決定し、常法に従って重合を行えばよい。陰イオン交換基が導入可能な熱可塑性エラストマーとしては、ポリスチレン−ポリブタジエン−ポリスチレントリブロック共重合体(SBS)、ポリスチレン−ポリイソプレン−ポリスチレントリブロック共重合体(SIS)、また、SBS、SISをそれぞれ水素添加したポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体(SEBS)、ポリスチレン−ポリ(エチレン−プロピレン)−ポリスチレントリブロック(SEPS)共重合体が例示される。陰イオン交換基を有する熱可塑性エラストマーとしては、ポリスチレン−ポリビニルピリジン−ポリブタジエントリブロック共重合体、ポリスチレン−ポリビニルピリジン−ポリイソプレントリブロック共重合体が例示される。このような、共重合体を与える単量体の組合せを採用すればよい。なお、陰イオン交換基が導入可能な熱可塑性エラストマーとしては、イオン交換基を導入する工程での安定性の点から、SEBS、SEPSが好ましい。   In this case, a combination of monomers to be copolymerized may be determined according to a general method for synthesizing a thermoplastic elastomer, and polymerization may be performed according to a conventional method. Examples of thermoplastic elastomers into which anion exchange groups can be introduced include polystyrene-polybutadiene-polystyrene triblock copolymer (SBS), polystyrene-polyisoprene-polystyrene triblock copolymer (SIS), and SBS and SIS, respectively. Examples include hydrogenated polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer (SEBS) and polystyrene-poly (ethylene-propylene) -polystyrene triblock (SEPS) copolymer. Examples of the thermoplastic elastomer having an anion exchange group include a polystyrene-polyvinylpyridine-polybutadiene triblock copolymer and a polystyrene-polyvinylpyridine-polyisoprene triblock copolymer. What is necessary is just to employ | adopt the combination of the monomer which gives such a copolymer. In addition, as a thermoplastic elastomer into which an anion exchange group can be introduced, SEBS and SEPS are preferable from the viewpoint of stability in the step of introducing an ion exchange group.

重合を行う際の単量体組成は特に限定されないが、ブロック共重合体における芳香族ビニル化合物単位の含有率は、電気的特性、機械的特性の点から5〜70質量%であることが好ましく、10〜50質量%であることが特に好ましい。   The monomer composition at the time of polymerization is not particularly limited, but the content of the aromatic vinyl compound unit in the block copolymer is preferably 5 to 70% by mass from the viewpoint of electrical characteristics and mechanical characteristics. 10 to 50% by mass is particularly preferable.

芳香族ビニル化合物と共役ジエン化合物の共重合方法は特に限定されず、アニオン重合、カチオン重合、配位重合、ラジカル重合等の公知の方法が採用される。ブロック構造を制御し易いという理由により、リビングアニオン重合が特に好ましい。なお、ブロック共重合の形態としては、ジブロック共重合、トリブロック共重合、ラジアルブロック共重合、マルチブロック共重合のいずれであってもよいが、末端ブロックがお互いに凝集してドメインを形成し易いという理由から、トリブロック共重合が好ましい。また、熱可塑性樹脂のように成形加工し易いという理由から、各ブロック共重合体の平均分子量は0.5万〜30万、特に1万〜15万になるような重合条件で重合するのが好ましい。ブロック共重合体の共役ジエン部分を水素添加する場合には、水素添加率が95%以上になるよう水素を添加するのが好ましい。陰イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体を用いる場合、陰イオン交換基の導入は、前記と同様に行うことができる。   The copolymerization method of the aromatic vinyl compound and the conjugated diene compound is not particularly limited, and a known method such as anionic polymerization, cationic polymerization, coordination polymerization, radical polymerization or the like is employed. Living anionic polymerization is particularly preferred because it is easy to control the block structure. The form of block copolymerization may be any of diblock copolymerization, triblock copolymerization, radial block copolymerization, and multiblock copolymerization, but the end blocks aggregate together to form a domain. Triblock copolymerization is preferred because it is easy. In addition, for the reason that it is easy to mold and process like a thermoplastic resin, the average molecular weight of each block copolymer is from 50,000 to 300,000, particularly 10,000 to 150,000. preferable. When hydrogenating the conjugated diene portion of the block copolymer, it is preferable to add hydrogen so that the hydrogenation rate is 95% or more. When using a monomer having a functional group into which an anion exchange group can be introduced, the anion exchange group can be introduced in the same manner as described above.

本発明において、イオン伝導性付与剤は、炭化水素系陰イオン交換膜を固体高分子電解質膜として用いる陰イオン交換型燃料電池のアノード触媒層に使用される。カソードの電極反応で消費される水分をアノード側からも速やかに、かつ、長時間にわたって欠乏を生じることなく供給することができる。特に、燃料ガスを低湿度で供給する場合に効果が大きい。   In the present invention, the ion conductivity-imparting agent is used in the anode catalyst layer of an anion exchange type fuel cell using a hydrocarbon-based anion exchange membrane as a solid polymer electrolyte membrane. Moisture consumed by the cathode electrode reaction can be supplied from the anode side quickly and without deficiency over a long period of time. This is particularly effective when supplying fuel gas at low humidity.

(アノード触媒層)
本発明におけるアノード触媒層は、アノード触媒と上記イオン伝導性付与剤とからなる。
(Anode catalyst layer)
The anode catalyst layer in the present invention comprises an anode catalyst and the ion conductivity imparting agent.

アノード触媒としては、水素やメタノールなどの燃料の酸化反応を促進する公知の触媒が特に制限なく使用可能である。このようなアノード触媒としては、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、スズ、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、バナジウム、及びそれらの合金等の金属粒子が例示される。これらは単体又は1種以上を含有する合金として使用される。触媒活性が優れていることから白金族触媒(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金)、または該白金族触媒と非貴金属の合金を用いるのが好ましい。非貴金属との合金の場合、該非貴金属元素としては、チタン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、クロムが例示される。   As the anode catalyst, a known catalyst that accelerates the oxidation reaction of fuel such as hydrogen or methanol can be used without any particular limitation. Examples of such an anode catalyst include metal particles such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, osmium, tin, iron, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium, and alloys thereof. . These are used alone or as an alloy containing one or more. Since the catalytic activity is excellent, it is preferable to use a platinum group catalyst (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum) or an alloy of the platinum group catalyst and a non-noble metal. In the case of an alloy with a non-noble metal, examples of the non-noble metal element include titanium, manganese, iron, cobalt, nickel, and chromium.

これらアノード触媒となる金属などの粒子の粒径は、通常、0.1〜100nmであり、0.5〜10nmが好ましい。粒径が小さいほど触媒性能は高くなるが、0.5nm未満のものは、作製が困難である。100nmより大きいと十分な触媒性能が得難くなる。   The particle size of the metal or the like serving as the anode catalyst is usually 0.1 to 100 nm, preferably 0.5 to 10 nm. The smaller the particle size, the higher the catalyst performance, but those having a particle size of less than 0.5 nm are difficult to produce. If it is larger than 100 nm, it is difficult to obtain sufficient catalyst performance.

これらアノード触媒は、上記金属粒子などをそのまま使用してもよいし、予め導電剤に担持させてから使用してもよい。導電剤としては、電子導電性物質であれば特に限定されないが、例えば、ファーネスブラックやアセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛を単独又は混合して使用するのが一般的である。触媒の含有量は、アノード触媒層をシート状とした状態における単位面積当たりの金属質量で、通常0.01〜10mg/cmであり、0.1〜5.0mg/cmが好ましい。 These anode catalysts may use the above metal particles or the like as they are, or may be used after being previously supported on a conductive agent. The conductive agent is not particularly limited as long as it is an electronic conductive material. For example, carbon black such as furnace black and acetylene black, activated carbon, and graphite are generally used alone or in combination. The catalyst content is a metal mass per unit area in a state where the anode catalyst layer is in a sheet form, and is usually 0.01 to 10 mg / cm 2 , and preferably 0.1 to 5.0 mg / cm 2 .

これらアノード触媒粒子を上記陰イオン伝導性付与剤、及び必要に応じて結着剤や分散媒等と混合してアノード触媒層形成用組成物を調製し、以下に詳述する方法で炭化水素系陰イオン交換膜の一表面に層状に接合される。   These anode catalyst particles are mixed with the above anionic conductivity-imparting agent and, if necessary, a binder or a dispersion medium to prepare a composition for forming an anode catalyst layer. A layer is bonded to one surface of the anion exchange membrane.

アノード触媒層形成用組成物には、アノード触媒やアノード触媒が担持される導電剤の他に、結着剤、アノード触媒が担持されていない導電剤等が含まれていても良い。本発明のイオン伝導性付与剤が溶液状態である場合、アノード触媒層形成用組成物には、触媒坦持量の調整やアノード触媒層の膜厚を調整するため、前記イオン伝導性付与剤に使用されている溶媒と同様の溶媒を、組成物調製時にさらに添加して、その粘度を調整しても良い。さらに、触媒と有機溶媒の接触による発熱等を防止する目的で、触媒が担持された導電剤と水とを混合し、これを前記したイオン伝導性付与剤に混合しても良い。   The composition for forming an anode catalyst layer may contain a binder, a conductive agent not supporting the anode catalyst, and the like in addition to the anode catalyst and the conductive agent supporting the anode catalyst. When the ion conductivity-imparting agent of the present invention is in a solution state, the composition for forming an anode catalyst layer includes the ion conductivity-imparting agent in order to adjust the amount of supported catalyst and the film thickness of the anode catalyst layer. A solvent similar to the solvent used may be further added during the preparation of the composition to adjust its viscosity. Furthermore, for the purpose of preventing heat generation due to contact between the catalyst and the organic solvent, a conductive agent carrying the catalyst and water may be mixed and mixed with the above-described ion conductivity-imparting agent.

ここで、結着剤とは、アノード触媒層を形作り、その形状を保持するための物質であり、一般的に熱可塑性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、スチレン・ブタジエン共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン共重合体が例示される。アノード触媒層における該結着剤の含有量は、アノード触媒層の湿潤し易い性状を妨げないよう、アノード触媒層の0〜25質量%であることが好ましい。また、アノード触媒層における該結着剤の含有量は、触媒粒子100質量部に対して、10質量部以下であることが好ましい。結着剤は、単独で使用しても良いし、2種類以上を混合して使用しても良い。触媒が担持されていない導電剤としては、上記した触媒を担持させる導電剤として例示されたものが使用可能である。   Here, the binder is a substance for forming an anode catalyst layer and maintaining the shape, and a thermoplastic resin is generally used. The thermoplastic resins include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, polyether ether ketone, polyether sulfone, styrene / butadiene copolymer, and acrylonitrile / butadiene copolymer. Illustrated. The content of the binder in the anode catalyst layer is preferably 0 to 25% by mass of the anode catalyst layer so as not to hinder the property of the anode catalyst layer that is easily wetted. Moreover, it is preferable that content of this binder in an anode catalyst layer is 10 mass parts or less with respect to 100 mass parts of catalyst particles. A binder may be used independently and may mix and use two or more types. As the conductive agent not supporting the catalyst, those exemplified as the conductive agent supporting the above-described catalyst can be used.

アノード触媒層形成用組成物には、上記イオン伝導性付与剤を1〜70質量%含むことが好ましく、2〜50質量%含むことが特に好ましい。また、アノード触媒層形成用組成物には、アノード触媒を金属換算で0.5〜99質量%含むことが好ましく、1〜97質量%含むことが特に好ましい。導電剤に担持されているアノード触媒を用いる場合、アノード触媒金属含有量が前記の範囲であれば、導電剤含有量は制限されない。アノード触媒層形成用組成物におけるアノード触媒(アノード触媒が導電剤に担持されている場合には、該導電剤とアノード触媒との合計質量である。)とイオン伝導性付与剤との比率(アノード触媒/イオン伝導性付与剤)は、質量比で99/1〜20/80であることが好ましく、98/2〜40/60であることがより好ましい。   The composition for forming an anode catalyst layer preferably contains 1 to 70% by mass of the ion conductivity-imparting agent, and particularly preferably 2 to 50% by mass. The composition for forming an anode catalyst layer preferably contains 0.5 to 99% by mass, and particularly preferably 1 to 97% by mass, of the anode catalyst in terms of metal. When the anode catalyst supported on the conductive agent is used, the conductive agent content is not limited as long as the anode catalyst metal content is within the above range. The ratio of the anode catalyst in the composition for forming an anode catalyst layer (when the anode catalyst is supported on a conductive agent, the total mass of the conductive agent and the anode catalyst) to the ion conductivity imparting agent (anode The catalyst / ion conductivity imparting agent) is preferably 99/1 to 20/80 by mass ratio, and more preferably 98/2 to 40/60.

アノード触媒層形成用組成物を調製する方法は特に制限なく、当該分野で公知の方法が採用される。例えば、上述のイオン伝導性付与剤と、触媒又は触媒が担持された導電剤等とを混合し、スターラー、ボールミル、混練機等を用いる攪拌や超音波分散等により、1〜24時間混合分散してアノード触媒層形成用組成物を調製する方法が挙げられる。   A method for preparing the anode catalyst layer forming composition is not particularly limited, and a method known in the art is employed. For example, the above-described ion conductivity-imparting agent and a catalyst or a conductive agent carrying a catalyst are mixed, and mixed and dispersed for 1 to 24 hours by stirring or ultrasonic dispersion using a stirrer, ball mill, kneader or the like. And a method for preparing a composition for forming an anode catalyst layer.

本発明のアノード触媒層は前記アノード触媒層形成用組成物を所望の形状に形成した後に溶媒を除去することにより作製される。本発明のアノード触媒層を形成する方法は特に制限なく、当該分野で公知の方法が採用される。   The anode catalyst layer of the present invention is produced by forming the anode catalyst layer forming composition into a desired shape and then removing the solvent. The method for forming the anode catalyst layer of the present invention is not particularly limited, and methods known in the art are employed.

例えば、上記のアノード触媒層形成用組成物を支持材料に塗布して乾燥させる方法や、上記のアノード触媒層形成用組成物をポリテトラフルオロエチレン製などの剥離シートに塗布して乾燥させる方法、上記のアノード触媒層形成用組成物を炭化水素系陰イオン交換膜へ直接塗布して乾燥させる方法が挙げられる。乾燥方法は室温で静置したり、有機溶媒の沸点以下の温度で風乾したりする等、一般に知られている方法を制限なく用いることができる。   For example, a method of applying the anode catalyst layer forming composition to a support material and drying, or a method of applying the anode catalyst layer forming composition to a release sheet made of polytetrafluoroethylene and drying the composition, Examples include a method in which the composition for forming an anode catalyst layer is directly applied to a hydrocarbon-based anion exchange membrane and dried. As a drying method, a generally known method such as standing at room temperature or air drying at a temperature lower than the boiling point of the organic solvent can be used without limitation.

本発明のアノード触媒層は、スクリーン印刷、グラビア印刷、スプレー印刷などの方法でアノード触媒層形成用組成物を印刷した後、乾燥させることによって形成することもできる。   The anode catalyst layer of the present invention can also be formed by printing a composition for forming an anode catalyst layer by a method such as screen printing, gravure printing or spray printing and then drying it.

乾燥時間は、アノード触媒層形成用組成物に含まれている溶媒にもよるが、通常、室温で0.1〜24時間程度である。必要に応じて、減圧下で0.1〜5時間程度乾燥させても良い。   The drying time is usually about 0.1 to 24 hours at room temperature, although it depends on the solvent contained in the anode catalyst layer forming composition. As needed, you may dry about 0.1 to 5 hours under reduced pressure.

通常、塗布又は印刷は、乾燥後のアノード触媒層の厚みが5〜50μmとなるように行われる。   Usually, application | coating or printing is performed so that the thickness of the anode catalyst layer after drying may be 5-50 micrometers.

支持材料としては、多孔質の材料が使用される。具体的には、カーボン繊維の織布や不織布、カーボンペーパー等が使用される。支持材料の厚みは、50〜300μmが好ましく、その空隙率は50〜90%が好ましい。これら支持材料は、従来公知の方法により撥水処理を施しておいても良い。さらには、前記した、触媒を担持させる導電剤とポリテトラフルオロエチレンなどの撥水作用を持つ結着剤とからなる導電性多孔質層(multi porous layer、以下「MPL」と呼ぶ)を、触媒層が形成される面上に形成させてから用いても良い。MPLが形成されている支持材料は、特に、電極反応で水が生成するアノード側で用いるのが好適である。これらの支持材料は、電子伝導性を有しており、触媒層から燃料電池の出力を外部に伝達する役目も担っている。アノード触媒層形成用組成物を支持材料に支持させる場合には、その空隙内や陰イオン交換膜との接合面に充填及び付着させる。   A porous material is used as the support material. Specifically, carbon fiber woven or non-woven fabric, carbon paper or the like is used. The thickness of the support material is preferably 50 to 300 μm, and the porosity is preferably 50 to 90%. These supporting materials may be subjected to a water repellent treatment by a conventionally known method. Further, the conductive porous layer (hereinafter referred to as “MPL”) composed of a conductive agent for supporting the catalyst and a binder having a water repellent action such as polytetrafluoroethylene is used as the catalyst. You may use, after forming on the surface in which a layer is formed. The support material on which MPL is formed is particularly suitable for use on the anode side where water is generated by an electrode reaction. These supporting materials have electronic conductivity, and also have a role of transmitting the output of the fuel cell from the catalyst layer to the outside. When the composition for forming an anode catalyst layer is supported on a support material, it is filled and adhered in the voids or on the joint surface with the anion exchange membrane.

上記剥離シートとしては、剥離性に優れ、表面が平滑な樹脂製シートが好ましく用いられる。特に、厚さ50〜200μmのポリテトラフルオロエチレンやポリエチレンテレフタレートのシートが好ましい。   As the release sheet, a resin sheet having excellent peelability and a smooth surface is preferably used. In particular, a sheet of polytetrafluoroethylene or polyethylene terephthalate having a thickness of 50 to 200 μm is preferable.

(カソード触媒)
本発明のカソード触媒層は、カソード触媒とイオン伝導性付与剤とからなる。カソード触媒としては、酸素の還元反応を促進する公知の触媒が特に制限なく使用可能である。このようなカソード触媒としては、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、スズ、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、バナジウム、及びそれらの合金等の金属粒子が例示される。触媒活性が優れていることから白金族触媒(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金)や銀を用いるのが好適である。これらは単体又は1種以上を含有する合金として使用される。非貴金属との合金の場合、該非貴金属元素としては、チタン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、クロムが例示される。
カソード触媒としては、各種の金属酸化物を触媒として使用することも可能である。例えば、酸化活性に優れているABOで表されるペロブスカイト型酸化物も好適に使用できる。具体的には、LaMnO、LaFeO、LaCrO、LaCoO、LaNiOなど;前記のAサイトの一部をSr、Ca、Ba、Ce、Agなどで部分置換したもの;前記のBサイトの一部をPd、Pt、Ru、Agなどで部分置換したものが例示される。
(Cathode catalyst)
The cathode catalyst layer of the present invention comprises a cathode catalyst and an ion conductivity imparting agent. As the cathode catalyst, a known catalyst that promotes the reduction reaction of oxygen can be used without particular limitation. Examples of such cathode catalysts include metal particles such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, osmium, tin, iron, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium, and alloys thereof. . It is preferable to use a platinum group catalyst (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum) or silver because of its excellent catalytic activity. These are used alone or as an alloy containing one or more. In the case of an alloy with a non-noble metal, examples of the non-noble metal element include titanium, manganese, iron, cobalt, nickel, and chromium.
As the cathode catalyst, various metal oxides can be used as the catalyst. For example, a perovskite oxide represented by ABO 3 having excellent oxidation activity can also be used suitably. Specifically, LaMnO 3 , LaFeO 3 , LaCrO 3 , LaCoO 3 , LaNiO 3, etc .; a part of the A site partially substituted with Sr, Ca, Ba, Ce, Ag, etc .; Examples in which a part is partially substituted with Pd, Pt, Ru, Ag, etc. are exemplified.

また、カソード触媒層の形成に用いるイオン伝導性付与剤は、特に制限されない。例えば、前記特許文献7に示される陰イオン交換容量が0.5〜1.5mmol/gの炭化水素系陰イオン交換樹脂等が使用できるし、本発明でアノード触媒層用に使用する前記陰イオン交換容量が1.8〜3.5mmol/gの炭化水素系陰イオン交換樹脂を用いることもできる。その他、アノード触媒層で説明した種々の要件は、該カソード触媒層の形成にも準じて適用される。   Moreover, the ion conductivity imparting agent used for forming the cathode catalyst layer is not particularly limited. For example, a hydrocarbon anion exchange resin having an anion exchange capacity of 0.5 to 1.5 mmol / g shown in Patent Document 7 can be used, and the anion used for the anode catalyst layer in the present invention can be used. A hydrocarbon-based anion exchange resin having an exchange capacity of 1.8 to 3.5 mmol / g can also be used. In addition, the various requirements described for the anode catalyst layer are also applied in accordance with the formation of the cathode catalyst layer.

(MEA)
本発明の陰イオン交換膜型燃料電池用のMEAは、炭化水素系陰イオン交換膜と、この炭化水素系陰イオン交換膜の一表面上に形成される上記アノード触媒層と、からなる構造を含んでなる。即ち、本発明のMEAは、炭化水素系陰イオン交換膜の一表面にアノード触媒層が接合されるMEAであって、該炭化水素系陰イオン交換膜とアノード触媒層との間に、上記イオン伝導性付与剤が介在する。
(MEA)
An MEA for an anion exchange membrane fuel cell of the present invention has a structure comprising a hydrocarbon anion exchange membrane and the anode catalyst layer formed on one surface of the hydrocarbon anion exchange membrane. Comprising. That is, the MEA of the present invention is an MEA in which an anode catalyst layer is bonded to one surface of a hydrocarbon-based anion exchange membrane, and the ion-exchange membrane is interposed between the hydrocarbon-based anion exchange membrane and the anode catalyst layer. A conductivity-imparting agent is present.

図2は、本発明のMEAの基本構造を示す概念図である。図2中、20はMEAであり、25は炭化水素系陰イオン交換膜である。炭化水素系陰イオン交換膜25の一表面にはアノード触媒層23が形成されている。炭化水素系陰イオン交換膜25の他表面には、カソード触媒層27が形成されている。アノード触媒層23は、本発明のイオン伝導性付与剤及びアノード触媒粒子とから形成されている。   FIG. 2 is a conceptual diagram showing the basic structure of the MEA of the present invention. In FIG. 2, 20 is an MEA, and 25 is a hydrocarbon-based anion exchange membrane. An anode catalyst layer 23 is formed on one surface of the hydrocarbon-based anion exchange membrane 25. A cathode catalyst layer 27 is formed on the other surface of the hydrocarbon-based anion exchange membrane 25. The anode catalyst layer 23 is formed from the ion conductivity-imparting agent of the present invention and anode catalyst particles.

図3は、本発明のMEAの他の基本構造を示す概念図である。図3中、30はMEAであり、35は炭化水素系陰イオン交換膜である。炭化水素系陰イオン交換膜35の一表面にはアノード触媒層34が形成されている。炭化水素系陰イオン交換膜35の他表面には、カソード触媒層36が形成されている。アノード触媒層36は、アノード触媒粒子及び本発明のイオン伝導性付与剤を必須成分として形成されている。図3中の33及び37はガス拡散層である。   FIG. 3 is a conceptual diagram showing another basic structure of the MEA of the present invention. In FIG. 3, 30 is an MEA, and 35 is a hydrocarbon-based anion exchange membrane. An anode catalyst layer 34 is formed on one surface of the hydrocarbon-based anion exchange membrane 35. A cathode catalyst layer 36 is formed on the other surface of the hydrocarbon-based anion exchange membrane 35. The anode catalyst layer 36 is formed using anode catalyst particles and the ion conductivity-imparting agent of the present invention as essential components. Reference numerals 33 and 37 in FIG. 3 denote gas diffusion layers.

(i)炭化水素系陰イオン交換膜
本発明において、炭化水素系陰イオン交換膜(以下、「陰イオン交換膜」と略記する場合がある。)は、公知の陰イオン交換膜を使用できるが。特に、多孔質膜を母材とし、その空隙部に陰イオン交換樹脂が充填された陰イオン交換膜を使用することが好ましい。このような多孔質膜を母材とする陰イオン交換膜を使用することにより、多孔質膜が補強部材として働くため、電気抵抗を犠牲にすることなく、陰イオン交換膜の物理的強度を高めることができる。
(I) Hydrocarbon Anion Exchange Membrane In the present invention, a known anion exchange membrane can be used as the hydrocarbon anion exchange membrane (hereinafter sometimes abbreviated as “anion exchange membrane”). . In particular, it is preferable to use an anion exchange membrane in which a porous membrane is used as a base material and an air gap is filled with an anion exchange resin. By using an anion exchange membrane based on such a porous membrane, the porous membrane functions as a reinforcing member, so that the physical strength of the anion exchange membrane is increased without sacrificing electrical resistance. be able to.

本発明において、陰イオン交換膜の母材となる多孔質膜は、イオン交換膜の基材として使用できる公知のものを制限なく使用できる。具体的には、多孔質フィルム、不織布、織布、紙、不織紙、無機膜等を挙げることができる。これら多孔質膜の材質は、特に制限されるものではなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、無機物、及びこれらの混合物を使用できる。これらの多孔質膜の中でも、製造が容易であり、機械的強度、化学的安定性及び耐薬品性に優れ、陰イオン交換樹脂との馴染みがよい等の観点から、ポリオレフィンからなる多孔質膜(以下、「ポリオレフィン系多孔質膜」ともいう)を使用することが好ましい。   In the present invention, as the porous membrane serving as the base material of the anion exchange membrane, a known membrane that can be used as the base material of the ion exchange membrane can be used without limitation. Specifically, a porous film, a nonwoven fabric, a woven fabric, paper, a non-woven paper, an inorganic film, etc. can be mentioned. The material of these porous membranes is not particularly limited, and thermoplastic resins, thermosetting resins, inorganic materials, and mixtures thereof can be used. Among these porous membranes, a porous membrane made of polyolefin (from the viewpoint of easy production, excellent mechanical strength, chemical stability and chemical resistance, and good compatibility with anion exchange resins) Hereinafter, it is preferable to use a “polyolefin-based porous membrane”.

このようなポリオレフィン系多孔質膜としては、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、3−メチル−1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、5−メチル−1−ヘプテン等のα−オレフィンを単独重合又は共重合等して得られるポリオレフィンから製造されるものが例示される。これらの中でも、ポリエチレン、又はポリプロピレンからなる多孔質膜が好ましく、特に、ポリエチレンからなる多孔質膜が好ましい。   Examples of such polyolefin-based porous membrane include ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 3-methyl-1-butene, 4-methyl-1-pentene, and 5-methyl-1-heptene. The thing manufactured from the polyolefin obtained by homopolymerizing or copolymerizing alpha olefins, etc. is illustrated. Among these, a porous film made of polyethylene or polypropylene is preferable, and a porous film made of polyethylene is particularly preferable.

このようなポリオレフィン系多孔質膜は、例えば、特開平9−216964号公報、特開2002−338721号公報等に記載の方法によって得ることもできるし、あるいは、市販品、例えば、旭化成 商品名「ハイポア」、宇部興産 商品名「ユーポア」、東レバッテリーセパレータフィルム 商品名「セティーラ」、三菱樹脂 商品名「エクセポール」等として入手することもできる。   Such a polyolefin-based porous membrane can be obtained, for example, by a method described in JP-A-9-216964, JP-A-2002-338721, or the like, or a commercially available product such as Asahi Kasei's trade name “ It can also be obtained as "Hypore", Ube Industries product name "Yupor", Toray Battery Separator Film product name "Setilla", Mitsubishi Plastics product name "Exepor".

このようなポリオレフィン系多孔質膜の平均孔径は、得られる陰イオン交換膜の膜抵抗の小ささや機械的強度を勘案すると、一般に0.005〜5.0μmであり、0.01〜1.0μmであることがより好ましく、0.015〜0.4μmであることが最も好ましい。また、ポリオレフィン系多孔質膜の空隙率は、上記平均孔径と同様の理由により、一般に20〜95%であり、30〜80%であることが好ましく、30〜50%であることが最も好ましい。   The average pore diameter of such a polyolefin-based porous membrane is generally 0.005 to 5.0 μm and 0.01 to 1.0 μm in view of the small membrane resistance and mechanical strength of the obtained anion exchange membrane. More preferably, it is 0.015-0.4 micrometer. Further, the porosity of the polyolefin-based porous membrane is generally 20 to 95%, preferably 30 to 80%, and most preferably 30 to 50% for the same reason as the average pore diameter.

さらに、陰イオン交換膜の母材となる多孔質膜の膜厚は、一般に3〜200μmであり、膜抵抗のより小さい膜を得る観点等から5〜60μmであることが好ましく、水素等の燃料透過性の低さと必要な機械的強度とのバランスを考慮すると、7〜40μmであることが最も好ましい。   Furthermore, the thickness of the porous membrane that is the base material of the anion exchange membrane is generally 3 to 200 μm, and preferably 5 to 60 μm from the viewpoint of obtaining a membrane having a lower membrane resistance. Considering the balance between the low permeability and the required mechanical strength, it is most preferably 7 to 40 μm.

多孔質膜の空隙部に充填される陰イオン交換樹脂は、特に制限されるものではないが、多孔質膜との馴染み、密着性等を考慮すると、陰イオン交換基を除く樹脂部分が、架橋された炭化水素系重合体で構成されることが好ましい。ここで炭化水素系重合体とは、実質的に炭素−フッ素結合を含まず、重合体を構成する主鎖及び側鎖の結合の大部分が、炭素−炭素結合で構成されている重合体を指す。この炭化水素系重合体には、炭素−炭素結合の合間に、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、シロキサン結合等により酸素、窒素、珪素、硫黄、ホウ素、リン等の他の原子が少量含まれていてもよい。また、上記主鎖及び側鎖に結合する原子は、全てが水素原子である必要はなく、少量であれば塩素、臭素、フッ素、ヨウ素等の他の原子、又は他の原子を含む置換基により置換されていてもよい。これら炭素と水素以外の元素の量は、陰イオン交換基を除いた樹脂(重合体)を構成する全元素中40モル%以下、好適には10モル%以下であることが好ましい。   The anion exchange resin filled in the voids of the porous membrane is not particularly limited, but considering the familiarity and adhesion with the porous membrane, the resin portion excluding the anion exchange group is crosslinked. It is preferable that it is comprised with the made hydrocarbon polymer. Here, the hydrocarbon-based polymer is a polymer that does not substantially contain a carbon-fluorine bond, and most of the main chain and side chain bonds constituting the polymer are carbon-carbon bonds. Point to. This hydrocarbon polymer contains a small amount of other atoms such as oxygen, nitrogen, silicon, sulfur, boron, and phosphorus due to ether bonds, ester bonds, amide bonds, siloxane bonds, etc. between carbon-carbon bonds. It may be. Further, the atoms bonded to the main chain and the side chain do not need to be all hydrogen atoms, and if the amount is small, other atoms such as chlorine, bromine, fluorine, iodine, etc., or substituents containing other atoms May be substituted. The amount of these elements other than carbon and hydrogen is 40 mol% or less, preferably 10 mol% or less, based on all elements constituting the resin (polymer) excluding the anion exchange group.

本発明において、陰イオン交換膜における陰イオン交換基(多孔質膜の空隙部に充填する陰イオン交換樹脂が有する陰イオン交換基)は、特に制限されるものではないが、製造の容易さ、入手の容易さ等を考慮すると、4級アンモニウム塩基やピリジニウム塩基であることが好ましい。   In the present invention, the anion exchange group in the anion exchange membrane (anion exchange group possessed by the anion exchange resin filled in the voids of the porous membrane) is not particularly limited, but is easy to manufacture, Considering availability, etc., a quaternary ammonium base or a pyridinium base is preferable.

陰イオン交換膜の具体的な製造方法を以下に例示する。先ずハロゲノアルキル基を有する重合性単量体(例えば、クロロメチルスチレン、ブロモメチルスチレン、ヨードメチルスチレン)、架橋性重合性単量体(例えば、ジビニルベンゼン化合物)、及び有効量の重合開始剤(例えば、有機化酸化物)を含む重合性組成物を前記多孔質膜と接触させることにより、該多孔質膜の空隙部に該重合性組成物を充填させる。その後、空隙部に充填された該重合性組成物を重合硬化させ、次いで、ハロゲノアルキル基を前記陰イオン交換基に変換することにより陰イオン交換膜を製造することができる(以下、「接触重合法」ともいう)。なお、この接触重合法においては、前記重合性組成物にエポキシ化合物等を配合することもできる。   The specific manufacturing method of an anion exchange membrane is illustrated below. First, a polymerizable monomer having a halogenoalkyl group (for example, chloromethylstyrene, bromomethylstyrene, iodomethylstyrene), a crosslinkable polymerizable monomer (for example, a divinylbenzene compound), and an effective amount of a polymerization initiator ( For example, by bringing a polymerizable composition containing an organic oxide) into contact with the porous film, the voids of the porous film are filled with the polymerizable composition. Thereafter, the polymerizable composition filled in the voids is polymerized and cured, and then an anion exchange membrane can be produced by converting a halogenoalkyl group into the anion exchange group (hereinafter referred to as “contact weight”). Also called “legal”). In this contact polymerization method, an epoxy compound or the like can be blended with the polymerizable composition.

陰イオン交換膜のその他の製造方法を例示する。前記接触重合法において、ハロゲノアルキル基を有する重合性単量体に替えて、スチレン等のハロゲノアルキル基を導入可能な官能基を有する重合性単量体を使用して前記の通り、重合性組成物を重合硬化させる。その後、ハロゲノアルキル基を導入可能な官能基に、ハロゲノアルキル基を導入し、次いで、導入したハロゲノアルキル基を陰イオン交換基に変更することにより陰イオン交換膜を製造することができる。   The other manufacturing method of an anion exchange membrane is illustrated. In the catalytic polymerization method, in place of the polymerizable monomer having a halogenoalkyl group, a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a halogenoalkyl group such as styrene is used, as described above, and a polymerizable composition The product is polymerized and cured. Thereafter, an anion exchange membrane can be produced by introducing a halogenoalkyl group into a functional group into which a halogenoalkyl group can be introduced, and then changing the introduced halogenoalkyl group to an anion exchange group.

さらに、陰イオン交換膜の他の製造方法を例示すれば、前記接触重合法において、ハロゲノアルキル基を有する重合性単量体に替えて、陰イオン交換基を導入した重合性単量体を使用して、前記の通り、重合性組成物を重合硬化させることにより陰イオン交換膜を製造することができる。   Further, for example, another method for producing an anion exchange membrane uses a polymerizable monomer having an anion exchange group introduced therein instead of the polymerizable monomer having a halogenoalkyl group in the catalytic polymerization method. Then, as described above, an anion exchange membrane can be produced by polymerizing and curing the polymerizable composition.

本発明において、陰イオン交換膜は、得られる膜が十分な密着性、及びイオン交換容量を有し、かつ燃料の透過を十分に抑制できるものとするためには、前記接触重合法により製造することが好ましい。   In the present invention, the anion exchange membrane is produced by the catalytic polymerization method so that the obtained membrane has sufficient adhesion and ion exchange capacity and can sufficiently suppress the permeation of fuel. It is preferable.

なお、前記炭化水素系陰イオン交換膜は、上記の製造方法で陰イオン交換膜を製造した場合、陰イオン交換基の対イオンがハロゲンイオンとして得られる場合が多い。この場合、該ハロゲンイオンを対イオンとする陰イオン交換膜は、過剰量のアルカリ水溶液中に浸漬するなどして、対イオンをOH、HCO 、CO 2−形のいずれか、又はこれらの混合形にイオン交換させることが好ましい。該イオン交換方法には特別な制限はなく、対イオンに応じた公知の方法を採用できる。例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カリウムナトリウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素アンモニウムなどの水溶液に、前記ハロゲンイオンを対イオンとする陰イオン交換膜を、2〜10時間浸漬する方法が挙げられる。操作の安全性や、得られる陰イオン交換膜の安定性の点から、対イオンをHCO 、CO 2−形とすることが最も好ましい。 In addition, when the anion exchange membrane is produced by the above-described production method, the hydrocarbon-based anion exchange membrane is often obtained as a counter ion of an anion exchange group as a halogen ion. In this case, the anion exchange membrane using the halogen ion as a counter ion is immersed in an excess amount of an alkaline aqueous solution, for example, so that the counter ion is in any of the OH , HCO 3 , and CO 3 2− forms, or It is preferable to ion-exchange these mixed forms. There is no special restriction | limiting in this ion exchange method, The well-known method according to a counter ion is employable. For example, anion exchange in which an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium potassium carbonate, ammonium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, ammonium hydrogen carbonate or the like is used as a counter ion with the above halogen ion The method of immersing a film | membrane for 2 to 10 hours is mentioned. From the viewpoint of operational safety and the stability of the obtained anion exchange membrane, it is most preferable that the counter ion is in the HCO 3 and CO 3 2− forms.

本発明において、陰イオン交換膜は、通常0.2〜3mmol/g、好適には0.5〜2.5mmol/gの陰イオン交換容量を有する。また、乾燥による陰イオンの伝導性低下が生じ難いように、25℃における含水率が7%以上、好適には10〜90%程度となるように調整することが好ましい。膜厚は、電気抵抗を低く抑える観点及び支持膜として必要な機械的強度を付与する観点から、通常5〜200μmの厚みを有するものが好ましく、10〜100μmを有するものがより好ましい。破断強度は0.08MPa以上であることが好ましい。これらの特性を有する本発明で用いられる陰イオン交換膜は、25℃、0.5mol/L−塩化ナトリウム水溶液中の膜抵抗が、通常0.05〜1.5Ω・cmであり、好ましくは0.1〜0.5Ω・cmである(測定方法は、特開2007−188788号公報参照)。 In the present invention, the anion exchange membrane usually has an anion exchange capacity of 0.2 to 3 mmol / g, preferably 0.5 to 2.5 mmol / g. Moreover, it is preferable to adjust so that the moisture content at 25 ° C. is 7% or more, and preferably about 10 to 90% so that the anion conductivity lowers due to drying. From the viewpoint of keeping the electrical resistance low and imparting the mechanical strength necessary for the support film, the film thickness preferably has a thickness of usually 5 to 200 μm, more preferably 10 to 100 μm. The breaking strength is preferably 0.08 MPa or more. The anion exchange membrane used in the present invention having these properties has a membrane resistance in an aqueous solution of 0.5 mol / L-sodium chloride at 25 ° C. of usually 0.05 to 1.5 Ω · cm 2 , preferably It is 0.1-0.5 ohm * cm < 2 > (refer Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-188788 for the measuring method).

本発明においては、陰イオン交換膜として、特に、WO2009−081812号のように、25℃における水透過度が1400g・m−2・hr−1以上である陰イオン交換膜を用いることが好ましい。このような高い水透過度を持つ陰イオン交換樹脂膜と組み合わせることで、本発明の陰イオン交換樹脂を含むアノード触媒層において、アノード側からカソードへの水の移動がより促進され、電池出力だけでなく、出力の安定性維持の点でも効果が高まる。 In the present invention, it is particularly preferable to use an anion exchange membrane having a water permeability of 1400 g · m −2 · hr −1 or more at 25 ° C. as an anion exchange membrane as in WO2009-081812. In combination with such an anion exchange resin membrane having a high water permeability, in the anode catalyst layer containing the anion exchange resin of the present invention, the movement of water from the anode side to the cathode is further promoted, and only the battery output. In addition, the effect is enhanced in terms of maintaining output stability.

なお、ここで水透過度とは、後述の実施例中に詳しく記載されるように、水酸化物イオン型の燃料電池隔膜を用いて、25℃において30質量%のエタノール水溶液を隔膜の片面に供給し、隔膜のもう一方の面に乾燥アルゴンガスを供給した際に、アルゴンガス中に透過してくる水の質量を測定した値を示す。水透過度が高いほど、アノード側からカソードへの水の移動が促進される。従って、陰イオン交換膜の25℃における水透過度は、1600〜5000g・m−2・hr−1であることがより好ましく、1800〜5000g・m−2・hr−1であることが最も好ましい。陰イオン交換膜の水透過度が5000g・m−2・hr−1より大きいと、十分な耐水性が得難くなる。 Here, the water permeability refers to a 30 mass% ethanol aqueous solution at 25 ° C. on one side of the diaphragm using a hydroxide ion type fuel cell diaphragm, as will be described in detail in Examples described later. When the dry argon gas is supplied to the other surface of the diaphragm, the mass of water that permeates into the argon gas is measured. The higher the water permeability, the faster the water movement from the anode side to the cathode. Therefore, the water permeability at 25 ° C. of the anion-exchange membrane, more preferably 1600~5000g · m -2 · hr -1, and most preferably 1800~5000g · m -2 · hr -1 . When the water permeability of the anion exchange membrane is larger than 5000 g · m −2 · hr −1 , it becomes difficult to obtain sufficient water resistance.

このような、水透過度が1400g・m−2・hr−1以上の陰イオン交換膜は、WO2009−081812号に詳述された製造方法によって得ることができる。具体的には、前記接触重合法において、多孔質膜の厚さ、空隙率及び該多孔質膜に充填する陰イオン交換樹脂の架橋度を調整することによって得ることができる。該製造方法において、多孔質膜の厚さが薄くなるほど、また、空隙率が大きくなるほど、さらに、充填する陰イオン交換樹脂の架橋度が小さくなるほど、得られる燃料電池隔膜の水透過度は大きくなる。多孔質膜の厚さ、空隙率、及び後述する陰イオン交換樹脂の調製に用いられる重合性単量体混合物中の架橋性重合性単量体量で表した陰イオン交換樹脂の架橋度の組合せは、多孔質膜の孔径や、充填する陰イオン交換樹脂の化学構造にもよるが、例えば、多孔質膜の厚さが3〜15μmである場合、空隙率を20〜95%、架橋度を0.4〜15モル%の範囲で組合せればよく、多孔質膜の厚さ15μm超〜50μmである場合には、空隙率を20〜95%、架橋度を0.1〜4モル%の範囲で組合せればよい。中でも、多孔質膜の厚さを3〜15μmとし、空隙率を30〜80%、架橋度を0.4〜15モル%、より好ましくは1〜10モル%とする組合せが好ましい。最も好適には、多孔質膜の厚さを5〜15μmとし、空隙率を30〜50%、架橋度を1〜10モル%、より好ましくは1〜4モル%とする組合せが好ましい。 Such an anion exchange membrane having a water permeability of 1400 g · m −2 · hr −1 or more can be obtained by the production method described in detail in WO2009-081812. Specifically, it can be obtained by adjusting the thickness of the porous membrane, the porosity, and the degree of crosslinking of the anion exchange resin filled in the porous membrane in the catalytic polymerization method. In the production method, the water permeability of the obtained fuel cell membrane increases as the thickness of the porous membrane decreases, the porosity increases, and the crosslinking degree of the anion exchange resin to be filled decreases. . Combination of the thickness of the porous membrane, the porosity, and the degree of crosslinking of the anion exchange resin expressed by the amount of the crosslinkable polymerizable monomer in the polymerizable monomer mixture used for the preparation of the anion exchange resin described later Depending on the pore size of the porous membrane and the chemical structure of the anion exchange resin to be filled, for example, when the thickness of the porous membrane is 3 to 15 μm, the porosity is 20 to 95% and the degree of crosslinking is What is necessary is just to combine in the range of 0.4-15 mol%, and when the thickness of a porous film is more than 15 micrometers-50 micrometers, a porosity is 20-95% and a crosslinking degree is 0.1-4 mol%. What is necessary is just to combine in a range. Among them, a combination in which the thickness of the porous film is 3 to 15 μm, the porosity is 30 to 80%, the degree of crosslinking is 0.4 to 15 mol%, more preferably 1 to 10 mol% is preferable. Most preferably, a combination in which the thickness of the porous membrane is 5 to 15 μm, the porosity is 30 to 50%, the degree of crosslinking is 1 to 10 mol%, more preferably 1 to 4 mol% is preferable.

(ii)ガス拡散層
本発明のMEAは、炭化水素系陰イオン交換膜の表面にアノード触媒層および/またはカソード触媒層が形成され、各触媒層上には必要に応じてガス拡散層が形成されていても良い。各触媒層が、前記したような支持材料に形成され触媒層ではない場合には、各触媒層にはさらにガス拡散層を形成することが好ましい。ガス拡散層としては、通常、カーボン繊維織布、カーボンペーパー等の多孔質膜が使用される。これらガス拡散層の厚みは、50〜300μmが好ましく、その空隙率は、50〜90%が好ましい。
(Ii) Gas diffusion layer In the MEA of the present invention, an anode catalyst layer and / or a cathode catalyst layer is formed on the surface of a hydrocarbon-based anion exchange membrane, and a gas diffusion layer is formed on each catalyst layer as necessary. May be. When each catalyst layer is formed on the support material as described above and is not a catalyst layer, it is preferable to further form a gas diffusion layer in each catalyst layer. As the gas diffusion layer, a porous film such as carbon fiber woven fabric or carbon paper is usually used. The thickness of these gas diffusion layers is preferably 50 to 300 μm, and the porosity is preferably 50 to 90%.

また、これらガス拡散層は、触媒層の支持材料と同様に、撥水化処理を施したり、触媒層に対向する面にMPLを設けても良い。特にアノード側に用いるガス拡散層には撥水化処理やMPLが設けられていることが好ましい。なお、各触媒層として、支持材料上に触媒層が形成されたものを用いる場合には、該支持材料がガス拡散層として機能するため、さらにガス拡散層を形成することなく使用することが可能である。   In addition, these gas diffusion layers may be subjected to water repellent treatment, or MPL may be provided on the surface facing the catalyst layer, similarly to the support material for the catalyst layer. In particular, the gas diffusion layer used on the anode side is preferably provided with water repellency treatment and MPL. When each catalyst layer has a catalyst layer formed on a support material, the support material functions as a gas diffusion layer, so it can be used without forming a gas diffusion layer. It is.

(iii)MEAの製造方法
陰イオン交換膜とアノード触媒層とを接合する方法は特に制限なく、当該分野で公知の方法が採用される。
(Iii) Method for producing MEA The method for joining the anion exchange membrane and the anode catalyst layer is not particularly limited, and a method known in the art is employed.

例えば、前記アノード触媒層形成用組成物を陰イオン交換膜へ直接塗布して乾燥する方法や、前記アノード触媒層形成用組成物をガス拡散層からなる支持材料の表面に塗布してアノード触媒層を有するガス拡散層を得、これを陰イオン交換膜に積層して接合する方法、前記した剥離シートに塗布して作製したアノード触媒層を陰イオン交換膜に熱圧着して転写する方法などが挙げられる。   For example, the anode catalyst layer forming composition may be applied directly to an anion exchange membrane and dried, or the anode catalyst layer forming composition may be applied to the surface of a support material composed of a gas diffusion layer. A gas diffusion layer having the above structure, and a method of laminating and bonding the gas diffusion layer to an anion exchange membrane, and a method of transferring an anode catalyst layer prepared by applying to the release sheet by thermocompression bonding to the anion exchange membrane. Can be mentioned.

即ち、本発明のMEAは、陰イオン交換膜の一表面に、本発明のイオン伝導性付与剤を用いて形成されたアノード触媒層を有するMEAである。本発明のMEAを構成する触媒層は、本発明のイオン伝導性付与剤を用いて形成されているので、MEAのイオン伝導性や耐久性を一層向上させることができる。そのため、本発明のMEAを用いて形成する陰イオン交換膜型燃料電池は電池出力及び耐久性が高くなる。陰イオン交換膜のもう一方の表面上には、上記アノード触媒層と同様の手法によりカソード触媒層が形成される。   That is, the MEA of the present invention is an MEA having an anode catalyst layer formed on one surface of the anion exchange membrane using the ion conductivity-imparting agent of the present invention. Since the catalyst layer constituting the MEA of the present invention is formed using the ion conductivity-imparting agent of the present invention, the ion conductivity and durability of the MEA can be further improved. Therefore, the anion exchange membrane fuel cell formed using the MEA of the present invention has high battery output and durability. On the other surface of the anion exchange membrane, a cathode catalyst layer is formed in the same manner as the anode catalyst layer.

本発明において、具体的なMEAの製造方法を示す。   In the present invention, a specific MEA manufacturing method will be described.

先ず、前述の通り、アノード触媒層形成用組成物を陰イオン交換膜に直接塗布することにより、本発明のMEAを作製する方法が挙げられる。他にも、本発明のアノード触媒層を、その触媒担持面を陰イオン交換膜に向けて積層し、必要に応じて40〜200℃、好ましくは60〜180℃、さらに好ましくは80〜150℃の温度範囲で熱圧着を行うことにより、本発明のMEAを作製する方法が挙げられる。積層の際には、陰イオン交換膜と本発明のアノード触媒層との間に、本発明のイオン伝導性付与剤をさらに塗布しても良い。また、本発明のイオン伝導性付与剤を含まない触媒層を予め作製しておき、陰イオン交換膜とこの触媒層との間に、本発明のイオン伝導性付与剤を挟んで接合しても良い。   First, as described above, a method for producing the MEA of the present invention by directly applying the composition for forming an anode catalyst layer to an anion exchange membrane can be mentioned. In addition, the anode catalyst layer of the present invention is laminated with its catalyst supporting surface facing the anion exchange membrane, and if necessary, 40 to 200 ° C, preferably 60 to 180 ° C, more preferably 80 to 150 ° C. A method of producing the MEA of the present invention by performing thermocompression bonding in the temperature range of is mentioned. During lamination, the ion conductivity-imparting agent of the present invention may be further applied between the anion exchange membrane and the anode catalyst layer of the present invention. In addition, a catalyst layer not containing the ion conductivity-imparting agent of the present invention is prepared in advance, and the ion-conductivity imparting agent of the present invention is sandwiched between the anion exchange membrane and the catalyst layer. good.

熱圧着は、ホットプレス機、ロールプレス機等の加圧、加温できる装置を用いて行われる。なお、上記の温度範囲は、熱圧着する加熱板の設定温度である。熱圧着の圧力は、1〜20MPaの範囲で行うことが好ましい。熱圧着の時間は、特に制限されるものではない。   Thermocompression bonding is performed using an apparatus capable of pressurization and heating, such as a hot press machine and a roll press machine. Note that the above temperature range is a set temperature of a heating plate to be thermocompression bonded. The pressure for thermocompression bonding is preferably in the range of 1 to 20 MPa. The time for thermocompression bonding is not particularly limited.

前記方法により得られるMEAは、公知の方法により陰イオン交換膜型燃料電池に組み込むことができる。そして得られる陰イオン交換膜型燃料電池は、下記の実施例で示す通り、優れた耐久性を示し、かつ、高い出力電圧を維持することも可能となる。   The MEA obtained by the above method can be incorporated into an anion exchange membrane fuel cell by a known method. The obtained anion exchange membrane fuel cell exhibits excellent durability and can maintain a high output voltage as shown in the following examples.

(陰イオン交換膜型燃料電池)
本発明の陰イオン交換膜型燃料電池は、上記MEAを具備してなる。
(Anion exchange membrane fuel cell)
The anion exchange membrane fuel cell of the present invention comprises the MEA.

例えば、上記のように作製されたMEAは、前記した図1に示すような基本構造の陰イオン交換膜型燃料電池に装着される。   For example, the MEA produced as described above is mounted on the anion exchange membrane fuel cell having the basic structure as shown in FIG.

(陰イオン交換膜型燃料電池の運転方法)
本発明の陰イオン交換膜型燃料電池の運転方法を、前記した図1に示すような基本構造の固体高分子電解質形燃料電池を例に説明する。該燃料電池では、燃料室7に燃料流通孔2を通して燃料が供給され、他方、酸化剤室8には酸化剤ガス流通孔3を通して酸素含有ガスが供給され、これにより発電状態になる。ここで、供給する燃料及び酸素含有ガス中に含まれる二酸化炭素含有量が低いほど高い出力が得られるため、従来公知の方法により二酸化炭素を除去してから燃料電池に供給するのが好ましい。供給ガス中に二酸化炭素が含まれていると、陰イオン交換膜及び触媒層中の陰イオン交換樹脂に溶解し、電解質のイオン伝導性の低下による出力低下が起こるためである。
(Operating method of anion exchange membrane fuel cell)
An operation method of the anion exchange membrane fuel cell of the present invention will be described by taking a solid polymer electrolyte fuel cell having a basic structure as shown in FIG. 1 as an example. In the fuel cell, fuel is supplied to the fuel chamber 7 through the fuel circulation hole 2, while oxygen-containing gas is supplied to the oxidant chamber 8 through the oxidant gas circulation hole 3, thereby generating a power generation state. Here, since the higher output is obtained as the carbon dioxide content contained in the supplied fuel and the oxygen-containing gas is lower, it is preferable to remove carbon dioxide by a conventionally known method and then supply the fuel cell. When carbon dioxide is contained in the supply gas, it is dissolved in the anion exchange membrane and the anion exchange resin in the catalyst layer, and the output is lowered due to the decrease in the ionic conductivity of the electrolyte.

燃料室7には、水素ガス等の燃料ガスが供給される。燃料ガスは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスで希釈されて供給されてもよい。燃料ガスの燃料室への供給速度は、通常、電極面積1cm当り1〜1000ml/minの範囲である。 Fuel gas such as hydrogen gas is supplied to the fuel chamber 7. The fuel gas may be supplied after being diluted with an inert gas such as nitrogen or argon. The supply speed of the fuel gas to the fuel chamber is usually in the range of 1 to 1000 ml / min per 1 cm 2 of electrode area.

本発明において、燃料ガスの相対湿度は特に制限されないが、燃料電池の運転温度において、概ね0〜100%RH程度である。   In the present invention, the relative humidity of the fuel gas is not particularly limited, but is approximately 0 to 100% RH at the operating temperature of the fuel cell.

一般に、陰イオン交換膜型燃料電池では、燃料室に供給される燃料ガスの相対湿度は、70〜100%RHとなるように加湿器等を用いて調整される。燃料室に供給される燃料ガスの相対湿度が70%RH未満の場合、電池出力が低下することがあるためである。これまで、陰イオン交換樹脂膜やアノード触媒層が乾燥してイオン伝導性が低下するためと推定されていた。   Generally, in an anion exchange membrane fuel cell, the relative humidity of the fuel gas supplied to the fuel chamber is adjusted using a humidifier or the like so as to be 70 to 100% RH. This is because the battery output may decrease when the relative humidity of the fuel gas supplied to the fuel chamber is less than 70% RH. Until now, it was estimated that the anion exchange resin membrane and the anode catalyst layer were dried and the ion conductivity was lowered.

一方で、本発明の陰イオン交換膜型燃料電池においては、そのMEAを構成するアノード触媒層に、本発明のイオン伝導性付与剤が存在する。そして、このイオン伝導性付与剤は、アノードで生成する水の保持能力が高いため燃料ガス中へ逸散する水の量を少なくすることができ、アノード触媒層の湿潤状態が高く保持する。その結果、アノード触媒層のイオン伝導性を高めるのはもちろん、アノード側からカソードへの水の移動を促進することで出力や出力の安定性を高く維持することができる。そのため、本発明の陰イオン交換膜型燃料電池においては、燃料室に供給される燃料ガスの相対湿度は特に制限されず、例えば燃料電池の運転条件における相対湿度が70%未満であってもよい。燃料ガスとして水素を用いる場合、燃料電池を小型化、低コストとするためには、水素ガスを水素ボンベ等から加湿器を通すことなくそのまま供給するか、加湿器の消費電力を抑えて運転することが好ましく、この場合の燃料ガスの相対湿度は、燃料電池の運転温度において、0〜40%RHとなる。   On the other hand, in the anion exchange membrane fuel cell of the present invention, the ion conductivity-imparting agent of the present invention is present in the anode catalyst layer constituting the MEA. And since this ion conductivity imparting agent has a high ability to retain water produced at the anode, it is possible to reduce the amount of water that escapes into the fuel gas, and the anode catalyst layer is kept highly wet. As a result, not only the ion conductivity of the anode catalyst layer is increased, but also the output and the stability of the output can be maintained high by promoting the movement of water from the anode side to the cathode. Therefore, in the anion exchange membrane fuel cell of the present invention, the relative humidity of the fuel gas supplied to the fuel chamber is not particularly limited, and the relative humidity under the operating conditions of the fuel cell may be less than 70%, for example. . When hydrogen is used as the fuel gas, in order to reduce the size and cost of the fuel cell, hydrogen gas is supplied as it is without passing through a humidifier or the like, or the fuel cell is operated with reduced power consumption. In this case, the relative humidity of the fuel gas is 0 to 40% RH at the operating temperature of the fuel cell.

酸化剤室8に供給される酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであればよく、従来公知の酸素含有ガスを用いることができる。酸化剤ガスは、酸素のみからなるガスであってもよく、酸素と他の不活性ガスとの混合ガスであっても良い。不活性ガスとしては、窒素、アルゴンが例示される。混合ガスにおける酸素含有量は、10体積%以上であることが好ましく、15体積%以上であることが特に好ましい。なお、酸素含有量が高いほど高い出力が得られるので好ましい。このような混合ガスとしては、空気が例示される。酸素含有ガスの酸化剤室への供給速度は、通常、電極面積1cm当り2〜2000ml/minの範囲で供給すればよい。 The oxidant gas supplied to the oxidant chamber 8 may be any gas containing oxygen, and a conventionally known oxygen-containing gas can be used. The oxidant gas may be a gas composed only of oxygen or a mixed gas of oxygen and other inert gas. Nitrogen and argon are illustrated as an inert gas. The oxygen content in the mixed gas is preferably 10% by volume or more, and particularly preferably 15% by volume or more. In addition, since a high output is obtained so that oxygen content is high, it is preferable. An example of such a mixed gas is air. The supply rate of the oxygen-containing gas to the oxidant chamber may be usually in the range of 2 to 2000 ml / min per 1 cm 2 of electrode area.

本発明においては、酸化剤ガスの相対湿度は特に制限されないが、燃料電池の運転温度において、概ね30〜100%RH程度である。酸化剤ガスとして空気を用いる場合、燃料電池を小型化、低コストとするためには大気をそのまま取り込むか、加湿器の消費電力を抑えて運転することが好ましく、この場合の酸化剤ガスの相対湿度は、燃料電池の運転温度において、10〜60%RHとなる。   In the present invention, the relative humidity of the oxidant gas is not particularly limited, but is approximately 30 to 100% RH at the operating temperature of the fuel cell. When air is used as the oxidant gas, in order to reduce the size and cost of the fuel cell, it is preferable to take in the atmosphere as it is or to operate while suppressing the power consumption of the humidifier. The humidity is 10 to 60% RH at the operating temperature of the fuel cell.

本発明では、アノードに使用するイオン伝導性付与剤の陰イオン交換樹脂の含水率が高いため、アノード触媒層のイオン伝導性を高めるだけでなく、アノード側からカソードへの水移動も促進される。このため、燃料ガスを前記低湿度で運転した場合だけでなく、併せて酸素含有ガスを低湿度、具体的には相対湿度が70%以下で運転した場合でも、電池出力や出力の安定性を高める効果がある。   In the present invention, since the water content of the anion exchange resin as the ion conductivity-imparting agent used in the anode is high, not only the ion conductivity of the anode catalyst layer is increased, but also water transfer from the anode side to the cathode is promoted. . Therefore, not only when the fuel gas is operated at the low humidity, but also when the oxygen-containing gas is operated at a low humidity, specifically, when the relative humidity is 70% or less, the battery output and the stability of the output are improved. There is an effect to increase.

運転温度は、出力の高さや使用する材料の耐久性を勘案すると0℃〜90℃、より好適には30〜80℃(セル温度)である。   The operating temperature is 0 ° C. to 90 ° C., more preferably 30 ° C. to 80 ° C. (cell temperature) considering the high output and durability of the material used.

上記要件での陰イオン交換膜型燃料電池の運転は、定電流運転、定電圧運転、さらには負荷変動運転のいかなる方式であっても良い。いずれの方式であっても運転開始当初には高い発電能が得られる。例えば、定電流運転においては通常、セルの出力電圧は0.2V以上、より好適には0.3V以上が達成される。   The operation of the anion exchange membrane fuel cell with the above requirements may be any system of constant current operation, constant voltage operation, and load variation operation. Regardless of which method is used, high power generation capability can be obtained at the beginning of operation. For example, in the constant current operation, the cell output voltage is usually 0.2 V or higher, more preferably 0.3 V or higher.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例及び比較例に示すイオン伝導性付与剤の特性は、以下の方法により測定した値を示す。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated, this invention is not limited to these Examples. In addition, the characteristic of the ion conductivity-imparting agent shown in an Example and a comparative example shows the value measured with the following method.

(1)陰イオン交換容量
イオン伝導性付与剤が溶解した溶液(濃度5.0質量%、溶液量2.5g、炭酸水素イオン型)をテフロン(登録商標)のシャーレ上にキャストし、キャストフィルムを作製した。予めイオン交換水でよく洗浄した後に50℃で3時間減圧乾燥させ重量を測定(D(g))したヴィスキングチューブ(アズワン株式会社から購入)内に、作製したキャストフィルムをイオン交換水と共に詰め込み、両端を縛った。このチューブを0.5mol/L−HCl水溶液(50mL)に30分間以上浸漬する操作を3回繰り返し、中のキャストフィルムを塩化物イオン型とした。さらにこのチューブをイオン交換水(50mL)に浸漬させ、中のキャストフィルムを洗浄した(10回)。次いで、このチューブを0.2mol/L−NaNO水溶液(50mL)に30分以上浸漬させ、中のキャストフィルムを硝酸イオン型に置換させ、遊離した塩化物イオンを抽出した(4回)。さらにこのチューブをイオン交換水(50mL)に30分以上浸漬して抽出した塩化物イオンを回収した(2回)。これら塩化物イオンを抽出した溶液を全て集め、硝酸銀水溶液を用いて電位差滴定装置(COMTITE−900、平沼産業株式会社製)で定量した(Amol)。次に、滴定後の膜を0.5mol/L−NaCl水溶液(50g)に30分以上浸漬し、イオン交換水で十分水洗した後にチューブを取り出し、50℃の乾燥機に15時間保持してチューブ内の水分を除いた後、50℃で3時間減圧乾燥させその重量を測定した(D(g))。上記測定値に基づいて、イオン交換容量を下式により求めた。
(1) Anion exchange capacity A solution (concentration 5.0 mass%, solution amount 2.5 g, hydrogen carbonate ion type) in which an ion conductivity-imparting agent is dissolved is cast on a Teflon (registered trademark) petri dish, and cast film Was made. Wash the cast film together with ion-exchanged water in a Visking tube (purchased from As One Co., Ltd.) that has been thoroughly washed with ion-exchanged water and dried under reduced pressure at 50 ° C. for 3 hours and measured (D v (g)). Stuffed and tied both ends. The operation of immersing this tube in a 0.5 mol / L-HCl aqueous solution (50 mL) for 30 minutes or more was repeated three times, and the cast film inside was made a chloride ion type. Furthermore, this tube was immersed in ion-exchange water (50 mL), and the cast film inside was washed (10 times). Next, this tube was immersed in a 0.2 mol / L-NaNO 3 aqueous solution (50 mL) for 30 minutes or more, the cast film inside was replaced with a nitrate ion type, and free chloride ions were extracted (four times). Further, chloride ions extracted by immersing this tube in ion-exchanged water (50 mL) for 30 minutes or more were collected (twice). All the solutions from which these chloride ions were extracted were collected and quantified with a potentiometric titrator (COMMITE-900, manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd.) using an aqueous silver nitrate solution (Amol). Next, the membrane after titration is immersed in a 0.5 mol / L-NaCl aqueous solution (50 g) for 30 minutes or more, washed thoroughly with ion-exchanged water, taken out of the tube, and kept in a dryer at 50 ° C. for 15 hours. After removing the water | moisture content, it dried under reduced pressure at 50 degreeC for 3 hours, and measured the weight ( Dt (g)). Based on the measured value, the ion exchange capacity was determined by the following equation.

陰イオン交換容量[mmol/g−乾燥重量]=A×1000/(D−DAnion exchange capacity [mmol / g-dry weight] = A × 1000 / (D t −D v )

(2)含水率
上記と同様の方法で作成した、陰イオン交換樹脂からなる膜厚が50〜70μm程度のキャストフィルムを、磁気浮遊式天秤を備えた恒温恒湿槽を有する測定装置(日本ベル社製、「MSB−AD−V−FC」)内にセットした。先ず、50℃で3時間減圧乾燥した後の膜重量(Ddry(g))を測定した。次いで、恒温槽の温度を40℃として、槽内の相対湿度を40%に保持し、膜の重量変化が0.02%/60秒以下となった時点で膜重量(D40%(g))を測定した。さらに槽内の湿度を90%に変更して保持し、同様に膜の重量変化が0.02%/60秒以下となった時点で膜重量(D90%(g))を測定した。上記測定値に基づいて、含水率を次式により求めた。
(2) Moisture content Measuring device having a constant temperature and humidity chamber equipped with a magnetic floating balance (Nippon Bell, Inc.) a cast film made of an anion exchange resin and having a film thickness of about 50 to 70 μm prepared by the same method as described above. (MSB-AD-V-FC)). First, the film weight (D dry (g)) after drying under reduced pressure at 50 ° C. for 3 hours was measured. Next, the temperature of the thermostatic bath was set to 40 ° C., the relative humidity in the bath was kept at 40%, and when the weight change of the membrane became 0.02% / 60 seconds or less, the membrane weight (D 40% (g) ) Was measured. Furthermore, the humidity in the tank was changed to 90% and maintained, and when the weight change of the film was 0.02% / 60 seconds or less, the film weight (D 90% (g)) was measured. Based on the measured value, the moisture content was determined by the following equation.

相対湿度40%の含水率[%]=((D40%−Ddry)/Ddry)×100
相対湿度90%の含水率[%]=((D90%−Ddry)/Ddry)×100
Water content [%] of relative humidity 40% = ((D 40% −D dry ) / D dry ) × 100
Water content [%] of relative humidity 90% = ((D 90% −D dry ) / D dry ) × 100

(3)20℃における水への溶解度
上記と同様の方法で作成した、陰イオン交換樹脂からなる膜厚が50〜70μm程度のキャストフィルムを、50℃で3時間減圧乾燥して、膜重量(Ddry1(g))を測定した。次いでこの膜を20℃の水に浸漬し、15時間保持した。その後膜を水から取り出して、再び50℃で3時間減圧乾燥して、再び膜重量(Ddry2(g))を測定した。上記測定値に基づいて、20℃における水への溶解度を次式により求めた。
(3) Solubility in water at 20 ° C. A cast film made of an anion exchange resin having a film thickness of about 50 to 70 μm, prepared by the same method as described above, was dried under reduced pressure at 50 ° C. for 3 hours to obtain a membrane weight ( D dry1 (g)) was measured. The membrane was then immersed in 20 ° C. water and held for 15 hours. Thereafter, the membrane was taken out of water, dried again under reduced pressure at 50 ° C. for 3 hours, and the membrane weight (D dry2 (g)) was measured again. Based on the measured value, the solubility in water at 20 ° C. was determined by the following equation.

水への溶解度[%]=((Ddry1−Ddry2)/Ddry1)×100
(4)25℃、相対湿度50%におけるヤング率(MPa)
上記と同様の方法で作成した、陰イオン交換樹脂からなる膜厚が100μm程度のキャストフィルムを、幅15mm×長さ70mmの短冊状に切り出し、チャック間距離が35mmとなるように測定用治具に取り付けた。これを、島津製作所製の恒温恒湿槽を備えたオートグラフ(AGS−500NX)に取り付け、恒温恒湿槽内を25℃、相対湿度50%として、雰囲気が安定してから15分保持した後、引っ張り速度1mm/分で引っ張り試験を行った。得られた応力−ひずみ曲線から、ヤング率(MPa)を計算した。
Solubility in water [%] = ((D dry1 −D dry2 ) / D dry1 ) × 100
(4) Young's modulus (MPa) at 25 ° C. and 50% relative humidity
A measuring jig made by the same method as above and having a film thickness of about 100 μm made of an anion exchange resin is cut into a strip of 15 mm width × 70 mm length and the distance between chucks is 35 mm. Attached to. After attaching this to an autograph (AGS-500NX) equipped with a constant temperature and humidity chamber manufactured by Shimadzu Corporation, the temperature and humidity chamber was maintained at 25 ° C. and a relative humidity of 50%, and the atmosphere was stabilized for 15 minutes. The tensile test was performed at a pulling speed of 1 mm / min. From the obtained stress-strain curve, Young's modulus (MPa) was calculated.

(5)燃料電池出力
(5−1)膜−電極接合体(MEA)の作成
アノード用のイオン伝導性付与剤が溶解した溶液(濃度5.0質量%、炭酸水素イオン型)4.3g、白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社 燃料電池用触媒 TEC10E50E、白金含有量50質量%)0.5g、イオン交換水0.35g、1−プロパノール0.5gを混合して、均一なペーストになるまで撹拌し、触媒層形成用組成物を調製した。この触媒層形成用組成物を、陰イオン交換樹脂膜に白金の付着量が0.5mg/cm になるように均一にスクリーン印刷し、常温で15時間乾燥して、陰イオン交換膜上にアノード触媒層を形成した。該アノード触媒層において、白金担持カーボン/イオン伝導性付与剤=70/30(質量比)、イオン伝導性付与剤の付着量は0.43mg/cmである。また、カソード用のイオン伝導性付与剤が溶解した溶液(濃度5.0質量%、炭酸水素イオン型)を用いて、同様にして該陰イオン交換膜の裏面にカソード触媒層を形成し(0.5mg−白金/cm)、MEAを得た。各触媒層の面積は5cmとした。
(5) Preparation of fuel cell output (5-1) Membrane-electrode assembly (MEA) 4.3 g of a solution in which an ionic conductivity-imparting agent for anode is dissolved (concentration: 5.0% by mass, bicarbonate ion type), Platinum mixed carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. Fuel cell catalyst TEC10E50E, platinum content 50 mass%) 0.5g, ion-exchanged water 0.35g, 1-propanol 0.5g until mixed into a uniform paste The mixture was stirred to prepare a catalyst layer forming composition. This catalyst layer forming composition was uniformly screen-printed on the anion exchange resin membrane so that the amount of platinum deposited was 0.5 mg / cm 2 and dried at room temperature for 15 hours. An anode catalyst layer was formed. In the anode catalyst layer, platinum-supported carbon / ion conductivity imparting agent = 70/30 (mass ratio), and the adhesion amount of the ion conductivity imparting agent is 0.43 mg / cm 2 . Similarly, a cathode catalyst layer was formed on the back surface of the anion exchange membrane using a solution (concentration: 5.0 mass%, hydrogen carbonate ion type) in which the ion conductivity imparting agent for the cathode was dissolved (0 0.5 mg-platinum / cm 2 ), MEA was obtained. The area of each catalyst layer was 5 cm 2.

(5−2)陰イオン交換膜型燃料電池の作成
上記方法により得られたMEAを、3mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に30分浸漬して、陰イオン交換膜及び触媒層中の陰イオン交換樹脂の対イオンを水酸化物イオンに交換し、これをイオン交換水でよく洗浄した。このMEAを2枚のカーボンペーパー(東レ株式会社 TGP−H−060)に挟み、JARI(日本自動車研究所)標準セルに準拠した燃料電池セルに組み込んだ。電池隔膜には、サーペンタイン型の流路を設けた炭素ブロックを用いた。
(5-2) Preparation of anion exchange membrane fuel cell The MEA obtained by the above method was immersed in a 3 mol / L aqueous sodium hydroxide solution for 30 minutes to exchange anions in the anion exchange membrane and the catalyst layer. The counter ion of the resin was exchanged with hydroxide ion, and this was thoroughly washed with ion exchange water. The MEA was sandwiched between two pieces of carbon paper (Toray Industries, Inc. TGP-H-060) and incorporated into a fuel cell conforming to a JARI (Japan Automobile Research Institute) standard cell. A carbon block provided with a serpentine type flow path was used for the battery diaphragm.

(5−3)発電試験
セル温度を60℃に設定し、アノード室に大気圧の水素(太陽日酸株式会社製G1グレード)を100ml/min(60℃で相対湿度0%)で供給し、カソード室に大気圧の二酸化炭素除去(二酸化炭素濃度0.1ppm以下)空気を200ml/min(60℃で相対湿度95%)で供給して、400mA/cmの定電流密度で連続発電試験を行った。上記の条件で予め5時間の発電を行った時点を連続運転開始点と定め、その時の出力を初期出力(mW/cm)とした。また、連続運転開始点とそこから30時間後の出力から出力低下率を下式
出力低下率[%/hr]=((連続運転開始点の出力−30時間後の出力)/連続運転開始点の出力×100)/30
によって求め、出力耐久性の指標とした。
(5-3) The power generation test cell temperature was set to 60 ° C., and atmospheric pressure hydrogen (G1 grade manufactured by Taiyo Nippon Sanso Corporation) was supplied to the anode chamber at 100 ml / min (relative humidity 0% at 60 ° C.). Carbon dioxide removal at atmospheric pressure (carbon dioxide concentration of 0.1 ppm or less) is supplied to the cathode chamber at 200 ml / min (60 ° C. and relative humidity 95%), and a continuous power generation test is performed at a constant current density of 400 mA / cm 2. went. The time point at which power generation was performed for 5 hours in advance under the above conditions was determined as the continuous operation start point, and the output at that time was defined as the initial output (mW / cm 2 ). Also, the output decrease rate from the continuous operation start point and the output after 30 hours is expressed by the following formula: Output decrease rate [% / hr] = ((output of the continuous operation start point−output after 30 hours) / continuous operation start point Output x 100) / 30
And obtained as an index of output durability.

(製造例1)
市販のポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体(重量平均分子量7万、スチレン含有量42重量%)40g(ベンゼン環161mmol含有)をクロロホルム520gとクロロメチルメチルエーテル760g(9.4mol)の混合溶媒に溶解し、さらにクロロホルム83gに塩化スズ(IV)35g(134mmol)を溶解した溶液を添加して、窒素雰囲気中35〜40℃で2時間反応し、樹脂中にクロロメチル基を導入した。1,4−ジオキサンと水の1:1混合溶液200mlを反応溶液中へ投入して反応を停止した後、メタノール水溶液6000mlに投入して樹脂を析出させ、メタノールで数回洗浄後、25℃で15時間以上乾燥することで、クロロメチル基含有樹脂としてベンゼン環にクロロメチル基を導入したポリスチレン−ポリ(エチレン−プロピレン)−ポリスチレントリブロック共重合体45.5gを得た。
(Production Example 1)
Commercially available polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer (weight average molecular weight 70,000, styrene content 42% by weight) 40 g (containing benzene ring 161 mmol), chloroform 520 g and chloromethyl methyl ether 760 g (9. 4 mol) in a mixed solvent, and further added a solution of 35 g (134 mmol) of tin (IV) chloride in 83 g of chloroform and reacted at 35 to 40 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. Was introduced. 200 ml of a 1: 1 mixed solution of 1,4-dioxane and water was poured into the reaction solution to stop the reaction, and then poured into 6000 ml of an aqueous methanol solution to precipitate the resin, washed several times with methanol, and then at 25 ° C. By drying for 15 hours or longer, 45.5 g of a polystyrene-poly (ethylene-propylene) -polystyrene triblock copolymer having a chloromethyl group introduced into the benzene ring as a chloromethyl group-containing resin was obtained.

なお、原料として使用したトリブロック共重合体の重量平均分子量は、東ソー株式会社製のHLC−8220GPCを用いて、以下の条件の下、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー法により求めた。   In addition, the weight average molecular weight of the triblock copolymer used as a raw material was calculated | required with the gel permeation chromatography method under the following conditions using HLC-8220GPC by Tosoh Corporation.

カラム温度:40℃
カラム:TSK gel SuperMultipore 2本
溶離液:テトラヒドロフラン
検出器:RI
分子量検量方法:ポリスチレンスタンダード(東ソー株式会社製 TSKstandardPOLYSTYRENE)を用いて作製した較正曲線から換算
上記方法で得られたクロロメチル基含有樹脂40gを、30%トリメチルアミン水溶液823g、アセトン594g、水2560gの混合溶液に浸漬し、25℃で15時間以上撹拌した。この樹脂溶液を1mol/Lの塩酸2000mlに投入し、ろ過して得られたハロゲンイオンを対イオンとする陰イオン交換樹脂を塩酸で2回洗浄後、イオン交換水で数回水洗した。さらに0.5mol/Lの炭酸水素ナトリウム水溶液4Lに4回以上浸漬し、イオン交換水で数回洗浄した。この樹脂を2000mlのテトラヒドロフランで5回洗浄し、25℃で15時間以上乾燥して、対イオンが炭酸水素イオン型の4級アンモニウム塩基を導入したポリスチレン−ポリ(エチレン−プロピレン)−ポリスチレントリブロック共重合体(陰イオン交換樹脂)51.9gを得た。
Column temperature: 40 ° C
Column: TSK gel SuperMultipore 2 Eluent: Tetrahydrofuran Detector: RI
Molecular weight calibration method: converted from a calibration curve prepared using polystyrene standard (TSK standard POLYSTYRENE manufactured by Tosoh Corporation) 40 g of the chloromethyl group-containing resin obtained by the above method is a mixed solution of 823 g of 30% trimethylamine aqueous solution, 594 g of acetone, and 2560 g of water. And stirred at 25 ° C. for 15 hours or longer. This resin solution was put into 2000 ml of 1 mol / L hydrochloric acid, and the anion exchange resin having a counterion of halogen ions obtained by filtration was washed twice with hydrochloric acid and then several times with ion-exchanged water. Further, it was immersed four times or more in 4 L of 0.5 mol / L sodium hydrogen carbonate aqueous solution and washed several times with ion-exchanged water. This resin was washed 5 times with 2000 ml of tetrahydrofuran, dried at 25 ° C. for 15 hours or more, and a polystyrene-poly (ethylene-propylene) -polystyrene triblock co-polymer with a quaternary ammonium base having a hydrogen carbonate ion type as a counter ion was introduced. 51.9 g of a polymer (anion exchange resin) was obtained.

上記方法で得られた陰イオン交換樹脂45gを、テトラヒドロフラン1217gと1−プロパノール746gの混合溶媒中に投入して、25℃で24時間撹拌して樹脂を溶解した。溶液に含まれる浮遊物(濾紙の破片など)を、遠心分離機を用いて取り除いた後、ロータリーエバポレーターにて、100hPaに減圧し、40℃の温度で溶媒を約1500g留去した。その後、溶液重量が746gになるように1−プロパノールを加え、40hPaに減圧し、40℃の温度で溶媒を約700g留去した。溶液重量が746gになるように1−プロパノールを加えた後、溶液のガスクロマトグラフィー測定を実施し、テトラヒドロフラン由来のピークが検出されないことを確認した。得られた陰イオン交換樹脂の1−プロパノール溶液(746g)の溶液濃度測定を行った結果、該陰イオン交換樹脂濃度は5.7質量%であった。得られたイオン伝導性付与剤溶液は、均一な溶液であった。ここに1−プロパノール(104g)を加え、溶液濃度5.0質量%のイオン伝導性付与剤を得た(850g)。このイオン伝導性付与剤の物性値は表1の通りであった。
なお溶液のガスクロマトグラフィー測定は、株式会社島津製作所製のGC−14Bを用いて、以下の条件の下で測定した。
45 g of the anion exchange resin obtained by the above method was put into a mixed solvent of 1217 g of tetrahydrofuran and 746 g of 1-propanol, and stirred at 25 ° C. for 24 hours to dissolve the resin. After removing suspended matters (such as filter paper fragments) contained in the solution using a centrifugal separator, the pressure was reduced to 100 hPa using a rotary evaporator, and about 1500 g of the solvent was distilled off at a temperature of 40 ° C. Thereafter, 1-propanol was added so that the weight of the solution became 746 g, the pressure was reduced to 40 hPa, and about 700 g of the solvent was distilled off at a temperature of 40 ° C. After 1-propanol was added so that the solution weight was 746 g, gas chromatographic measurement of the solution was performed, and it was confirmed that no peak derived from tetrahydrofuran was detected. As a result of measuring the solution concentration of 1-propanol solution (746 g) of the obtained anion exchange resin, the anion exchange resin concentration was 5.7% by mass. The obtained ion conductivity imparting agent solution was a uniform solution. 1-propanol (104g) was added here, and the ion conductivity-imparting agent with a solution density | concentration of 5.0 mass% was obtained (850g). The physical property values of this ion conductivity-imparting agent are shown in Table 1.
In addition, the gas chromatography measurement of the solution was measured on condition of the following using GC-14B by Shimadzu Corporation.

カラム温度:150℃
カラム:Sunpak−A50 C−803
キャリアガス:高純度ヘリウム 60mL/min
検出器:TCD 230℃、80mA
サンプル量:1μL
Column temperature: 150 ° C
Column: Sunpak-A50 C-803
Carrier gas: High purity helium 60mL / min
Detector: TCD 230 ° C., 80 mA
Sample volume: 1 μL

(製造例2)
製造例1のイオン伝導性付与剤の製造において、市販のポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体を、重量平均分子量5万、スチレン含有量30重量%のものに変更し、クロロメチル化反応に使用するクロロホルムを768g、クロロメチルメチルエーテルを548g、塩化スズ(IV)を25gに変更し、陰イオン交換樹脂の溶解に使用する混合溶媒をテトラヒドロフラン1000gと1−プロパノール1000gの混合溶媒を使用した以外は製造例1と同様の操作を行い、イオン伝導性付与剤を得た。このイオン伝導性付与剤の物性値は表1の通りであった。
(Production Example 2)
In the production of the ion conductivity-imparting agent of Production Example 1, the commercially available polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer was changed to one having a weight average molecular weight of 50,000 and a styrene content of 30% by weight. Chloromethyl used for the chloromethylation reaction was changed to 768 g, chloromethyl methyl ether 548 g and tin (IV) chloride 25 g, and the mixed solvent used for dissolving the anion exchange resin was a mixture of 1000 g of tetrahydrofuran and 1000 g of 1-propanol. Except having used the solvent, operation similar to manufacture example 1 was performed and the ion conductivity-imparting agent was obtained. The physical property values of this ion conductivity-imparting agent are shown in Table 1.

(製造例3)
製造例1のイオン伝導性付与剤の製造において、クロロメチル化反応の反応時間を1.2時間に変更する以外は製造例1と同様の操作を行い、イオン伝導性付与剤を得た。このイオン伝導性付与剤の物性値は表1の通りであった。
(Production Example 3)
In the production of the ion conductivity-imparting agent of Production Example 1, the same operation as in Production Example 1 was carried out except that the reaction time of the chloromethylation reaction was changed to 1.2 hours to obtain an ion conductivity-imparting agent. The physical property values of this ion conductivity-imparting agent are shown in Table 1.

(製造例4)
製造例1のイオン伝導性付与剤の製造において、市販のポリスチレン−ポリ(エチレン−プロピレン)−ポリスチレントリブロック共重合体(重量平均分子量7.5万、スチレン含有量65質量%)を用い、クロロメチル化反応に使用するクロロホルムを450g、クロロメチルメチルエーテルを1093g、塩化スズ(IV)を41gに、クロロメチル化反応を1.2時間に変更し、さらに、陰イオン交換樹脂の溶解に使用する混合溶媒をテトラヒドロフラン1000gと1−プロパノール1000gの混合溶媒を使用した以外は製造例1と同様の操作を行い、イオン伝導性付与剤を得た。このイオン伝導性付与剤の物性値は表1の通りであった。
(Production Example 4)
In the production of the ion conductivity-imparting agent of Production Example 1, a commercially available polystyrene-poly (ethylene-propylene) -polystyrene triblock copolymer (weight average molecular weight 75,000, styrene content 65% by mass) was used. Chloroform used for the methylation reaction was changed to 450 g, chloromethyl methyl ether 1093 g, tin (IV) chloride 41 g, and the chloromethylation reaction changed to 1.2 hours, and further used for dissolving the anion exchange resin. The same operation as in Production Example 1 was carried out except that a mixed solvent of 1000 g of tetrahydrofuran and 1000 g of 1-propanol was used as a mixed solvent to obtain an ion conductivity-imparting agent. The physical property values of this ion conductivity-imparting agent are shown in Table 1.

(参考例1)
製造例1のイオン伝導性付与剤の製造において、市販のポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体を、重量平均分子量5万、スチレン含有量30重量%のものに変更し、クロロメチル化反応に使用するクロロホルムを760g、クロロメチルメチルエーテルを513g、塩化スズ(IV)を10gに変更し、陰イオン交換樹脂の溶解に使用する混合溶媒をテトラヒドロフラン1000gと1−プロパノール1000gの混合溶媒を使用した以外は製造例1と同様の操作を行い、イオン伝導性付与剤を得た。このイオン伝導性付与剤の物性値は表1の通りであった。
(Reference Example 1)
In the production of the ion conductivity-imparting agent of Production Example 1, the commercially available polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer was changed to one having a weight average molecular weight of 50,000 and a styrene content of 30% by weight. Chloroform used for the chloromethylation reaction was changed to 760 g, chloromethyl methyl ether was changed to 513 g, and tin (IV) chloride was changed to 10 g, and the mixed solvent used for dissolving the anion exchange resin was a mixture of 1000 g of tetrahydrofuran and 1000 g of 1-propanol. Except having used the solvent, operation similar to manufacture example 1 was performed and the ion conductivity-imparting agent was obtained. The physical property values of this ion conductivity-imparting agent are shown in Table 1.

(参考例2)
製造例1のイオン伝導性付与剤の製造において、市販のポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体を、重量平均分子量5万、スチレン含有量67重量%のものに変更し、クロロメチル化反応に使用するクロロホルムを450g、クロロメチルメチルエーテルを1093g、塩化スズ(IV)を41gに変更し、陰イオン交換樹脂の溶解に使用する混合溶媒をテトラヒドロフラン1000gと1−プロパノール1000gの混合溶媒を使用した以外は製造例1と同様の操作を行い、イオン伝導性付与剤を得た。このイオン伝導性付与剤の物性値は表1の通りであった。このイオン伝導性付与剤から調製したキャストフィルムは相対湿度90%では溶解しなかったが、20℃の水中では全て溶解したため、燃料電池出力評価は実施しなかった。
(Reference Example 2)
In the production of the ion conductivity-imparting agent of Production Example 1, the commercially available polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer was changed to one having a weight average molecular weight of 50,000 and a styrene content of 67% by weight. Chloromethylation used in the chloromethylation reaction was changed to 450 g, chloromethyl methyl ether to 1093 g, and tin (IV) chloride to 41 g, and the mixed solvent used for dissolving the anion exchange resin was a mixture of 1000 g of tetrahydrofuran and 1000 g of 1-propanol. Except having used the solvent, operation similar to manufacture example 1 was performed and the ion conductivity-imparting agent was obtained. The physical property values of this ion conductivity-imparting agent are shown in Table 1. The cast film prepared from this ion conductivity-imparting agent did not dissolve at 90% relative humidity, but was completely dissolved in water at 20 ° C., so the fuel cell output evaluation was not performed.

Figure 2014044940
Figure 2014044940

(膜の製造例1〜3)
WO2009−081812号の実施例1記載の方法に従い、用いた多孔質膜の性状と重合性単量体組成物の組成を表2のように変えた以外は同様にして、陰イオン交換膜を製造した。得られた陰イオン交換膜は、WO2009−081812号記載の方法によって、膜厚、陰イオン交換容量、含水率、膜抵抗、水透過度を測定した。結果を表3に示す。
(Membrane production examples 1 to 3)
In accordance with the method described in Example 1 of WO2009-081812, an anion exchange membrane was produced in the same manner except that the properties of the porous membrane used and the composition of the polymerizable monomer composition were changed as shown in Table 2. did. The obtained anion exchange membrane was measured for film thickness, anion exchange capacity, water content, membrane resistance, and water permeability by the method described in WO2009-081812. The results are shown in Table 3.

Figure 2014044940
Figure 2014044940

Figure 2014044940
Figure 2014044940

(実施例1)
製造例1で作成したイオン伝導性付与剤を用いて、膜製造例1で作成した陰イオン交換膜上にアノード触媒層を形成した。また、参考例1のイオン伝導性付与剤を用いてカソード触媒層を形成し、MEAを作成した。得られたMEAを用いて陰イオン交換膜型燃料電池を作成し、発電試験を行った。アノード室に供給する水素の60℃における相対湿度は0%とし、カソード室に供給する二酸化炭素除去空気の60℃における相対湿度は95%とした。試験結果を表4に示した。
Example 1
An anode catalyst layer was formed on the anion exchange membrane prepared in Membrane Production Example 1 using the ion conductivity imparting agent created in Production Example 1. Moreover, the cathode catalyst layer was formed using the ion conductivity-imparting agent of Reference Example 1 to prepare MEA. Using the obtained MEA, an anion exchange membrane fuel cell was prepared and a power generation test was conducted. The relative humidity at 60 ° C. of hydrogen supplied to the anode chamber was 0%, and the relative humidity at 60 ° C. of carbon dioxide-removed air supplied to the cathode chamber was 95%. The test results are shown in Table 4.

(実施例2〜4、比較例1)
アノード触媒層に用いるイオン伝導性付与剤を表4に示したイオン伝導性付与剤変更した以外は、実施例1と同様にして、MEAを作製し、燃料電池セルに組み込み発電試験を行った。試験結果を表4に示した。
(Examples 2 to 4, Comparative Example 1)
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the ion conductivity-imparting agent used in the anode catalyst layer was changed to the ion conductivity-imparting agent shown in Table 4, and a power generation test was conducted by incorporating it into the fuel cell. The test results are shown in Table 4.

(実施例5,6)
MEAに用いる陰イオン交換膜を表4に示した陰イオン交換膜変更した以外は実施例1と同様にして、MEAを作製し、燃料電池セルに組み込み発電試験を行った。試験結果を表4に示した。
(Examples 5 and 6)
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the anion exchange membrane used in the MEA was changed to the anion exchange membrane shown in Table 4, and a power generation test was conducted in the fuel cell. The test results are shown in Table 4.

Figure 2014044940
Figure 2014044940

比較例1は、イオン伝導性付与剤として、アノード側にイオン交換容量の低いイオン伝導性付与剤を用いているため、保水性が低い。そのため、実施例1〜6の結果と比べて燃料電池の初期出力が低く、出力低下率も大きい。   Since Comparative Example 1 uses an ion conductivity-imparting agent having a low ion exchange capacity on the anode side as the ion conductivity-imparting agent, the water retention is low. Therefore, compared with the result of Examples 1-6, the initial output of a fuel cell is low and the output reduction rate is also large.

(実施例7)
カソード触媒層に用いるイオン伝導性付与剤を表5に示したイオン伝導性付与剤変更した以外は実施例1と同様にしてMEAを作製し、燃料電池セルに組み込み発電試験を行った。本試験結果を表5に示した。
(Example 7)
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the ion conductivity-imparting agent used in the cathode catalyst layer was changed to the ion conductivity-imparting agent shown in Table 5, and the MEA was incorporated into a fuel cell and subjected to a power generation test. The test results are shown in Table 5.

Figure 2014044940
Figure 2014044940

(実施例8、9、比較例2)
カソード触媒層に用いるイオン伝導性付与剤を表5に示したイオン伝導性付与剤に変更した以外は実施例1と同様にしてMEAを作製した。アノード室に供給する水素の湿度を60℃で相対湿度50%に変えた以外は実施例1と同様にして発電試験を行った。試験結果を表6に示す。
(Examples 8 and 9, Comparative Example 2)
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the ion conductivity-imparting agent used in the cathode catalyst layer was changed to the ion conductivity-imparting agent shown in Table 5. A power generation test was performed in the same manner as in Example 1 except that the humidity of the hydrogen supplied to the anode chamber was changed to 60% relative humidity and 50% relative humidity. The test results are shown in Table 6.

Figure 2014044940
Figure 2014044940

1:電池隔壁
2:燃料ガス流通孔
3:酸化剤ガス流通孔
4:燃料室側ガス拡散電極(アノード)
5:酸化剤室側ガス拡散電極(カソード)
6:固体高分子電解質
7:燃料室(アノード室)
8:酸化剤室(カソード室)
20:MEA
23:アノード触媒層
25:炭化水素系陰イオン交換膜
27:カソード触媒層
30:MEA
33:アノード側ガス拡散層
34:アノード触媒層
35:炭化水素系陰イオン交換膜
36:カソード触媒層
37:カソード側ガス拡散層
1: Battery partition wall 2: Fuel gas flow hole 3: Oxidant gas flow hole 4: Fuel chamber side gas diffusion electrode (anode)
5: Oxidant chamber side gas diffusion electrode (cathode)
6: Solid polymer electrolyte 7: Fuel chamber (anode chamber)
8: Oxidant chamber (cathode chamber)
20: MEA
23: Anode catalyst layer 25: Hydrocarbon anion exchange membrane 27: Cathode catalyst layer 30: MEA
33: Anode side gas diffusion layer 34: Anode catalyst layer 35: Hydrocarbon anion exchange membrane 36: Cathode catalyst layer 37: Cathode side gas diffusion layer

Claims (11)

陰イオン交換膜型燃料電池のアノード触媒層の形成に用いるイオン伝導性付与剤であって、陰イオン交換容量が1.8〜3.5mmol/gの炭化水素系陰イオン交換樹脂からなるイオン伝導性付与剤。   Ion conductivity imparting agent used for forming an anode catalyst layer of an anion exchange membrane fuel cell, comprising an anion exchange resin having a anion exchange capacity of 1.8 to 3.5 mmol / g. Sex imparting agent. 前記炭化水素系陰イオン交換樹脂が非架橋形である請求項1に記載のイオン伝導性付与剤。   The ion conductivity-imparting agent according to claim 1, wherein the hydrocarbon-based anion exchange resin is non-crosslinked. 前記非架橋形の炭化水素系陰イオン交換樹脂のヤング率が1〜300MPaである請求項2に記載のイオン伝導性付与剤。   The ion conductivity-imparting agent according to claim 2, wherein the non-crosslinked hydrocarbon-based anion exchange resin has a Young's modulus of 1 to 300 MPa. アノード触媒と、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のイオン伝導性付与剤と、
からなる陰イオン交換膜型燃料電池用のアノード触媒層。
An anode catalyst;
The ion conductivity-imparting agent according to any one of claims 1 to 3,
An anode catalyst layer for an anion exchange membrane fuel cell comprising:
炭化水素系陰イオン交換樹脂膜と、
前記炭化水素系陰イオン交換樹脂膜の一表面上に形成される請求項4に記載のアノード触媒層と
からなる構造を含んでなる陰イオン交換膜型燃料電池用の膜−電極接合体。
A hydrocarbon-based anion exchange resin membrane;
A membrane-electrode assembly for an anion exchange membrane fuel cell, comprising a structure comprising the anode catalyst layer according to claim 4 formed on one surface of the hydrocarbon-based anion exchange resin membrane.
炭化水素系陰イオン交換樹脂膜の25℃における水透過度が1400g・m−2・hr−1以上である請求項5に記載の膜−電極接合体。 6. The membrane-electrode assembly according to claim 5, wherein the hydrocarbon-based anion exchange resin membrane has a water permeability of 1400 g · m −2 · hr −1 or more at 25 ° C. 請求項5または請求項6に記載の膜−電極接合体を具備する陰イオン交換膜型燃料電池。   An anion exchange membrane fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 5. 前記請求項7に記載の陰イオン交換膜型燃料電池のカソード触媒層が、カソード触媒と、請求項1〜3のいずれか1項に記載のイオン伝導性付与剤からなることを特徴とする陰イオン交換膜型燃料電池。   The cathode catalyst layer of the anion exchange membrane fuel cell according to claim 7 comprises a cathode catalyst and the ion conductivity-imparting agent according to any one of claims 1 to 3. Ion exchange membrane fuel cell. 請求項7に記載の陰イオン交換膜型燃料電池を用い、そのアノード室に水素を供給し、そのカソード室に空気を供給して発電を行うことを特徴とする陰イオン交換膜型燃料電池の運転方法。   An anion exchange membrane fuel cell according to claim 7, wherein hydrogen is supplied to the anode chamber and air is supplied to the cathode chamber for power generation. how to drive. アノード室に供給する水素が、陰イオン交換膜型燃料電池の運転温度における相対湿度が40%以下の水素である請求項9記載の陰イオン交換膜型燃料電池の運転方法。   The method for operating an anion exchange membrane fuel cell according to claim 9, wherein the hydrogen supplied to the anode chamber is hydrogen having a relative humidity of 40% or less at the operating temperature of the anion exchange membrane fuel cell. カソード室に供給する空気が、陰イオン交換膜型燃料電池の運転温度における相対湿度が70%以下の空気である請求項9または請求項10記載の陰イオン交換膜型燃料電池の運転方法。   The method for operating an anion exchange membrane fuel cell according to claim 9 or 10, wherein the air supplied to the cathode chamber is air having a relative humidity of 70% or less at the operating temperature of the anion exchange membrane fuel cell.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016067759A1 (en) * 2014-10-30 2016-05-06 日東電工株式会社 Membrane-electrode assembly and fuel cell
CN107406534A (en) * 2015-03-13 2017-11-28 日东电工株式会社 Ionomer resin, the ionomer solution comprising the ionomer resin, layered product, component, electrochemical element and electrochemical appliance

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002367626A (en) * 2001-06-12 2002-12-20 Tokuyama Corp Ion conductivity imparting agent for gas diffusion electrode
JP2003086193A (en) * 2001-09-13 2003-03-20 Tokuyama Corp Method of manufacturing gas diffusion electrode
JP2007188788A (en) * 2006-01-13 2007-07-26 Tokuyama Corp Quaterinizing agent for anion exchange resin film formation, gas diffusion electrode film, solid electrolyte membrane, and solid polymer fuel cell equipped with same
JP2009087742A (en) * 2007-09-28 2009-04-23 Dainippon Printing Co Ltd Cell for solid alkaline fuel battery
JP2009140783A (en) * 2007-12-07 2009-06-25 Tokuyama Corp Hydroxide ion conductivity imparting agent for gas diffusion electrode
WO2009081812A1 (en) * 2007-12-21 2009-07-02 Tokuyama Corporation Solid polymer electrolyte fuel cell membrane
WO2010041642A1 (en) * 2008-10-10 2010-04-15 株式会社トクヤマ Operating method for negative ion exchange membrane-type fuel cell
JP2014022249A (en) * 2012-07-20 2014-02-03 Tokuyama Corp Ion conductivity-imparting agent, cathode catalyst layer, membrane-electrode assembly formed using the catalyst layer, and anion-exchange membrane fuel cell and method for operating the same

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002367626A (en) * 2001-06-12 2002-12-20 Tokuyama Corp Ion conductivity imparting agent for gas diffusion electrode
JP2003086193A (en) * 2001-09-13 2003-03-20 Tokuyama Corp Method of manufacturing gas diffusion electrode
JP2007188788A (en) * 2006-01-13 2007-07-26 Tokuyama Corp Quaterinizing agent for anion exchange resin film formation, gas diffusion electrode film, solid electrolyte membrane, and solid polymer fuel cell equipped with same
JP2009087742A (en) * 2007-09-28 2009-04-23 Dainippon Printing Co Ltd Cell for solid alkaline fuel battery
JP2009140783A (en) * 2007-12-07 2009-06-25 Tokuyama Corp Hydroxide ion conductivity imparting agent for gas diffusion electrode
WO2009081812A1 (en) * 2007-12-21 2009-07-02 Tokuyama Corporation Solid polymer electrolyte fuel cell membrane
WO2010041642A1 (en) * 2008-10-10 2010-04-15 株式会社トクヤマ Operating method for negative ion exchange membrane-type fuel cell
JP2014022249A (en) * 2012-07-20 2014-02-03 Tokuyama Corp Ion conductivity-imparting agent, cathode catalyst layer, membrane-electrode assembly formed using the catalyst layer, and anion-exchange membrane fuel cell and method for operating the same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016067759A1 (en) * 2014-10-30 2016-05-06 日東電工株式会社 Membrane-electrode assembly and fuel cell
JP2016091639A (en) * 2014-10-30 2016-05-23 日東電工株式会社 Membrane-electrode assembly and fuel cell
CN107406534A (en) * 2015-03-13 2017-11-28 日东电工株式会社 Ionomer resin, the ionomer solution comprising the ionomer resin, layered product, component, electrochemical element and electrochemical appliance
US10593980B2 (en) 2015-03-13 2020-03-17 Nitto Denko Corporation Ionomer resin, and ionomer solution, multilayer body, member, electrochemical element, and electrochemical device that include the same

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