JP4632053B2 - Curable composition for fuel cell catalyst layer and catalyst layer - Google Patents

Curable composition for fuel cell catalyst layer and catalyst layer Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池触媒層用硬化性組成物並びに触媒層に関するものである。   The present invention relates to a curable composition for a fuel cell catalyst layer and a catalyst layer.

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性高分子電解質膜の両面に触媒層を配置し、その両面にカーボンペーパーやカーボンクロスなどの多孔質電極基材が配置された構造をしている。これらは一体化されており、電極・膜接合体が形成されている。
従来、プロトン伝導性高分子電解質膜としては、フッ素樹脂系のパーフルオロスルホン酸膜「ナフィオン(デュポン社登録商標)」等が一般に用いられてきた。しかし、メタノールを燃料に用いるダイレクトメタノール型燃料電池においては、ナフィオンのメタノール透過性が大きいことから、メタノールのクロスオーバーにより出力が低下する問題があった。電解質膜のメタノール透過度を小さくするため、ナフィオン膜の改質(例えば、非特許文献1:L.J.Hobson et al.,Journal of Material Chemistry 12(6),1650,2002)、炭化水素系材料(例えば、非特許文献2:B.Yang and A.Manthiram,Electrochemical and Solid−State Letters,6(11),A229,2003)、フッ素系樹脂フィルムにスチレンを放射線グラフトした膜(例えば、非特許文献3:T.Hatanaka et al.,Fuel 81(17),2173,2002)など、パーフルオロスルホン酸系以外の電解質膜が検討されている。
The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a catalyst layer is disposed on both sides of a proton conductive polymer electrolyte membrane, and a porous electrode substrate such as carbon paper or carbon cloth is disposed on both sides. These are integrated to form an electrode / membrane assembly.
Conventionally, as a proton conductive polymer electrolyte membrane, a fluororesin-based perfluorosulfonic acid membrane “Nafion (registered trademark of DuPont)” or the like has been generally used. However, in a direct methanol fuel cell using methanol as fuel, Nafion has a large methanol permeability, so that there is a problem that output is reduced due to methanol crossover. In order to reduce the methanol permeability of the electrolyte membrane, modification of the Nafion membrane (for example, Non-Patent Document 1: LJ Hobson et al., Journal of Material Chemistry 12 (6), 1650, 2002), hydrocarbon type Materials (for example, Non-Patent Document 2: B. Yang and A. Manthiram, Electrochemical and Solid-State Letters, 6 (11), A229, 2003), a film obtained by radiation-grafting styrene on a fluororesin film (for example, Non-Patent Document) Document 3: T. Hatanaka et al., Fuel 81 (17), 2173, 2002) and other electrolyte membranes other than perfluorosulfonic acid are being studied.

また、膜・電極接合体において、電解質膜と接触する触媒層は一般に触媒粒子とナフィオンによって構成されている。触媒層の形成方法としては、触媒粒子とナフィオン溶液を溶媒に分散させて触媒ペーストを作製し、これを電解質膜に直接塗布、あるいはポリテトラフルオロエチレンなどの基材上に触媒ペーストを塗布し、これをホットプレス法によって膜に転写する、あるいは電極基材上に触媒ペーストを塗布し触媒層を形成する方法などがとられている(例えば、非特許文献4:M.S.Wilson and S.Gottesfeld,Journal of Applied Electrochemistry 22(2),1,1992、非特許文献5:M.Uchida et al.,Journal of Electrochemical Society 142(2),463,1995など)。   In the membrane-electrode assembly, the catalyst layer that contacts the electrolyte membrane is generally composed of catalyst particles and Nafion. As a method of forming the catalyst layer, catalyst particles and a Nafion solution are dispersed in a solvent to prepare a catalyst paste, and this is applied directly to an electrolyte membrane, or a catalyst paste is applied on a substrate such as polytetrafluoroethylene, A method of transferring this to a film by a hot press method, or applying a catalyst paste on an electrode substrate to form a catalyst layer is used (for example, Non-Patent Document 4: MS Wilson and S. et al.). Gottsfeld, Journal of Applied Electrochemistry 22 (2), 1, 1992, Non-Patent Document 5: M. Uchida et al., Journal of Electrochemical Society 142 (2), 463, 195, etc.

メタノール透過性を小さくするために、炭化水素系の膜やフッ素系樹脂フィルムにスチレンを放射線グラフトした膜などが検討されていることは先に述べた。しかし、これらは、膜・電極接合体の形態とした後では、膜と電極との接合性に問題があった。電解質膜としてフッ素系樹脂フィルムにスチレンをグラフトした膜を例にとると、非特許文献3:T.Hatanaka et al.,Fuel 81(17),2173,2002に記載されているように、燃料電池として動作中あるいは動作した後に膜と電極が剥がれてしまうという問題があった。剥離が生じると、接触抵抗が増大し、燃料電池の性能が低下することを意味する。   As described above, in order to reduce methanol permeability, a hydrocarbon film or a film obtained by radiation-grafting styrene on a fluorine resin film has been studied. However, these have a problem in the bonding property between the membrane and the electrode after the membrane / electrode assembly is formed. Taking as an example a membrane obtained by grafting styrene to a fluororesin film as the electrolyte membrane, Non-Patent Document 3: T.A. Hatanaka et al. , Fuel 81 (17), 2173, 2002, there is a problem that the membrane and the electrode peel off during or after operation as a fuel cell. When peeling occurs, it means that the contact resistance increases and the performance of the fuel cell decreases.

本発明者らが検討したところでは、放射線グラフト膜に電極をホットプレス法で接合した膜・電極接合体を水やメタノール水溶液に浸漬・放置しておくと、水やメタノール水溶液によって膜が膨潤し、膜と電極が剥がれてしまう様子を確認できた。これは、放射線グラフト膜が燃料であるメタノール水溶液に対し膨潤するため、膜と電極との接合面に応力が発生するが、その応力変化に耐えるほどの接合力が得られていないため剥離が生じるものと思われる。また、膜と接触している部分は触媒層であることから、膜と触媒層との接合力が弱いために剥離が生じるものと思われる。   As a result of studies by the present inventors, if a membrane / electrode assembly in which an electrode is joined to a radiation graft membrane by a hot press method is immersed in water or an aqueous methanol solution, the membrane is swollen by water or an aqueous methanol solution. It was confirmed that the film and the electrode were peeled off. This is because the radiation graft membrane swells in the methanol aqueous solution, which is a fuel, and stress is generated at the joint surface between the membrane and the electrode, but peeling occurs because the joint force is not sufficient to withstand the stress change. It seems to be. Further, since the portion in contact with the membrane is the catalyst layer, it is considered that peeling occurs because the bonding force between the membrane and the catalyst layer is weak.

L.J.Hobson et al.,Journal of Material Chemistry 12(6),1650,2002L. J. et al. Hobson et al. , Journal of Material Chemistry 12 (6), 1650, 2002. B.Yang and A.Manthiram,Electrochemical and Solid−State Letters,6(11),A229,2003B. Yang and A.M. Manthiram, Electrochemical and Solid-State Letters, 6 (11), A229, 2003 T.Hatanaka et al.,Fuel 81(17),2173,2002T.A. Hatanaka et al. , Fuel 81 (17), 2173, 2002 M.S.Wilson and S.Gottesfeld,Journal of Applied Electrochemistry 22(2),1,1992M.M. S. Wilson and S.W. Gottesfeld, Journal of Applied Electrochemistry 22 (2), 1, 1992 M.Uchida et al.,Journal of Electrochemical Society 142(2),463,1995M.M. Uchida et al. , Journal of Electrochemical Society 142 (2), 463, 1995.

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、膜と電極基材との接合体において、上記問題を解決し、接合性に優れた燃料電池触媒層用硬化性組成物及び燃料電池触媒層を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a curable composition for a fuel cell catalyst layer and a fuel cell catalyst layer, which solves the above problems and has excellent bondability in a joined body of a membrane and an electrode substrate. The purpose is to provide.

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、従来の触媒とナフィオンにより構成される触媒ペーストではなく、(1)金属粒子、(2)イオン伝導性基もしくは化学反応を利用してイオン伝導性基を付与可能な前駆体基を有するアルコキシシランもしくはその加水分解物、(3)分子鎖両末端にアルコキシシリル基が結合したパーフルオロポリエーテルを含有する燃料電池触媒層用硬化性組成物を用い、この硬化性組成物から触媒層を形成することによって、接合性に優れた膜・電極接合体を得ることが可能であることを知見し、本発明をなすに至ったものである。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that (1) metal particles, (2) ion-conducting groups or chemical reactions are used instead of catalyst pastes composed of conventional catalysts and Nafion. Use for a fuel cell catalyst layer containing an alkoxysilane having a precursor group capable of imparting an ion-conducting group or hydrolyzate thereof, and (3) a perfluoropolyether having an alkoxysilyl group bonded to both ends of the molecular chain It was found that by using a curable composition and forming a catalyst layer from the curable composition, it was possible to obtain a membrane / electrode assembly excellent in bondability, and the present invention was made. Is.

従って、本発明は、下記燃料電池触媒層用硬化性組成物ならびに触媒層を提供する。
請求項1:
(1)金属粒子100質量部、(2)イオン伝導性基もしくは化学反応を利用してイオン伝導性基を付与可能な前駆体基を有するアルコキシシランもしくはその加水分解物10〜130質量部、(3)分子鎖両末端にアルコキシシリル基が結合したパーフルオロポリエーテル10〜130質量部を含有してなることを特徴とする燃料電池触媒層用硬化性組成物。
請求項2:
上記(1)成分の金属粒子が、白金、金、ルテニウム、パラジウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム及びこれらの合金から選ばれることを特徴とする請求項1記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。
請求項3:
上記(1)成分の金属粒子の平均粒径が10nm以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。
請求項4:
上記(2)成分のイオン伝導性基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項1,2又は3記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。
請求項5:
上記(3)成分の数平均分子量が400以上10,000以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。
請求項6:
更に溶剤を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。
請求項7:
電極基材上に請求項1乃至6のいずれか1項記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物を塗工し、加熱硬化により形成されたことを特徴とする燃料電池触媒層。
Accordingly, the present invention provides the following curable composition for a fuel cell catalyst layer and a catalyst layer.
Claim 1:
(1) 100 parts by mass of metal particles, (2) 10 to 130 parts by mass of an alkoxysilane or a hydrolyzate thereof having an ion conductive group or a precursor group capable of imparting an ion conductive group using a chemical reaction, 3) A curable composition for a fuel cell catalyst layer, comprising 10 to 130 parts by mass of perfluoropolyether having alkoxysilyl groups bonded to both ends of the molecular chain.
Claim 2:
2. The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to claim 1, wherein the metal particles of the component (1) are selected from platinum, gold, ruthenium, palladium, iron, cobalt, nickel, chromium and alloys thereof. object.
Claim 3:
The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to claim 1 or 2, wherein the average particle diameter of the metal particles of the component (1) is 10 nm or less.
Claim 4:
4. The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to claim 1, wherein the ion conductive group of the component (2) is a sulfonic acid group.
Claim 5:
The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the number average molecular weight of the component (3) is from 400 to 10,000.
Claim 6:
The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 5, further comprising a solvent.
Claim 7:
A fuel cell catalyst layer, which is formed by applying the curable composition for a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 6 on an electrode substrate, and heating and curing the composition.

本発明の燃料電池触媒層用硬化性組成物を触媒層に使用すれば、電解質膜と電極基材との接合性、特にメタノール透過性をナフィオンなどパーフルオロスルホン酸系の膜より小さくした炭化水素系の電解質膜に対する接合性を改善することができる。そのため、本発明の燃料電池触媒層用硬化性組成物を用いた膜・電極接合体を使用することにより、メタノール透過性が小さく、かつ、信頼性の高いダイレクトメタノール型燃料電池を製造することができる。   When the curable composition for a fuel cell catalyst layer of the present invention is used for a catalyst layer, the hydrocarbon having a smaller bondability between an electrolyte membrane and an electrode substrate, particularly methanol permeability than a perfluorosulfonic acid-based membrane such as Nafion Bondability of the system to the electrolyte membrane can be improved. Therefore, by using the membrane / electrode assembly using the curable composition for a fuel cell catalyst layer of the present invention, a direct methanol fuel cell having low methanol permeability and high reliability can be produced. it can.

本発明の燃料電池触媒層用硬化性組成物は、(1)金属粒子、(2)イオン伝導性基もしくは化学反応を利用してイオン伝導性基を付与可能な前駆体基を有するアルコキシシランもしくはその加水分解物、(3)分子鎖両末端にアルコキシシリル基が結合したパーフルオロポリエーテルを含有するものである。   The curable composition for a fuel cell catalyst layer of the present invention comprises (1) metal particles, (2) an alkoxysilane having a precursor group capable of imparting an ion conductive group using an ion conductive group or a chemical reaction, or The hydrolyzate contains (3) perfluoropolyether having alkoxysilyl groups bonded to both ends of the molecular chain.

(1)成分の金属粒子としては、白金、金、ルテニウム、パラジウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム及びこれらの合金が挙げられる。白金合金としては、例えば、白金とルテニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、モリブデン、錫、コバルト、ニッケル、鉄、クロム等から選ばれる少なくとも1種の金属との合金等が挙げられる。この場合、白金合金としては、白金を5質量%以上、特に10質量%以上含有するものが好ましい。   Examples of the component (1) metal particles include platinum, gold, ruthenium, palladium, iron, cobalt, nickel, chromium, and alloys thereof. Examples of platinum alloys include alloys of platinum and at least one metal selected from ruthenium, palladium, rhodium, iridium, osmium, molybdenum, tin, cobalt, nickel, iron, chromium, and the like. In this case, the platinum alloy is preferably one containing 5% by mass or more, particularly 10% by mass or more of platinum.

上記白金、白金合金等は、微粒子の状態でもよいし、カーボンブラックやカーボンナノチューブ等の電気伝導性のある担体に担持した状態でもよい。あるいは担持した状態のものと未担持の状態のものを混合しても構わない。   The platinum, platinum alloy or the like may be in the form of fine particles, or may be supported on an electrically conductive carrier such as carbon black or carbon nanotube. Alternatively, a supported state and an unsupported state may be mixed.

また、上記白金、白金合金等の微粒子の平均粒径は、10nm以下、より好ましくは5nm以下であることが好ましい。この場合、平均粒径の上限は、通常1nm以上、特に2nm以上であることが好ましい。なお、この平均粒径の測定法はTEM観察によるものである。   The average particle size of the fine particles such as platinum and platinum alloy is preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less. In this case, the upper limit of the average particle size is usually 1 nm or more, and particularly preferably 2 nm or more. In addition, the measuring method of this average particle diameter is based on TEM observation.

(2)成分のイオン伝導性基もしくは化学反応を利用してイオン伝導性基を付与可能な前駆体基を有するアルコキシシラン(アルコキシ基の炭素数は好ましくは1〜6)もしくはその加水分解物としては、3−トリメトキシシリルプロパンスルホン酸、3−トリヒドロキシシリルプロパンスルホン酸、3−トリメトキシシリルプロポキシ−2−ヒドロキシ−1−プロパンスルホン酸、p−(トリメトキシシリルエチル)フェニルスルホン酸、3−トリヒドロキシシリルプロピルメチルリン酸、2−トリメトキシシリルプロポキシ−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホン酸、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、2−(4−クロロスルホニルフェニル)エチルトリメトキシシラン等が挙げられる。中でも、入手が容易である3−トリヒドロキシシリルプロパンスルホン酸が望ましい。   (2) An alkoxysilane having an ion conductive group or a precursor group capable of imparting an ion conductive group using a chemical reaction (the number of carbon atoms of the alkoxy group is preferably 1 to 6) or a hydrolyzate thereof Are 3-trimethoxysilylpropanesulfonic acid, 3-trihydroxysilylpropanesulfonic acid, 3-trimethoxysilylpropoxy-2-hydroxy-1-propanesulfonic acid, p- (trimethoxysilylethyl) phenylsulfonic acid, 3 -Trihydroxysilylpropylmethyl phosphate, 2-trimethoxysilylpropoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonic acid, γ-glycidoxypropyltriethoxysilane, γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, 2- (4-Chlorosulfonylphenyl) ethyltrimethoxysila Or the like. Of these, 3-trihydroxysilylpropanesulfonic acid, which is easily available, is desirable.

かかる(2)成分は、ビニル基、アリル基等のアルケニル基などの炭素−炭素二重結合とイオン伝導性基もしくは化学反応を利用してイオン伝導性基を付与可能な前駆体基とを有する化合物をケイ素原子に結合した水素原子を有するアルコキシシランと付加反応させ、必要によりアルコキシ基を加水分解させるか、メルカプト基を有するアルコキシシランの該メルカプト基を酸化することにより得ることができる。なお、これらの反応は常法に従って行うことができる。   The component (2) has a carbon-carbon double bond such as an alkenyl group such as a vinyl group or an allyl group and a precursor group capable of imparting an ion conductive group using an ion conductive group or a chemical reaction. The compound can be obtained by addition reaction with an alkoxysilane having a hydrogen atom bonded to a silicon atom, hydrolyzing an alkoxy group as necessary, or oxidizing the mercapto group of an alkoxysilane having a mercapto group. These reactions can be carried out according to conventional methods.

上記イオン伝導性基としては、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基などが挙げられるが、スルホン酸基であることが好ましく、また化学反応によりイオン伝導性基に転換される前駆体基としては、アシルオキシ基、エステル基(−COOR:Rは一価炭化水素基)、酸イミド基、ハロゲン化スルホニル基、ハロゲン化アルキル基、グリシジル基等が挙げられる。この前駆体基は、例えば、水酸化ナトリウム、メタノール又は亜硫酸ナトリウムと化学反応してカルボン酸基又はスルホン酸基を形成するものである。これらの化合物は、1種単独で又は2種以上混合して用いることができる。   Examples of the ion conductive group include a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, and a phosphoric acid group. A sulfonic acid group is preferable, and a precursor group that is converted into an ion conductive group by a chemical reaction is used. Includes an acyloxy group, an ester group (—COOR: R is a monovalent hydrocarbon group), an acid imide group, a halogenated sulfonyl group, a halogenated alkyl group, a glycidyl group, and the like. This precursor group is one that chemically reacts with, for example, sodium hydroxide, methanol or sodium sulfite to form a carboxylic acid group or a sulfonic acid group. These compounds can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

炭素−炭素二重結合とイオン伝導性基を有する化合物としては、スチレンスルホン酸、アリルベンゼンスルホン酸、アリルオキシベンゼンスルホン酸、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、フルオロビニルスルホン酸などが例示され、炭素−炭素二重結合と化学反応を利用してイオン伝導性基を付与可能な前駆体基とを有する化合物としては、p−クロロスルホニルスチレン、アリルグリシジルエーテル、臭化アリル、2−アリロキシ−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホニルフロライドなどが例示される。   Examples of the compound having a carbon-carbon double bond and an ion conductive group include styrene sulfonic acid, allylbenzene sulfonic acid, allyloxybenzene sulfonic acid, vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, and fluorovinyl sulfonic acid. -As a compound having a carbon double bond and a precursor group capable of imparting an ion conductive group using a chemical reaction, p-chlorosulfonyl styrene, allyl glycidyl ether, allyl bromide, 2-allyloxy-1, Examples include 1,2,2-tetrafluoroethanesulfonyl fluoride.

一方、ケイ素原子に結合した水素原子を有するアルコキシシランとしては、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、ジメトキシメチルシラン、ジエトキシエチルシラン等が挙げられる。   On the other hand, examples of the alkoxysilane having a hydrogen atom bonded to a silicon atom include trimethoxysilane, triethoxysilane, dimethoxymethylsilane, and diethoxyethylsilane.

メルカプト基を有するアルコキシシランとしては、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシランが例示される。   Examples of the alkoxysilane having a mercapto group include γ-mercaptopropyltrimethoxysilane and γ-mercaptopropylmethyldimethoxysilane.

例えば、(2)成分としては、入手が容易であることから、3−トリヒドロキシシリルプロパンスルホン酸が好ましいが、これはトリメトキシシランと臭化アリルとを付加反応させた後、Na2SO3を用いてBrをスルホン化し、更にメトキシ基を加水分解することによって得ることができる。 For example, as the component (2), 3-trihydroxysilylpropane sulfonic acid is preferable because it is easily available, and this is obtained by subjecting trimethoxysilane and allyl bromide to an addition reaction, and then Na 2 SO 3. Can be obtained by sulfonating Br and hydrolyzing the methoxy group.

(3)成分の分子鎖両末端にアルコキシシリル基が結合したパーフルオロポリエーテルは、(CF2O)、(CF2CF2O)、(CF(CF3)CF2O)などのエーテル構造を有するジオールにジイソシアネートを一部反応させ、更に残存するイソシアネートと反応可能な基を有するアルコキシシランを反応させることにより得ることができる。
又は、エーテル構造を有するパーフルオロジオールを臭化アリルと反応させ、両末端をアリルエーテル化した後、このアリル基に反応可能な基(即ち、ケイ素原子に結合した水素原子、つまりSiH基)を有するアルコキシシランを反応させることにより得ることができる。
(3) Perfluoropolyether having alkoxysilyl groups bonded to both ends of the molecular chain of the component has an ether structure such as (CF 2 O), (CF 2 CF 2 O), (CF (CF 3 ) CF 2 O) It can be obtained by reacting a part of the diisocyanate with a diol having a reaction with an alkoxysilane having a group capable of reacting with the remaining isocyanate.
Alternatively, a perfluorodiol having an ether structure is reacted with allyl bromide, and both ends are allyl etherified, and then a group capable of reacting with this allyl group (that is, a hydrogen atom bonded to a silicon atom, that is, a SiH group). It can be obtained by reacting an alkoxysilane having it.

エーテル構造を有するパーフルオロジオールの例としては、Fomblin Z DOL、Fluorolink D、Fluorolink D10H、Fluorolink D10等が挙げられる。その数平均分子量は400〜2,000が望ましい。   Examples of perfluorodiol having an ether structure include Fomblin Z DOL, Fluorolink D, Fluorolink D10H, and Fluorolink D10. The number average molecular weight is preferably 400 to 2,000.

ジイソシアネートの例としては、2,4−トリレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、水添4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、水添キシリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、1,5−ナフタレンジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、p−フェニレンジイソシアネート、トランスシクロヘキサン−1,4−ジイソシアネート、リジンジイソシアネート、テトラメチルキシレンジイソシアネート、リジンエステルトリイソシアネート、1,6,11−ウンデカントリイソシアネート、1,8−ジイソシアネート−4−イソシアネートメチルオクタン、1,3,6−ヘキサメチレントリイソシアネート、ビシクロヘプタントリイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート等が挙げられる。これらの中で、2,4−トリレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネートが、電解質膜と触媒層間の密着性に優れるため望ましい。   Examples of diisocyanates include 2,4-tolylene diisocyanate, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate, hydrogenated 4,4′-diphenylmethane diisocyanate, xylylene diisocyanate, hydrogenated xylylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, 1 , 5-naphthalene diisocyanate, tolidine diisocyanate, p-phenylene diisocyanate, transcyclohexane-1,4-diisocyanate, lysine diisocyanate, tetramethylxylene diisocyanate, lysine ester triisocyanate, 1,6,11-undecane triisocyanate, 1,8- Diisocyanate-4-isocyanate methyloctane, 1,3,6-hexamethylene triisocyanate, Cycloheptane triisocyanate, trimethylhexamethylene diisocyanate, and the like. Among these, 2,4-tolylene diisocyanate and isophorone diisocyanate are preferable because of excellent adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer.

イソシアネートと反応可能な基を有するアルコキシシランの例としては、アミノ基を有するアルコキシシラン、特にγ−アミノプロピルメチルジエトキシシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシランが挙げられる。γ−アミノプロピルメチルジエトキシシランが触媒層を柔軟にできるため望ましい。   Examples of alkoxysilanes having groups capable of reacting with isocyanate include alkoxysilanes having amino groups, in particular γ-aminopropylmethyldiethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane, N-β (aminoethyl) γ. -Aminopropylmethyldimethoxysilane, N-β (aminoethyl) γ-aminopropyltrimethoxysilane. γ-Aminopropylmethyldiethoxysilane is preferable because the catalyst layer can be made flexible.

上記(3)成分の分子鎖両末端にアミド結合、ウレタン結合、ウレア結合から選択される結合を介してアルコキシシリル基が結合したパーフルオロポリエーテルの製造法は特に制限されないが、パーフルオロポリエーテルジオールとジイソシアネートをモル比としてOH/NCO<1で反応させ、更に残存イソシアネート基と反応する官能基(例えばアミノ基)を有するアルコキシシランと反応させたものであることが望ましい。   The method for producing a perfluoropolyether in which an alkoxysilyl group is bonded to both ends of the molecular chain of the component (3) via a bond selected from an amide bond, a urethane bond, and a urea bond is not particularly limited. It is desirable that diol and diisocyanate be reacted at a molar ratio of OH / NCO <1, and further reacted with an alkoxysilane having a functional group (for example, amino group) that reacts with the remaining isocyanate group.

即ち、分子鎖両末端にアミド結合、ウレタン結合、ウレア結合から選択される結合を介してアルコキシシリル基が結合したパーフルオロポリエーテルは、前記成分を反応させることにより調製することができ、各成分の割合は、例えば、ポリイソシアネートのイソシアネート基1モルに対して、パーフルオロポリエーテル成分の水酸基0.1〜0.8モル、好ましくは0.2〜0.7モル、特に0.2〜0.5モル程度、アミノ基含有アルコキシシラン0.2〜0.9モル、好ましくは0.3〜0.8モル、特に0.5〜0.8モル程度である。   That is, a perfluoropolyether having an alkoxysilyl group bonded to both ends of the molecular chain via a bond selected from an amide bond, a urethane bond, and a urea bond can be prepared by reacting the above components. Is, for example, 0.1 to 0.8 mol, preferably 0.2 to 0.7 mol, particularly 0.2 to 0 mol of the hydroxyl group of the perfluoropolyether component with respect to 1 mol of the isocyanate group of the polyisocyanate. About 0.5 mol, amino group-containing alkoxysilane 0.2-0.9 mol, preferably 0.3-0.8 mol, especially about 0.5-0.8 mol.

また、前記成分の反応方法は、特に限定されず、各成分を一括混合して反応させてもよく、ポリイソシアネートと、パーフルオロポリエーテル成分及びアミノ基含有アルコキシシランのうち何れか一方の成分とを反応させた後、他方の成分を反応させてもよい。   Moreover, the reaction method of the said component is not specifically limited, Each component may be mixed and made to react, Polyisocyanate, any one component among a perfluoropolyether component and an amino group containing alkoxysilane, After reacting, the other component may be reacted.

これらアミド化、ウレタン化、ウレア化反応は触媒を使用しなくても進行するが、必要に応じ、触媒として、例えばスタナスオクトエート、ジブチルチンジアセテート、ジブチルチンジラウレート、ナフテン酸コバルト、ナフテン酸鉛などの有機金属系触媒を使用することができる。   These amidation, urethanization, and ureaation reactions proceed without using a catalyst, but as necessary, for example, stannous octoate, dibutyltin diacetate, dibutyltin dilaurate, cobalt naphthenate, lead naphthenate An organometallic catalyst such as can be used.

アミド結合、ウレタン結合、ウレア結合から選択される結合を介していない分子鎖両末端にアルコキシシリル基を有するパーフルオロポリエーテルの製造法は特に制限されないが、水酸化ナトリウムとパーフルオロポリエーテルジオールを反応させ、その後臭化アリル等のハロゲン化アリルと反応させパーフルオロポリエーテルの両末端をアリルエーテル化した後、ケイ素原子に結合した水素原子を有するアルコキシシランと付加反応させることにより得ることができる。   The production method of the perfluoropolyether having an alkoxysilyl group at both ends of the molecular chain not via a bond selected from an amide bond, a urethane bond, and a urea bond is not particularly limited, but sodium hydroxide and perfluoropolyetherdiol are used. It can be obtained by reacting, then reacting with allyl halide such as allyl bromide to make all ends of perfluoropolyether allyl ether, and then adding it with an alkoxysilane having a hydrogen atom bonded to a silicon atom. .

また、上記(3)成分の数平均分子量は、400〜10,000、特に400〜2,000であることが好ましい。なお、この数平均分子量はGPCによるポリスチレン換算値である。   The number average molecular weight of the component (3) is preferably 400 to 10,000, particularly 400 to 2,000. In addition, this number average molecular weight is a polystyrene conversion value by GPC.

本発明の燃料電池触媒層用硬化性組成物は、(1)金属粒子、(2)イオン伝導性基もしくは化学反応を利用してイオン伝導性基を付与可能な前駆体基を有するアルコキシシランもしくはその加水分解物、(3)分子鎖両末端にアルコキシシリル基が結合したパーフルオロポリエーテルを含有しているが、触媒層の形成性や性能を高めるために他の成分を導入することが可能である。   The curable composition for a fuel cell catalyst layer of the present invention comprises (1) metal particles, (2) an alkoxysilane having a precursor group capable of imparting an ion conductive group using an ion conductive group or a chemical reaction, or The hydrolyzate contains (3) perfluoropolyether with alkoxysilyl groups bonded to both ends of the molecular chain, but other components can be introduced to improve the formability and performance of the catalyst layer. It is.

この場合、塗工性を向上する目的で溶剤を使用することも可能である。溶剤としては、イオン伝導性基を有するアルコキシシランもしくはその加水分解物及び分子鎖両末端にアルコキシシリル基が結合したポリエーテルを均一に溶解するものが好ましく、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、エチレングリコール、グリセロ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、酢酸ブチル等のエステル類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素、n−ヘプタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族乃至脂環式炭化水素、水、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの極性溶剤、ヘキサフルオロメタキシレンなどのフッ素系溶剤が挙げられる。これらは1種単独で又は2種以上を混合して用いることができる。これらの中でもN,N−ジメチルホルムアミドなどの極性溶剤、及びフッ素系溶剤が望ましい。   In this case, it is also possible to use a solvent for the purpose of improving the coatability. The solvent is preferably an alkoxysilane having an ion conductive group or a hydrolyzate thereof, and a solvent that uniformly dissolves a polyether having alkoxysilyl groups bonded to both ends of the molecular chain. For example, methyl alcohol, ethyl alcohol, n- Alcohols such as propyl alcohol, isopropyl alcohol, n-butyl alcohol, ethylene glycol and glycerol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, benzene and toluene Aromatic hydrocarbons such as n-heptane, n-hexane, cyclohexane and the like, water, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, formamide, N Methylformamide, N- methylpyrrolidone, ethylene carbonate, polar solvents such as propylene carbonate, and a fluorine-based solvents such as hexafluoro-xylene. These can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Among these, polar solvents such as N, N-dimethylformamide and fluorine-based solvents are desirable.

また、触媒層中の多孔性を増し、水の移動を容易にするため、フッ素樹脂を加えることも可能である。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(FEP)、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コポリマー(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、三フッ化エチレン−エチレンコポリマー(ECTFE)等が挙げられ、これらを1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。なお、これらフッ素樹脂としては、GPCによるポリスチレン換算数平均分子量100,000〜600,000程度の市販品を用いることができる。   Moreover, in order to increase the porosity in the catalyst layer and facilitate the movement of water, it is also possible to add a fluororesin. Examples of fluororesins include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-tetra Fluoroethylene copolymer (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), ethylene trifluoride-ethylene copolymer (ECTFE), etc. are mentioned, and these may be used alone or in combination of two or more. Can be used. In addition, as these fluororesins, the commercial item about the polystyrene conversion number average molecular weight 100,000-600,000 by GPC can be used.

本発明の燃料電池触媒層用硬化性組成物に含まれる上記(1)〜(3)成分及び溶剤、フッ素樹脂成分の割合は、限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択することができるが、(1)成分100質量部に対し、(2)成分は、10〜130質量部、特に10〜80質量部、(3)成分は、10〜130質量部、特に10〜80質量部、溶剤は、0〜2,000質量部、特に、100〜1,000質量部、フッ素樹脂成分は10〜400質量部、特に40〜130質量部の使用量とすることが好ましい。   The proportions of the components (1) to (3), the solvent, and the fluororesin component contained in the curable composition for a fuel cell catalyst layer of the present invention are not limited and may be appropriately selected within a wide range. The component (2) is 10 to 130 parts by weight, particularly 10 to 80 parts by weight, and the component (3) is 10 to 130 parts by weight, particularly 10 to 80 parts by weight, based on 100 parts by weight of the component (1). The solvent is used in an amount of 0 to 2,000 parts by mass, particularly 100 to 1,000 parts by mass, and the fluororesin component is preferably used in an amount of 10 to 400 parts by mass, particularly 40 to 130 parts by mass.

本発明の燃料電池触媒層用硬化性組成物から触媒層を形成するには、電解質膜又は多孔質電極基材上に硬化性組成物を塗布し、(2),(3)成分を室温もしくは加熱して硬化させる。硬化性組成物中に溶剤を加えた場合は溶剤を除去すると同時に(2),(3)成分を硬化させる。   In order to form a catalyst layer from the curable composition for a fuel cell catalyst layer of the present invention, the curable composition is applied onto an electrolyte membrane or a porous electrode substrate, and the components (2) and (3) Heat to cure. When a solvent is added to the curable composition, the solvent is removed and at the same time the components (2) and (3) are cured.

この場合、本発明の硬化性組成物の塗布方法としては、アプリケーター、バーコーター、スピンコーター、ナイフコーター、ディップコーター、スプレーなど公知の方法を使用することができる。   In this case, as a method for applying the curable composition of the present invention, known methods such as an applicator, a bar coater, a spin coater, a knife coater, a dip coater, and a spray can be used.

また、本発明の触媒層の厚さは種々選定し得るが、10〜100μm、特に20〜50μmの厚さとすることが好ましい。   The thickness of the catalyst layer of the present invention can be variously selected, but it is preferably 10 to 100 μm, particularly preferably 20 to 50 μm.

また、触媒ペースト(硬化性組成物)塗布後の硬化は、室温で1日放置するか、50〜120℃で3〜30分程度加熱することで行うことができる。硬化を促進するため、ジブチル錫ジアセテートなどの有機スズ化合物を触媒ペースト中に加えておいてもよい。   Moreover, hardening after catalyst paste (curable composition) application | coating can be performed by leaving at room temperature for 1 day, or heating at 50-120 degreeC for about 3 to 30 minutes. In order to accelerate curing, an organic tin compound such as dibutyltin diacetate may be added to the catalyst paste.

触媒層は、電解質膜及び電極基材の少なくとも一方に形成されるが、電解質膜の両面を電極基材で挟み、ホットプレスすることで膜・電極接合体を得ることができる。ホットプレス時の温度は、使用する電解質膜、又は硬化性組成物中の(2),(3)成分、フッ素樹脂の種類や配合比によって適宜選択されるが、望ましい温度範囲は50〜200℃、より望ましくは80〜180℃である。50℃未満であると接合が不十分であるおそれがあり、200℃を超えると電解質膜又は触媒層中の樹脂成分が劣化するおそれがある。加圧レベルに関しては、電解質膜及び/又は触媒ペースト中の(2),(3)成分、フッ素樹脂の種類や配合比、多孔質電極基材の種類によって適宜選択されるが、望ましい加圧範囲は1〜100kgf/cm2、より望ましくは10〜100kgf/cm2である。1kgf/cm2未満であると接合が不十分であるおそれがあり、100kgf/cm2を超えると触媒層や電極基材の空孔度が減少し、性能が劣化するおそれがある。 The catalyst layer is formed on at least one of the electrolyte membrane and the electrode substrate, and the membrane / electrode assembly can be obtained by sandwiching both surfaces of the electrolyte membrane with the electrode substrate and hot pressing. The temperature at the time of hot pressing is appropriately selected depending on the electrolyte membrane to be used or the components (2) and (3) in the curable composition, the type and blending ratio of the fluororesin, but the desirable temperature range is 50 to 200 ° C. More desirably, the temperature is 80 to 180 ° C. If it is less than 50 ° C, bonding may be insufficient, and if it exceeds 200 ° C, the resin component in the electrolyte membrane or the catalyst layer may be deteriorated. The pressure level is appropriately selected depending on the components (2) and (3) in the electrolyte membrane and / or catalyst paste, the type and blending ratio of the fluororesin, and the type of the porous electrode substrate, but the desired pressure range. Is 1 to 100 kgf / cm 2 , more preferably 10 to 100 kgf / cm 2 . If it is less than 1 kgf / cm 2 , the bonding may be insufficient, and if it exceeds 100 kgf / cm 2 , the porosity of the catalyst layer and the electrode substrate may decrease, and the performance may deteriorate.

このようにして、図1に示すような電極・膜接合体が得られる。ここで、図1において、1はカーボンペーパー、カーボンクロス等からなる多孔質電極基材2と触媒層3とからなるカソード、4はカーボンペーパー、カーボンクロス等からなる多孔質電極基材5と触媒層6とからなるアノード、7はプロトン伝導性高分子電解質膜である。なおこの場合、触媒層3と多孔質電極基材2との間、及び触媒層6と多孔質電極基材5との間にそれぞれ撥水層を介在させることができる。   In this way, an electrode / membrane assembly as shown in FIG. 1 is obtained. Here, in FIG. 1, 1 is a cathode composed of a porous electrode substrate 2 made of carbon paper, carbon cloth or the like and a catalyst layer 3, and 4 is a porous electrode substrate 5 made of carbon paper, carbon cloth or the like, and a catalyst. An anode 7 composed of the layer 6 is a proton conductive polymer electrolyte membrane. In this case, a water repellent layer can be interposed between the catalyst layer 3 and the porous electrode substrate 2 and between the catalyst layer 6 and the porous electrode substrate 5, respectively.

この場合、プロトン伝導性高分子電解質膜としては、種々選定使用されるが、特にダイレクトメタノール型燃料電池とする場合は、フッ素系フィルム、例えば、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロビニルエーテルコポリマー(PFA)等にスチレンを放射線グラフトすることにより得られた膜、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾールなどの炭化水素系の膜等が好適に用いられる。   In this case, various proton conductive polymer electrolyte membranes are selected and used. In particular, when a direct methanol fuel cell is used, a fluorine-based film such as ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polytetrafluoroethylene is used. Films obtained by radiation grafting of styrene to ethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluorovinyl ether copolymer (PFA), polyetherketone, polyetheretherketone Hydrocarbon films such as polybenzimidazole and polybenzoxazole are preferably used.

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated concretely, this invention is not restrict | limited to the following Example.

[合成例1] 電解質膜の合成
使用する電解質膜として、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)フィルムにスチレンを放射線グラフトし、スルホン化した膜を作製した。
サイズ6cm×6cm,厚さ50μmのETFEフィルム(サンゴバン製、Norton(登録商標))に電子線を25℃で、吸収線量が5kGyとなるよう照射し、スチレン40質量部、ジビニルベンゼン2質量部、ヘキサン40質量部、アゾビスイソブチルニトリル0.01質量部が仕込んである500ccのセパラブルフラスコに入れ、窒素雰囲気下60℃で16時間加熱し、グラフト重合した。グラフトした量は、下記の式よりグラフト率として算出した。
グラフト率={(グラフト後フィルム質量−グラフト前質量)/グラフト前質量}
×100(%)
上記吸収線量におけるグラフト率は45質量%であった。
グラフト後のフィルムをクロロスルホン酸30質量部と1,2−ジクロロエタン70質量部の混合液に浸漬し、50℃で1時間加熱後、90℃の1N苛性カリ水溶液中に1時間浸漬することで加水分解し、続いて90℃の2N塩酸に1時間浸漬後、純水で3回洗浄し、スルホン酸基を含有する固体高分子電解質膜(A)を得た。
作製した電解質膜(A)のイオン伝導度は室温で0.12S/cmであり、市販されているナフィオン膜のイオン伝導度約0.08S/cmより大きい膜を得た。
[Synthesis Example 1] Synthesis of Electrolyte Membrane As an electrolyte membrane to be used, a sulfonated membrane was produced by radiation-grafting styrene on an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) film.
An ETFE film having a size of 6 cm × 6 cm and a thickness of 50 μm (manufactured by Saint-Gobain, Norton (registered trademark)) was irradiated with an electron beam at 25 ° C. so that the absorbed dose was 5 kGy, and 40 parts by mass of styrene, 2 parts by mass of divinylbenzene, The mixture was placed in a 500 cc separable flask charged with 40 parts by mass of hexane and 0.01 parts by mass of azobisisobutylnitrile, and heated at 60 ° C. for 16 hours in a nitrogen atmosphere to perform graft polymerization. The grafted amount was calculated as a graft ratio from the following formula.
Graft ratio = {(film mass after grafting−mass before grafting) / mass before grafting}
× 100 (%)
The graft rate at the absorbed dose was 45% by mass.
The grafted film is immersed in a mixed solution of 30 parts by mass of chlorosulfonic acid and 70 parts by mass of 1,2-dichloroethane, heated at 50 ° C. for 1 hour, and then immersed in a 1N caustic potash aqueous solution at 90 ° C. for 1 hour. After decomposing and subsequently immersed in 2N hydrochloric acid at 90 ° C. for 1 hour, it was washed 3 times with pure water to obtain a solid polymer electrolyte membrane (A) containing sulfonic acid groups.
The produced electrolyte membrane (A) had an ionic conductivity of 0.12 S / cm at room temperature, and a membrane having a ionic conductivity greater than about 0.08 S / cm of a commercially available Nafion membrane was obtained.

[合成例2]
数平均分子量1,000のパーフルオロポリエーテルグリコール(FuluorolinkD10)11.56gに、窒素通気下、2,4−トリレンジイソシアネート4.02gを滴下した。滴下後、更に70℃で2時間反応させ、γ−アミノプロピルメチルジエトキシシラン4.42gを滴下した。更に70℃で5時間反応させ、数平均分子量が1,730の分子鎖両末端にアルコキシシリル基がウレタン結合とウレア結合を介して結合したパーフルオロポリエーテル(B)を得た。
[Synthesis Example 2]
4.02 g of 2,4-tolylene diisocyanate was added dropwise to 11.56 g of perfluoropolyether glycol (Fluolink D10) having a number average molecular weight of 1,000 under nitrogen flow. After the dropping, the mixture was further reacted at 70 ° C. for 2 hours, and 4.42 g of γ-aminopropylmethyldiethoxysilane was added dropwise. The reaction was further carried out at 70 ° C. for 5 hours to obtain a perfluoropolyether (B) in which an alkoxysilyl group was bonded to both ends of a molecular chain having a number average molecular weight of 1,730 via a urethane bond and a urea bond.

[実施例1]
カソード電極用触媒ペーストは、50質量%白金を担持したカーボン触媒TEC10E50E(田中貴金属社製)10.0gをイソプロピルアルコール20.0g、イオン交換水20.0gに分散させた。これに3−トリヒドロキシシリルプロパンスルホン酸33%水溶液(Gelest社製)10.0gと合成例2で合成した(B)2.4gをイソプロピルアルコール22.5gに溶解させたものを加え、混合することによりカソード電極用触媒ペーストを得た。
アノード電極用触媒ペーストは、カソード電極用触媒ペーストで使用した50質量%白金を担持したカーボン触媒TEC10E50Eの替わりに54質量%(白金+ルテニウム)を担持したカーボン触媒TEC61E54(田中貴金属社製)を10.0g使用した以外はカソード電極用触媒ペーストと同様にしてアノード電極用触媒ペーストを得た。
触媒層の形成は、上記触媒ペーストを電極側に塗布することによって実施した。多孔質電極基材としてカーボンペーパーTGP−H−060(東レ社製)を用い、その上にテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(FEP)とカーボンブラックVulcan−XC−72(Cabot社製)からなる撥水ペーストを塗布し、340℃で処理することによって撥水層を形成した後、その上に各触媒ペーストをバーコーターで塗布した。塗布後、100℃で20分間加熱して触媒ペーストを硬化すると同時にイソプロピルアルコールと水も除去した。所望の触媒搭載量を得るまで、上記操作を繰り返し、カソードとしてPtの搭載量が1mg/cm2、アノードとしてPtRuの搭載量が1mg/cm2である電極を作製した。
各電極を5cm2サイズとした後、合成例1で作製した電解質膜(A)をアノード電極及びカソード電極で触媒層が電解質膜と接するように挟み、これを130℃,50kgf/cm2で10分間ホットプレスすることにより、膜・電極接合体を得た。
[Example 1]
As the cathode electrode catalyst paste, 10.0 g of carbon catalyst TEC10E50E (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) supporting 50 mass% platinum was dispersed in 20.0 g of isopropyl alcohol and 20.0 g of ion-exchanged water. To this, 10.0 g of 33% aqueous solution of 3-trihydroxysilylpropane sulfonic acid (manufactured by Gelest) and 2.4 g of (B) synthesized in Synthesis Example 2 were dissolved in 22.5 g of isopropyl alcohol and mixed. As a result, a catalyst paste for a cathode electrode was obtained.
As the anode electrode catalyst paste, a carbon catalyst TEC61E54 (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 10 supporting 54 mass% (platinum + ruthenium) was used instead of the carbon catalyst TEC10E50E supporting 50 mass% platinum used in the cathode electrode catalyst paste. An anode electrode catalyst paste was obtained in the same manner as the cathode electrode catalyst paste except that 0.0 g was used.
The catalyst layer was formed by applying the catalyst paste to the electrode side. Carbon paper TGP-H-060 (manufactured by Toray Industries, Inc.) is used as a porous electrode substrate, and it is made of tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) and carbon black Vulcan-XC-72 (manufactured by Cabot). A water repellent paste was applied and treated at 340 ° C. to form a water repellent layer, and then each catalyst paste was applied thereon with a bar coater. After coating, the catalyst paste was cured by heating at 100 ° C. for 20 minutes, and at the same time, isopropyl alcohol and water were removed. The above operation was repeated until a desired catalyst loading was obtained, and an electrode having a Pt loading of 1 mg / cm 2 as a cathode and a PtRu loading of 1 mg / cm 2 as an anode was produced.
After each electrode is 5 cm 2 in size, the electrolyte membrane (A) produced in Synthesis Example 1 is sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode so that the catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane, and this is 10 ° C. at 130 ° C. and 50 kgf / cm 2 . A membrane-electrode assembly was obtained by hot pressing for a minute.

[比較例1]
比較例として、触媒層が従来の触媒粒子とナフィオンより構成される膜・電極接合体を作製した。
カソード電極用触媒ペーストは、触媒粒子TEC10E50E 10.0gをイソプロピルアルコール20.0g、イオン交換水20.0gに分散させた。これに20質量%ナフィオン溶液25.0gとイソプロピルアルコール10.0gの混合液を加え、更に混合することにより、カソード電極用触媒ペーストを得た。アノード電極用触媒ペーストは、触媒粒子としてTEC61E54を用い、カソードペースト作製と同様の配合量、手順で得た。
電極はカーボンペーパーTGP−H−060上に、FEPとカーボンブラックVulcan−XC−72からなる撥水ペーストを塗布し、340℃で処理することによって撥水層を形成した後、その上に各触媒ペーストをバーコーターで塗布し、60℃で乾燥することによって、カソード用電極、及びアノード用電極を作製した。
各電極を5cm2サイズとした後、合成例1で作製した電解質膜(A)を挟み、130℃,50kgf/cm2で10分保持することにより、膜・電極接合体を得た。
[Comparative Example 1]
As a comparative example, a membrane / electrode assembly in which the catalyst layer was composed of conventional catalyst particles and Nafion was produced.
In the cathode electrode catalyst paste, 10.0 g of catalyst particles TEC10E50E were dispersed in 20.0 g of isopropyl alcohol and 20.0 g of ion-exchanged water. A mixed solution of 25.0 g of a 20% by mass Nafion solution and 10.0 g of isopropyl alcohol was added thereto and further mixed to obtain a cathode electrode catalyst paste. The catalyst paste for the anode electrode was obtained by using TEC61E54 as the catalyst particles in the same amount and procedure as the cathode paste preparation.
The electrode was formed by applying a water repellent paste composed of FEP and carbon black Vulcan-XC-72 on carbon paper TGP-H-060 and treating it at 340 ° C. The paste was applied with a bar coater and dried at 60 ° C. to prepare a cathode electrode and an anode electrode.
After each electrode was made 5 cm 2 in size, the electrolyte membrane (A) produced in Synthesis Example 1 was sandwiched and held at 130 ° C. and 50 kgf / cm 2 for 10 minutes to obtain a membrane / electrode assembly.

実施例1と比較例1の接合性を、作製した膜・電極接合体を1Mメタノール水溶液に室温下で24時間浸漬し、電解質膜から電極が剥がれるかどうかで確認した。その結果、実施例1で作製した膜・電極接合体には、膜−電極間の剥離はカソード電極、アノード電極とも認められなかったのに対し、比較例1で作製した膜・電極接合体は、カソード電極、アノード電極とも膜が剥がれ分離した。
電解質膜は1Mメタノール水溶液に浸漬されると、膨潤してサイズが広がろうとするため、膜と電極との界面に応力が発生するが、比較例1で作製した膜・電極接合体では、膜−電極界面における接合力が弱いため剥がれたものと思われる。実施例1と比較例1とで作製した膜・電極接合体の違いは触媒層の組成のみであることから、本発明の触媒ペーストを用いることによって、接合力が向上している様子が確かめられた。
The bondability between Example 1 and Comparative Example 1 was confirmed by immersing the prepared membrane / electrode assembly in a 1M aqueous methanol solution at room temperature for 24 hours to determine whether the electrode was peeled off from the electrolyte membrane. As a result, in the membrane / electrode assembly produced in Example 1, separation between the membrane and the electrode was not observed for both the cathode electrode and the anode electrode, whereas the membrane / electrode assembly produced in Comparative Example 1 was The membrane was peeled off and separated from both the cathode electrode and the anode electrode.
When the electrolyte membrane is immersed in a 1M aqueous methanol solution, it swells and tends to expand in size, and stress is generated at the interface between the membrane and the electrode. In the membrane / electrode assembly produced in Comparative Example 1, -It seems to have peeled off due to weak bonding force at the electrode interface. Since the difference between the membrane / electrode assembly produced in Example 1 and Comparative Example 1 is only the composition of the catalyst layer, it is confirmed that the joining force is improved by using the catalyst paste of the present invention. It was.

電極・膜接合体の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of an electrode and membrane assembly.

符号の説明Explanation of symbols

1 カソード
2 多孔質電極基材
3 触媒層
4 アノード
5 多孔質電極基材
6 触媒層
7 プロトン伝導性高分子電解質膜
1 Cathode 2 Porous Electrode Base 3 Catalyst Layer 4 Anode 5 Porous Electrode Base 6 Catalyst Layer 7 Proton Conducting Polymer Electrolyte Membrane

Claims (7)

(1)金属粒子100質量部、(2)イオン伝導性基もしくは化学反応を利用してイオン伝導性基を付与可能な前駆体基を有するアルコキシシランもしくはその加水分解物10〜130質量部、(3)分子鎖両末端にアルコキシシリル基が結合したパーフルオロポリエーテル10〜130質量部を含有してなることを特徴とする燃料電池触媒層用硬化性組成物。   (1) 100 parts by mass of metal particles, (2) 10 to 130 parts by mass of an alkoxysilane or a hydrolyzate thereof having an ion conductive group or a precursor group capable of imparting an ion conductive group using a chemical reaction, 3) A curable composition for a fuel cell catalyst layer, comprising 10 to 130 parts by mass of perfluoropolyether having alkoxysilyl groups bonded to both ends of the molecular chain. 上記(1)成分の金属粒子が、白金、金、ルテニウム、パラジウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム及びこれらの合金から選ばれることを特徴とする請求項1記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。   2. The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to claim 1, wherein the metal particles of the component (1) are selected from platinum, gold, ruthenium, palladium, iron, cobalt, nickel, chromium and alloys thereof. object. 上記(1)成分の金属粒子の平均粒径が10nm以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。   The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to claim 1 or 2, wherein the average particle diameter of the metal particles of the component (1) is 10 nm or less. 上記(2)成分のイオン伝導性基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項1,2又は3記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。   4. The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to claim 1, wherein the ion conductive group of the component (2) is a sulfonic acid group. 上記(3)成分の数平均分子量が400以上10,000以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。   The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the number average molecular weight of the component (3) is from 400 to 10,000. 更に溶剤を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物。   The curable composition for a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 5, further comprising a solvent. 電極基材上に請求項1乃至6のいずれか1項記載の燃料電池触媒層用硬化性組成物を塗工し、加熱硬化により形成されたことを特徴とする燃料電池触媒層。
A fuel cell catalyst layer, which is formed by applying the curable composition for a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 6 on an electrode substrate, and heating and curing the composition.
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