JP5144023B2 - Membrane-electrode assembly - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池などを構成する膜−電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly constituting a solid polymer fuel cell and the like.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極およびカソード電極が配され、この両側がセパレータで挟まれたセルをユニットとして構成されている。
上記電極は、ガス拡散の促進および集電を行う電極基材と、実際に電気化学反応場となる触媒層とから構成されている。具体的には、アノード電極では、触媒層で燃料ガスが反応してプロトンおよび電子を生じ、電子は電極基材に伝導し外部回路に送られ、プロトンは電極電解質を介して固体高分子電解質膜へと伝導する。一方、カソード電極では、触媒層で酸化ガスと、固体高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、外部回路を経て電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。
The polymer electrolyte fuel cell is configured as a unit in which a cell in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and both sides are sandwiched between separators.
The electrode includes an electrode base material that promotes gas diffusion and collects current, and a catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. Specifically, in the anode electrode, the fuel gas reacts in the catalyst layer to generate protons and electrons, the electrons are conducted to the electrode base material and sent to the external circuit, and the protons are passed through the electrode electrolyte to the solid polymer electrolyte membrane. Conducted to. On the other hand, in the cathode electrode, the oxidizing gas in the catalyst layer, protons conducted from the solid polymer electrolyte membrane, and electrons conducted from the electrode substrate through an external circuit react to generate water.

上記のような固体高分子型燃料電池に用いられる高分子固体電解質膜および電極中の電解質としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系電解質や種々の炭化水素系電解質(非パーフルオロ系電解質)が知られているが、これらは、いずれもプロトン伝導性を発現するために電解質中に水を必要とする。一方、固体高分子型燃料電池は、作動温度が高くなるほど、発電効率が高くなることが知られている。   Examples of the electrolyte in the polymer solid electrolyte membrane and electrode used in the polymer electrolyte fuel cell as described above include perfluoro electrolytes represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and various hydrocarbon electrolytes. (Non-perfluoro-based electrolytes) are known, but these all require water in the electrolyte in order to exhibit proton conductivity. On the other hand, it is known that solid polymer fuel cells have higher power generation efficiency as the operating temperature increases.

その作動条件が高加湿状態になると、プロトン伝導性は向上する。しかし、発電時に生成する水が多孔質な電極中に滞留、若しくはプロトン酸基を有する電解質が膨潤し、細孔が閉塞しやすくなり、反応性ガスが触媒に到達できないフラッディング現象が起こる。これにより、反応効率が低下、充分な出力が得られないといった問題が生じる。一方、運転条件が低湿状態であれば、フラッディング現象は起こらないが、プロトン伝導性に必要な電解質中の水が不足し、燃料電池の出力を低下させる原因となる。燃料電池は、自動車の動力源や、分散型発電装置としての応用が期待されているが、燃料ガス加湿器設備の簡素化や無加湿化、より高温(100℃以上)な状態でも長時間発電でき、出力を維持できることが望まれていた。   When the operating conditions are in a highly humid state, proton conductivity is improved. However, water generated during power generation stays in the porous electrode, or the electrolyte having a proton acid group swells and the pores are easily blocked, and a flooding phenomenon in which the reactive gas cannot reach the catalyst occurs. As a result, there arise problems that the reaction efficiency is lowered and sufficient output cannot be obtained. On the other hand, if the operating condition is a low humidity state, the flooding phenomenon does not occur, but water in the electrolyte necessary for proton conductivity is insufficient, which causes a decrease in the output of the fuel cell. Fuel cells are expected to be used as power sources for automobiles and as distributed power generators. However, fuel gas humidifiers are simplified and non-humidified, and power is generated for a long time even at higher temperatures (100 ° C or higher). It was desired that the output could be maintained.

なお、本出願人は、アノード電極触媒層およびカソード電極触媒層に用いる高分子電解質のイオン交換容量(プロトン酸基濃度)に勾配をつける方法、すなわちアノード電極触媒層に用いるイオン交換樹脂のイオン交換容量が、カソード電極触媒層に用いるイオン交換樹脂のイオン交換容量に比べ、0.05meq/g以上大きくする方法を試みていたが、まだ改良を行う必要があった。   In addition, the applicant of the present invention is a method of providing a gradient in the ion exchange capacity (protonic acid group concentration) of the polymer electrolyte used for the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer, that is, ion exchange of the ion exchange resin used for the anode electrode catalyst layer. An attempt was made to increase the capacity by 0.05 meq / g or more compared to the ion exchange capacity of the ion exchange resin used for the cathode electrode catalyst layer, but it was still necessary to make improvements.

すなわち、本発明の課題は、長期の発電運転において適切な湿潤状態を保持することができる組み合わせのアノード電極触媒層およびカソード電極触媒層を有し、長時間の出力電圧維持に優れた燃料電池が得られる膜−電極接合体を提供することにある。   That is, an object of the present invention is to provide a fuel cell having a combination of an anode electrode catalyst layer and a cathode electrode catalyst layer capable of maintaining an appropriate wet state in a long-term power generation operation and excellent in maintaining an output voltage for a long time. It is in providing the membrane-electrode assembly obtained.

本発明者らは、上記従来技術における問題点に鑑み鋭意検討した。その結果、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層を構成する高分子電解質を構成する重合体に含まれるF原子の重量に着目し、かかるFの量を特定の関係にすることにより、電極−膜接合体が、適切な湿潤状態に維持され、発電特性および高温低湿条件下等での発電耐久性能を向上できることを見出した。   The present inventors have intensively studied in view of the above problems in the prior art. As a result, by paying attention to the weight of F atoms contained in the polymer constituting the polymer electrolyte constituting the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer, the amount of such F is in a specific relationship, It has been found that the joined body can be maintained in an appropriate wet state to improve the power generation characteristics and the power generation durability under high temperature and low humidity conditions.

すなわち、本発明に係る膜−電極接合体の構成は、以下の通りである。
[1]高分子電解質膜とその両面に少なくとも触媒粒子及び高分子電解質を含むアノード電
極触媒層、及び、少なくとも触媒粒子及び高分子電解質を含むカソード電極触媒層からなる電極−膜接合体であって、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層に用いる高分子電解質のどちらか一方が、高分子電解質中に含まれるフッ素原子の総重量の割合により規定されるフッ素含量が0〜40重量%未満の高分子電解質であり、他方がフッ素含量40重量%以上の高分子電解質である膜−電極接合体。
That is, the configuration of the membrane-electrode assembly according to the present invention is as follows.
[1] An electrode-membrane assembly comprising a polymer electrolyte membrane, an anode electrode catalyst layer containing at least catalyst particles and a polymer electrolyte on both sides thereof, and a cathode electrode catalyst layer containing at least catalyst particles and a polymer electrolyte. Any one of the polymer electrolytes used for the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer has a high fluorine content defined by the ratio of the total weight of fluorine atoms contained in the polymer electrolyte of less than 0 to 40% by weight. A membrane-electrode assembly, which is a molecular electrolyte and the other is a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more.

このような構成とすることで、適切な湿潤状態を保持でき長時間の高温低湿条件下での出力維持に優れた膜−電極接合体が得られ。その理由は明確ではないものの、フッ素含量0〜40重量%未満の電極触媒層中の高分子電解質の果たす役割として保水性であり、フッ素含量40重量%以上の電極触媒層中の高分子電解質の果たす役割としては排水性であり、この組み合わせにすることで、膜−電極接合体内部に適度な水を保持されるようになり、高温低湿条件下での長期発電運転に適した形で行うことができると考えている。   By setting it as such a structure, the membrane-electrode assembly which can hold | maintain a suitable wet state and was excellent in the output maintenance on the high temperature low humidity conditions for a long time is obtained. Although the reason for this is not clear, the polymer electrolyte in the electrode catalyst layer having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is water-retaining, and the polymer electrolyte in the electrode catalyst layer having a fluorine content of 40% by weight or more As a role to play, it is drainage, and by using this combination, moderate water can be retained inside the membrane-electrode assembly, and it should be performed in a form suitable for long-term power generation operation under high temperature and low humidity conditions. I think you can.

アノード側にフッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質、カソード側にフッ素含量40重量%以上の高分子電解質を用いた場合、フッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質が、アノード側で生成したプロトンイオンが、高分子電解質膜を通じカソード側へ最適かつ安定に拡散できるような保水性を有し、そしてフッ素含量40重量%以上の高分子電解質が、カソード側に拡散した水やカソード側での酸化反応により生成した水を最適かつ安定に系外に吐き出しフラッディングの起こらないような排水性を有する膜−電極接合体を得ることができる。   When a polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is used on the anode side and a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is used on the cathode side, the polymer electrolyte having a fluorine content of less than 0 to 40% by weight is Proton ions generated in step (b) have water retention so that the ion can be optimally and stably diffused to the cathode through the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more has diffused to the cathode. Thus, it is possible to obtain a membrane-electrode assembly having drainage so that water generated by the side oxidation reaction is optimally and stably discharged out of the system and no flooding occurs.

逆に、アノード側にフッ素含量40重量%以上の高分子電解質、カソード側にフッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質を用いた場合、フッ素含量40重量%以上の高分子電解質が、アノード側で生成したプロトンイオンのカソード側への拡散を妨げずにカソード側からアノード側に逆拡散してきた水を最適かつ安定に系外に吐き出すような排水性を有し、そしてフッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質は、カソード側で起こる酸化反応に必要な水を最適かつ安定に保持できるような保水性を有する膜−電極接合体を得ることができる。
[2]前記アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層に用いる高分子電解質のフッ素含量
の差が20重量%以上である[1]の膜−電極接合体。
[3]前記アノード電極触媒層またはカソード電極触媒層のどちらか一方に使用するフッ素
含量0〜40重量%未満である高分子電解質が、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーである[1]または[2]の膜−電極接合体。
[4]前記プロトン酸基含有芳香族系ポリマーが、下記一般式(1)で表される構造を含む
スルホン酸基含有ポリアリーレンであることを特徴とする[3]の膜−電極接合体。
Conversely, when a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is used on the anode side and a polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is used on the cathode side, the polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is It has a drainage property so that water diffused back to the anode side from the cathode side without disturbing diffusion of proton ions generated on the cathode side to the cathode side can be optimally and stably discharged out of the system, and a fluorine content of 0 to 40 A polymer electrolyte of less than% by weight can provide a membrane-electrode assembly having water retention capacity that can optimally and stably retain water necessary for the oxidation reaction occurring on the cathode side.
[2] The membrane-electrode assembly according to [1], wherein the difference in fluorine content of the polymer electrolyte used for the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer is 20% by weight or more.
[3] The polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight used for either the anode electrode catalyst layer or the cathode electrode catalyst layer is a protonic acid group-containing aromatic polymer [1] or [ 2] Membrane-electrode assembly.
[4] The membrane-electrode assembly according to [3], wherein the protonic acid group-containing aromatic polymer is a sulfonic acid group-containing polyarylene having a structure represented by the following general formula (1).

Figure 0005144023
Figure 0005144023

[式(1)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−
(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−を示し、Zは、独立に直接結合、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH32−、−O−または−S−を示し、Arは、−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(pは1〜12の整数を示す。)で表される置換基を有する芳香族基を示し
、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
[In the formula (1), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, —
(CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10) or —C (CF 3 ) 2 —, Z is independently a direct bond, — (CH 2 ) j — (j is 1 to Represents an integer of 10.), —C (CH 3 ) 2 —, —O— or —S—, and Ar represents —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2) p SO 3 H (p represents an aromatic group having a substituent represented by indicating.) an integer of 1 to 12, m represents an integer of 0, n is an integer of 0 K represents an integer of 1 to 4.

AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−CON
H−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水
素基またはハロゲン化炭化水素基を示す。)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−または−S−を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16
は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部がハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基またはニトリル基を示し、sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。]
Zは直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l
(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、R20は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。
A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CON
H—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —CR ′. 2- (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O— or —S—, and B is independently An oxygen atom or a sulfur atom, and R 1 to R 16
Each independently represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group partially or wholly halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group or a nitrile group, and s and t are each 0 to 4 represents an integer, and r represents 0 or an integer of 1 or more. ]
Z represents a direct bond or at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—, and Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO. −, − (CF 2 ) l
(L is an integer of 1 to 10), and represents at least one structure selected from the group consisting of —C (CF 3 ) 2 —, and R 20 represents a nitrogen-containing heterocyclic group. q represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 4.

x、y、zは、x+y+z=100mol%とした場合のモル比を示す。〕
[5]前記フッ素含量40重量%以上の高分子電解質が、
モノマーとしてテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシビニルエーテルからなる群から選ばれるの少なくとも1種のパーフルオロオレフィンと、
CF2=CF−(OCF2CFX)m−Oq−(CF2)n−A(式中m=0〜3、n=0〜12、q=0または1、X=FまたはCF3、A=スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸
基もしくはリン酸基)で表され、かつ下記に示されるフルオロビニル化合物の少なくとも1種との共重合体である[1]〜[4]の膜−電極接合体。
CF2=CFO(CF2)1-8
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)1-8
CF2=CF(CF2)0-8
CF2=CF(OCF2CF(CF3))1-5O(CF2)2
[6]フッ素含量0〜40重量%未満である高分子電解質がアノード側電極触媒中に含まれ

フッ素含量40重量%以上の高分子電解質がカソード側電極触媒中に含まれる[1]〜[5]の膜‐電極接合体。
[7]前記フッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質は、撥水剤を含有することを特徴
とする[1]〜[6]に記載の膜−電極接合体。
[8]前記撥水剤が、
(A)ポリフルオロアルキル基を含有する(メタ)アクリレート由来の構造単位を有する含フッ素共重合体、および、
(B)フッ素含有オレフィン系単量体由来の下記一般式(2)で表される構造単位と、ビニルエーテル系単量体由来の下記一般式(3)で表される構造単位とを有する含フッ素共重合体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む[7]の膜−電極接合体。
x, y, z represents a molar ratio when x + y + z = 100 mol%. ]
[5] The polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more,
At least one perfluoroolefin selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, chlorotrifluoroethylene, perfluoroalkoxy vinyl ether as a monomer;
CF 2 = CF- (OCF 2 CFX ) m -O q - (CF 2) n -A ( wherein m = 0~3, n = 0~12, q = 0 or 1, X = F or CF 3, A = a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group or a phosphoric acid group) and a film of [1] to [4], which is a copolymer with at least one of the fluorovinyl compounds shown below An electrode assembly.
CF 2 = CFO (CF 2 ) 1-8 A
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 1-8 A
CF 2 = CF (CF 2 ) 0-8 A
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) 1-5 O (CF 2 ) 2 A
[6] A polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is contained in the anode side electrode catalyst,
The membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [5], wherein a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is contained in the cathode side electrode catalyst.
[7] The membrane-electrode assembly according to [1] to [6], wherein the polymer electrolyte having a fluorine content of less than 0 to 40% by weight contains a water repellent.
[8] The water repellent is
(A) a fluorine-containing copolymer having a structural unit derived from (meth) acrylate containing a polyfluoroalkyl group, and
(B) Fluorine-containing compound having a structural unit represented by the following general formula (2) derived from a fluorine-containing olefin monomer and a structural unit represented by the following general formula (3) derived from a vinyl ether monomer. [7] The membrane-electrode assembly according to [7], comprising at least one selected from the group consisting of copolymers.

Figure 0005144023
Figure 0005144023

[式(2)中、X1はフッ素原子、フルオロアルキル基または−OW1で表される基(W1
はアルキル基またはフルオロアルキル基を示す。)を示す。]
[In Formula (2), X 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OW 1 (W 1
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group. ). ]

Figure 0005144023
Figure 0005144023

[式(3)中、X2は水素原子またはメチル基を示し、X3は−(CH2hOW2で表され
る基(W2はアルキル基、ヒドロキシアルキル基、グリシジル基またはフルオロアルキル
基を示し、hは0〜2の整数を示す。)、−OCOW3で表される基(W3はアルキル基、ヒドロキシアルキル基またはグリシジル基を示す。)、カルボキシル基またはアルコキシカルボニル基を示す。]
[In the formula (3), X 2 represents a hydrogen atom or a methyl group, and X 3 represents a group represented by — (CH 2 ) h OW 2 (W 2 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group, a glycidyl group or a fluoroalkyl group. H represents an integer of 0 to 2), a group represented by -OCOW 3 (W 3 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group or a glycidyl group), a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group. . ]

本発明の膜−電極接合体は、アノード電極触媒層に用いる高分子電解質とカソード電極触媒層に用いる高分子電解質を異なるものにすることで、高温条件下での長期発電運転おいても適切な保水性、排水性及び撥水性を維持することができる。したがって、本発明の膜−電極接合体を用いれば、優れた発電特性を発揮する燃料電池が得られる。   The membrane-electrode assembly of the present invention is suitable for long-term power generation operation under high temperature conditions by making the polymer electrolyte used for the anode electrode catalyst layer different from the polymer electrolyte used for the cathode electrode catalyst layer. Water retention, drainage and water repellency can be maintained. Therefore, if the membrane-electrode assembly of the present invention is used, a fuel cell exhibiting excellent power generation characteristics can be obtained.

以下、本発明に係る膜−電極接合体について詳細に説明する。
本発明の膜−電極接合体は、高分子電解質膜と、該膜の両面に形成された、触媒粒子、高分子電解質を含むアノード側電極触媒層及びカソード側電極触媒層とからなる。
Hereinafter, the membrane-electrode assembly according to the present invention will be described in detail.
The membrane-electrode assembly of the present invention comprises a polymer electrolyte membrane, and anode-side electrode catalyst layers and cathode-side electrode catalyst layers containing catalyst particles and polymer electrolyte, which are formed on both surfaces of the membrane.

そして、本発明では、アノード側電極触媒層およびカソード側電極触媒層を構成する高分子電解質のいずれか一方をフッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質とし、他方をフッ素含量40重量%以上の高分子電解質としている。   In the present invention, one of the polymer electrolytes constituting the anode side electrode catalyst layer and the cathode side electrode catalyst layer is a polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight, and the other is a fluorine content of 40% by weight or more. As a polymer electrolyte.

このようにアノード側高分子電解質及びカソード側電解質に異なる構造を有する高分子電解質を用いることで、膜−電極接合体の湿潤状態を適切に保つことができ、発電特性及び長期発電運転する際の発電耐久性能が向上する。   Thus, by using polymer electrolytes having different structures for the anode-side polymer electrolyte and the cathode-side electrolyte, the wet state of the membrane-electrode assembly can be maintained appropriately, and power generation characteristics and long-term power generation operation can be maintained. Power generation durability performance is improved.

この中でも、アノード側にフッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質およびカソード側にフッ素含量40重量%以上の高分子電解質を用いた膜−電極接合体が、高温低湿条件下での長期発電出力維持の点で好ましい。詳細な理由は不明だが、高温条件下において、低湿度の水素含有燃料ガスを供給した場合、アノード側の電解質としては、フッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質の方が、フッ素含量40重量%以上の高分子電解質に比べ水を保持しやすく、乾燥による出力低下を抑制しやすいと考えられる。   Among these, a membrane-electrode assembly using a polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight on the anode side and a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more on the cathode side is capable of long-term power generation under high temperature and low humidity conditions. It is preferable in terms of output maintenance. Although the detailed reason is unknown, when a low-humidity hydrogen-containing fuel gas is supplied under high-temperature conditions, the polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is used as the anode-side electrolyte. It is thought that it is easier to retain water than a polymer electrolyte of wt% or more, and to suppress a decrease in output due to drying.

アノード側およびカソード側電極触媒層間での高分子電解質のフッ素含量の差は20重量%以上、好ましくは30重量%以上あることが望ましい。
[電極触媒層]
本発明の膜−電極接合体を構成する電極触媒層は、触媒粒子および高分子電解質から構成される。
<触媒粒子>
触媒粒子は、触媒が、カーボン、金属酸化物の担体に担持されたもの、または、触媒の単体からなる。
The difference in fluorine content of the polymer electrolyte between the anode-side and cathode-side electrode catalyst layers is desirably 20% by weight or more, preferably 30% by weight or more.
[Electrocatalyst layer]
The electrode catalyst layer constituting the membrane-electrode assembly of the present invention is composed of catalyst particles and a polymer electrolyte.
<Catalyst particles>
The catalyst particles consist of a catalyst supported on carbon or a metal oxide carrier, or a single catalyst.

触媒としては、白金または白金合金が用いられる。白金合金を使用すると、電極触媒としての安定性や活性をさらに付与させることもできる。このような白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、コバルト、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズから選ばれる1種以上と白金との合金が好ましく、該白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてもよい。   Platinum or a platinum alloy is used as the catalyst. When a platinum alloy is used, stability and activity as an electrode catalyst can be further imparted. Such platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, cobalt, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium. An alloy of platinum and one or more selected from zinc and tin is preferable, and the platinum alloy may contain an intermetallic compound of a metal alloyed with platinum.

触媒は、単体でも、担体に担持された状態でも、触媒粒子を形成している。
上記触媒を担持する担体としては、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。また、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などを用いてもよい。
The catalyst forms catalyst particles, either alone or supported on a carrier.
As the carrier for supporting the catalyst, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black and acetylene black is preferably used in view of the electron conductivity and the specific surface area. Further, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, and the like may be used.

上記オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製「バルカンXC−72」、「バルカンP」、「ブラックパールズ880」、「ブラックパールズ1100」、「ブラックパールズ1300」、「ブラックパールズ2000」、「リーガル400」、ライオン社製「ケッチェンブラックEC」、三菱化学社製「#3150、#3250」などが挙げられる。また、上記アセチレンブラックとしては電気化学工業社製「デンカブラック」などが挙げられる。   Examples of the oil furnace black include “Vulcan XC-72”, “Vulcan P”, “Black Pearls 880”, “Black Pearls 1100”, “Black Pearls 1300”, “Black Pearls 2000”, and “Regal 400” manufactured by Cabot Corporation. “Ketjen Black EC” manufactured by Lion Corporation, “# 3150, # 3250” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and the like. Examples of the acetylene black include “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo.

これらのカーボンの形態としては、粒子状のほか、繊維状も用いることができる。また、カーボンに担持される触媒の量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、担持量がカーボン重量に対して、0.1〜9.0g-metal/g-carbon、好ましくは0.25〜2.4g-metal/g-carbonの範囲である。   As the form of these carbons, in addition to particles, fibers can also be used. The amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as it can effectively exhibit the catalytic activity, but the supported amount is 0.1 to 9.0 g- Metal / g-carbon, preferably in the range of 0.25 to 2.4 g-metal / g-carbon.

また、担体としては、カーボンの他に、金属酸化物、たとえば、チタニア、酸化亜鉛、シリカ、セリア、アルミナ、アルミナスピネル、マグネシア、ジルコニアなどであってもよい。
<フッ素含量0〜40重量%未満のイオン交換樹脂>
上記電極ペースト組成物に用いられるフッ素含量0〜40重量%未満のイオン交換樹脂は、耐熱性および機械的強度の向上の観点から、エンジニアプラスチック等に用いられている芳香族系主鎖骨格を有するプロトン酸基含有芳香族系ポリマーを好適に用いることができる。
In addition to carbon, the carrier may be a metal oxide such as titania, zinc oxide, silica, ceria, alumina, alumina spinel, magnesia, zirconia, and the like.
<Ion exchange resin with a fluorine content of 0 to less than 40% by weight>
The ion exchange resin having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight used in the electrode paste composition has an aromatic main chain skeleton used in engineer plastics and the like from the viewpoint of improving heat resistance and mechanical strength. Protonic acid group-containing aromatic polymers can be suitably used.

プロトン酸基含有芳香族系ポリマー中のプロトン酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基若しくはリン酸基のようなイオン性基が好ましく、これらを少なくとも1つまたは複数含有したものを用いる。この中でも、スルホン酸基が、燃料電池内でのプロトン伝導効率に優れる点で、最も好ましい。   The protonic acid group in the protonic acid group-containing aromatic polymer is preferably an ionic group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group or a phosphoric acid group, and contains at least one or more of these. Is used. Among these, a sulfonic acid group is most preferable because it is excellent in proton conduction efficiency in the fuel cell.

プロトン酸基含有芳香族系ポリマー中の主鎖骨格としては、耐熱性や機械的強度に優れた芳香族環を共有結合で結合した骨格を有するポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリアリーレンからなる群から選ばれる少なくとも1種類以上を含むものが用いられる。この中でも、耐熱性や機械的強度、燃料電池内での酸化安定性に優れたポリアリーレン主鎖骨格を有するものが好ましい。   The main chain skeleton in the protonic acid group-containing aromatic polymer includes polyether ether ketone, polyether sulfone, polyimide, polybenzo having a skeleton formed by covalently bonding aromatic rings excellent in heat resistance and mechanical strength. Those containing at least one selected from the group consisting of oxazole and polyarylene are used. Among these, those having a polyarylene main chain skeleton excellent in heat resistance, mechanical strength, and oxidation stability in the fuel cell are preferable.

スルホン酸基含有ポリアリーレンとしては、好ましくは、スルホン酸基を有するポリマーセグメント(A)と、イオン伝導成分を有しないポリマーセグメント(B)と、含窒素複素環基を側鎖に有するセグメント(C)が共有結合しているブロック共重合体であり、特に好ましくは、下記一般式(A)で表される構成単位(以下、「構成単位(A)」または「スルホン酸ユニット」ともいう。)と、下記一般式(B)で表される構成単位(以下、「構成単位(B)」または「疎水性ユニット」ともいう。)と、下記一般式(C)で表される構成単位(以下、「構成単位(C)」または「塩基性ユニット」ともいう。)を含む下記一般式(D)で表されるスルホン酸基を有するポリアリーレンである。   As the sulfonic acid group-containing polyarylene, preferably, a polymer segment (A) having a sulfonic acid group, a polymer segment (B) not having an ion conductive component, and a segment having a nitrogen-containing heterocyclic group (C) ) Are covalently bonded block copolymers, and particularly preferably a structural unit represented by the following general formula (A) (hereinafter also referred to as “structural unit (A)” or “sulfonic acid unit”). And a structural unit represented by the following general formula (B) (hereinafter also referred to as “structural unit (B)” or “hydrophobic unit”), and a structural unit represented by the following general formula (C) (hereinafter referred to as “structural unit (B)”). , Which is also referred to as “structural unit (C)” or “basic unit”), and a polyarylene having a sulfonic acid group represented by the following general formula (D).

(スルホン酸ユニット)   (Sulfonic acid unit)

Figure 0005144023
Figure 0005144023

・・・(A)
上記式(A)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−
、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−を示す。これらの中では、−CO−および−SO2−が好ましい。
... (A)
In the above formula (A), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—.
, - (CF 2) i - (i is an integer from 1 to 10.) Or -C (CF 3) 2 - shows a. Of these, —CO— and —SO 2 — are preferable.

Zは、独立に直接結合、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH32−、−O−または−S−を示す。これらの中では、直接結合および−O−が好ましい。 Z independently represents a direct bond, — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O— or —S—. Among these, a direct bond and —O— are preferable.

Arは、−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(pは1〜
12の整数を示す。)で表される置換基を有する芳香族基を示す。芳香族基としては、たとえば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらの中では、フェニル基およびナフチル基が好ましい。また、Arは、−SO3H、
−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基を少なくとも1個
有していることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上有することが好ましい。
Ar is —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p is 1 to
An integer of 12 is shown. The aromatic group which has a substituent represented by this is shown. Examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, a phenanthryl group, and the like. In these, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. Ar represents —SO 3 H;
It is necessary to have at least one substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, and two in the case of a naphthyl group It is preferable to have the above.

mは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは1〜4の整数を示す。
上記構成単位(A)の好ましい構造としては、上記式(A)において、
(1)m=0、n=0であり、Yが−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有
するフェニル基である構造、
(2)m=1、n=0であり、Yが−CO−であり、Zが−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(3)m=1、n=1、k=1であり、Yが−CO−であり、Zが−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(4)m=1、n=0であり、Yが−CO−であり、Zが−O−であり、Arが置換基として2個の−SO3Hを有するナフチル基である構造、
(5)m=1、n=0であり、Yが−CO−であり、Zが−O−であり、Arが置換基として−O(CH24SO3Hを有するフェニル基である構造
などを挙げることができる。
m is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k is an integer of 1 to 4.
As a preferred structure of the structural unit (A), in the above formula (A),
(1) a structure in which m = 0, n = 0, Y is —CO—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(2) a structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(3) A structure in which m = 1, n = 1, k = 1, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(4) a structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a naphthyl group having two —SO 3 H as substituents;
(5) m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —O (CH 2 ) 4 SO 3 H as a substituent. Examples include structures.

(疎水性ユニット)   (Hydrophobic unit)

Figure 0005144023
Figure 0005144023

上記式(B)中、AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−
SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR’2−、シクロヘキシリデン基
、フルオレニリデン基、−O−または−S−を示す。これらの中では、直接結合、−CO−、−SO2−、−CR’2−、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基および−O−が好ましい。なお、R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示し、たとえば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基などが挙げられる。
In the above formula (B), A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —
SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10) , -CR '2 -, showing cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O- or -S-. Among these, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, and —O— are preferable. R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group. For example, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, A propyl group, an octyl group, a decyl group, an octadecyl group, a phenyl group, a trifluoromethyl group, etc. are mentioned.

Bは独立に酸素原子または硫黄原子を示し、酸素原子が好ましい。
1〜R16は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部
がハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基またはニトリル基を示す。
B independently represents an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R 1 to R 16 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group or a nitrile group, which is partially or wholly halogenated.

上記R1〜R16におけるアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチ
ル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基などが挙げられる。ハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられる。アリル基としては、プロペニル基などが挙げられる。アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Examples of the alkyl group in R 1 to R 16 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, and an octyl group. Examples of the halogenated alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. Examples of the allyl group include a propenyl group. Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示す。rは0または1以上の整数を示し、上限は通常100、好ましくは1〜80である。
上記構成単位(B)の好ましい構造としては、上記式(B)において、
(1)s=1、t=1であり、Aが−CR’2−、シクロヘキシリデン基またはフルオレ
ニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または−SO2−であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、
(2)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または−SO2−であ
り、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、
(3)s=0、t=1であり、Aが−CR’2−、シクロヘキシリデン基またはフルオレ
ニリデン基であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水素原子、フッ素原子またはニト
リル基である構造などが挙げられる。
(塩基性ユニット)
s and t each represent an integer of 0 to 4. r shows 0 or an integer greater than or equal to 1, and an upper limit is 100 normally, Preferably it is 1-80.
As a preferred structure of the structural unit (B), in the above formula (B),
(1) s = 1, t = 1, A is —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and D is —CO— or —SO 2 —. , R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(2) A structure in which s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(3) s = 0, t = 1, A is —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom or Examples thereof include a structure that is a nitrile group.
(Basic unit)

Figure 0005144023
Figure 0005144023

式中、Zは直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なく
とも1種の構造を示し、R20は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。
In the formula, Z represents a direct bond or at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—, and Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—. , -COO -, - (CF 2 ) l - (l is an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, R 20 is A nitrogen-containing heterocyclic group is shown. q represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 4.

含窒素複素環基としては特に限定されるものではないが、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリミジン、ピリタジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、ベンズイミダゾール、ベンズオキサゾール、ベンズチアゾール、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリンからなる含窒素複素環化合物およびこれらの誘導体からなる群から選ばれる化合物から誘導される少なくとも1種の基を示し、また併用してもよい。   The nitrogen-containing heterocyclic group is not particularly limited, but pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, pyridine, imidazole, imidazoline, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyrimidine, pyritazine, pyrazine, Derived from a compound selected from the group consisting of nitrogen-containing heterocyclic compounds consisting of indole, quinoline, isoquinoline, bryne, benzimidazole, benzoxazole, benzthiazole, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline and their derivatives Or at least one kind of group which may be used in combination.

(ポリマー構造)   (Polymer structure)

Figure 0005144023
Figure 0005144023

上記式(D)中、A、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R16は、上記式(A)および(B)および(C)中で定義した通りであり、xおよびyおよ
びzは、x+y+z=100モル%とした場合のモル比を示す。
In the above formula (D), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t and R 1 to R 16 are represented by the above formulas (A), (B) and (C ) And x, y, and z represent molar ratios when x + y + z = 100 mol%.

構成単位(B)および(C)は任意成分であり、重合体中の(A)を除いた残りが構成単位(B)および(C)の量に相当する。また、(B)、(C)が含まれていなくともよい。この構成単位(B)を含んでいると、分子量の調整や、上記各繰り返し単位の含有量や、イオン交換量の調整などを行いやすくなるとともに熱水中での膨潤や溶出を抑制したものや、熱的、化学的に安定な重合体を得ることができる。構成単位(C)を含むことで、含窒素複素環基の働きにより高温条件下でのスルホン酸基の安定性が向上し、その結果耐熱性が向上する。含窒素複素環式芳香族化合物の窒素原子は、塩基性を有するため、スルホン酸基との間でイオン的な相互作用を形成する。これによって、スルホン酸基の安定性を高め、高温条件下でのスルホン酸基の脱離が抑制される。また、同様に高温条件下でスルホン酸基に由来するポリマー分子間の架橋反応をも抑制することができる。含窒素複素環式芳香族化合物は、プロトン伝導性を損なわず、これらの効果を発現できる適度な強さの塩基性を有する化合物である。     The structural units (B) and (C) are optional components, and the remainder excluding (A) in the polymer corresponds to the amount of the structural units (B) and (C). Moreover, (B) and (C) may not be included. When this structural unit (B) is included, it is easy to adjust the molecular weight, the content of each repeating unit, the ion exchange amount, and the like, while suppressing swelling and elution in hot water, , A thermally and chemically stable polymer can be obtained. By including the structural unit (C), the stability of the sulfonic acid group under high temperature conditions is improved by the action of the nitrogen-containing heterocyclic group, and as a result, the heat resistance is improved. Since the nitrogen atom of the nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound has basicity, it forms an ionic interaction with the sulfonic acid group. This enhances the stability of the sulfonic acid group and suppresses the elimination of the sulfonic acid group under high temperature conditions. Similarly, the cross-linking reaction between polymer molecules derived from sulfonic acid groups can be suppressed under high temperature conditions. The nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound is a compound having an adequately strong basicity that can exhibit these effects without impairing proton conductivity.

上記のイオン交換容量は、構造単位(A)、構成単位(B)および構成単位(C)の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。したがって重合時に構成単位(A)〜(C)を誘導する前駆体(モノマー・オリゴマー)の仕込み量比、種類を変えれば調整することができる。フッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質のイオン交換容量は、低すぎると燃料電池内でのプロトン伝導能が発現できず充分な出力が得られない。一方、高すぎると燃料電池内で発生する熱水により、溶解や膨潤により細孔を塞ぎ、触媒への反応性ガスの到達を妨げ、発電出力が低下するといった問題がある。好ましくは、0.5〜3.0meq/gであり、より好ましくは0.8〜2.8meq/gである。   The above-mentioned ion exchange capacity can be adjusted by changing the type, usage ratio, and combination of the structural unit (A), the structural unit (B), and the structural unit (C). Therefore, it can be adjusted by changing the charge amount ratio and type of the precursor (monomer / oligomer) for deriving the structural units (A) to (C) during the polymerization. If the ion exchange capacity of the polymer electrolyte having a fluorine content of less than 0 to 40% by weight is too low, proton conductivity in the fuel cell cannot be expressed and sufficient output cannot be obtained. On the other hand, if it is too high, the hot water generated in the fuel cell will clog the pores due to dissolution and swelling, thereby preventing the reactive gas from reaching the catalyst and reducing the power generation output. Preferably, it is 0.5 to 3.0 meq / g, more preferably 0.8 to 2.8 meq / g.

また、前記式(D)中に、式(A)で表される繰り返し構成単位、すなわち[ ]x
ユニットに対する、式(C)で表される繰り返し構成単位、すなわち[ ]zのユニット
の割合(z/x)は、0.001モル%〜50モル%であり、好ましくは、0.1モル%〜3
0モル%であり、さらに好ましくは、1モル%〜25モル%である。
In the formula (D), the ratio of the repeating structural unit represented by the formula (C) to the repeating structural unit represented by the formula (A), that is, the unit of [] x , that is, the unit of [] z. (z / x) is 0.001 mol% to 50 mol%, preferably 0.1 mol% to 3 mol
It is 0 mol%, More preferably, it is 1 mol%-25 mol%.

重合体の分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
(スルホン化ポリアリーレンの製造方法)
スルホン酸基を有する重合体の製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法の3通りの方法を用いることができる。
The molecular weight of the polymer is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).
(Method for producing sulfonated polyarylene)
For the production of a polymer having a sulfonic acid group, for example, the following three methods, Method A, Method B and Method C, can be used.

(A法)
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法と同様に、下記一般式(A’)で表されるモノマー、下記一般式(B')で表されるモノマーおよび下記一般式(C')で表されるモノマーを共重合させ、スルホン酸エステル基を有する重合体を製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
(Method A)
For example, similarly to the method described in JP-A-2004-137444, a monomer represented by the following general formula (A ′), a monomer represented by the following general formula (B ′), and the following general formula (C ′) To produce a polymer having a sulfonic acid ester group, deesterifying the sulfonic acid ester group, and converting the sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group. it can.

モノマー(A’)Monomer (A ')

Figure 0005144023
Figure 0005144023

式(A')中、Xは塩素原子、臭素原子および−OSO2Rb(ここで、Rbはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示す。
Y,Z,Ar,m,n、kは一般式(A)と同じであり、Rは炭素数4〜12のアルキル基を示す。
In the formula (A ′), X represents an atom or group selected from a chlorine atom, a bromine atom and —OSO 2 Rb (where Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group).
Y, Z, Ar, m, n, and k are the same as those in formula (A), and R represents an alkyl group having 4 to 12 carbon atoms.

一般式(A’)で表される化合物の具体的な例としては、下記一般式で表される化合物、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。   Specific examples of the compound represented by the general formula (A ′) include a compound represented by the following general formula, JP-A Nos. 2004-137444, 2004-345997, and 2004-346163. Mention may be made of the sulfonic acid esters described in the publication.

Figure 0005144023
Figure 0005144023

Figure 0005144023
Figure 0005144023

一般式(A’)で表される化合物において、スルホン酸エステル構造は、通常、芳香族環のメタ位に結合している。
モノマー(B’)
In the compound represented by the general formula (A ′), the sulfonate structure is usually bonded to the meta position of the aromatic ring.
Monomer (B ')

Figure 0005144023
Figure 0005144023

R’およびR”は塩素原子、臭素原子および−OSO2Rb(ここで、Rbはアルキル
基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示す。
1〜R16、A、B、D、s、tおよびrは前記一般式(B)と同じである。
R ′ and R ″ represent an atom or group selected from a chlorine atom, a bromine atom and —OSO 2 Rb (where Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group).
R 1 to R 16 , A, B, D, s, t, and r are the same as those in the general formula (B).

モノマー(B’)の具体例としては、一般式(B’)におけるrが0の場合、例えば4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンズアニリド、2,2−ビス(4−
クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニルエステル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6
−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物などが挙げられる。
As specific examples of the monomer (B ′), when r in the general formula (B ′) is 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-
Chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide Bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2,6
-Dichlorobenzonitrile. In these compounds, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom is exemplified.

また、一般式(B’)におけるrが1の場合、下記に挙げる化合物および特開2003−113136号公報に記載の化合物を挙げることができる。   Further, when r in the general formula (B ′) is 1, the following compounds and compounds described in JP-A-2003-113136 can be exemplified.

Figure 0005144023
Figure 0005144023

一般式(B’)におけるrがr≧2の場合、例えば下記に示す構造の化合物を挙げることができる。   When r in the general formula (B ′) is r ≧ 2, for example, compounds having the following structures can be given.

Figure 0005144023
Figure 0005144023

モノマー(C’)Monomer (C ')

Figure 0005144023
Figure 0005144023

Xは塩素原子または臭素原子、−OSO2Rb(ここで、Rbはアルキル基、フッ素置
換アルキル基またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示す。
Y、Z、R20、pおよびqは前記一般式(C)と同じである。
X represents an atom or group selected from a chlorine atom or a bromine atom, and -OSO 2 Rb (wherein Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group).
Y, Z, R 20 , p and q are the same as in the general formula (C).

モノマー(C)の具体例として、下記の化合物を挙げることができる。   Specific examples of the monomer (C) include the following compounds.

Figure 0005144023
Figure 0005144023

Figure 0005144023
Figure 0005144023

さらに、塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、塩素原子や臭素原子の結合位置の異なる異性体を挙げることができる。また−CO−結合が、−SO2−結合に置き換わっ
た化合物を挙げることができる。これらの化合物は、単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
Furthermore, compounds in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom, and isomers having different bonding positions of chlorine and bromine atoms can be exemplified. In addition, a compound in which a —CO— bond is replaced with a —SO 2 — bond can be exemplified. These compounds may be used alone or in combination of two or more.

モノマー(C‘)を合成する方法としては、例えば下記一般式(4)で表される化合物と、含窒素複素環化合物とを、求核置換反応させる方法を挙げることができる。   Examples of the method for synthesizing the monomer (C ′) include a method in which a compound represented by the following general formula (4) and a nitrogen-containing heterocyclic compound are subjected to a nucleophilic substitution reaction.

Figure 0005144023
Figure 0005144023

式中、X、Y、pおよびqは、一般式(C’)で示した定義と同一である。
X’はハロゲン原子を示す。フッ素原子または塩素原子であることが好ましく、フッ素原子がより好ましい。
In the formula, X, Y, p and q are the same as those defined in the general formula (C ′).
X ′ represents a halogen atom. A fluorine atom or a chlorine atom is preferable, and a fluorine atom is more preferable.

一般式(4)で表される化合物の具体例としては、2,4−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,5
−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,6−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン。
これらの化合物のうち2,5−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノンが好ましい。
Specific examples of the compound represented by the general formula (4) include 2,4-dichloro-4′-fluorobenzophenone, 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone, and 2,6-dichloro-4′-fluoro. Benzophenone, 2,4-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,5-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,6-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,4-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone , 2, 5
-Dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,6-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluorophenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluorophenylsulfone, 2, , 4-Dichlorophenyl-2'-fluorophenylsulfone.
Of these compounds, 2,5-dichloro-4'-fluorobenzophenone is preferred.

含窒素複素環化合物は、活性水素を有するものであり、この活性水素と一般式(4)で表される化合物のX’で表される基を置換反応させる。
活性水素を有する含窒素複素環化合物としては、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリミジン、ピリタジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、ベンズイミダゾール、ベンズオキサゾール、ベンズチアゾール、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリン、2−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシピリジン、4−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシキノリン、8−ヒドロキシキノリン、2−ヒドロキシピリミジン、2−メルカプトピリジン、3−メルカプトピリジン、4−メルカプトピリジン、2−メルカプトピリミジン、2−メルカプトベンズチアゾールなどを挙げることができる。
The nitrogen-containing heterocyclic compound has active hydrogen, and this active hydrogen is subjected to a substitution reaction with the group represented by X ′ of the compound represented by the general formula (4).
Examples of the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen include pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, pyridine, imidazole, imidazoline, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyrimidine, pyritazine, pyrazine, indole, quinoline, Isoquinoline, bromine, benzimidazole, benzoxazole, benzthiazole, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline, 2-hydroxypyridine, 3-hydroxypyridine, 4-hydroxypyridine, 3-hydroxyquinoline, 8-hydroxy Quinoline, 2-hydroxypyrimidine, 2-mercaptopyridine, 3-mercaptopyridine, 4-mercaptopyridine, 2-mercaptopyrimidine, 2-me , And the like mercapto benzthiazole.

これらの化合物のうち、ピロール、イミダゾール、インドール、カルバゾール、ベンズオキサゾール、ベンズイミダゾールが好ましい。
一般式(4)で表される化合物と活性水素を有する含窒素複素環化合物との反応は、有機溶媒中で行うことが好ましい。N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキシドなどの極性溶媒を用いる。反応を促進するために、アルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを用いる。一般式(2)で表される化合物と、活性水素を有する含窒素複素環化合物との比率は、等モルもしくは活性水素を有する含窒素複素環化合物を過剰に加えて反応させる。具体的には、活性水素を有する含窒素複素環化合物は一般式(4)で表される化合物の1〜3倍モル、特に1〜1.5倍モル使用することが好ましい。
Of these compounds, pyrrole, imidazole, indole, carbazole, benzoxazole, and benzimidazole are preferable.
The reaction between the compound represented by the general formula (4) and the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is preferably performed in an organic solvent. A polar solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide is used. In order to accelerate the reaction, alkali metal, alkali metal hydride, alkali metal hydroxide, alkali metal carbonate, or the like is used. The ratio of the compound represented by the general formula (2) to the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is such that the nitrogen-containing heterocyclic compound having equimolar or active hydrogen is added in excess. Specifically, the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is preferably used in an amount of 1 to 3 times mol, particularly 1 to 1.5 times mol of the compound represented by the general formula (4).

反応温度は0℃〜300℃で、10℃〜200℃が好ましい。反応時間は15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間である。
生成物は再結晶などの方法で精製して用いることが好ましい。
重合
前記重合体を得るためはまず上記モノマー(A')、モノマー(C')および必要に応じてもモノマー(B')を共重合させ、前駆体を得る。
The reaction temperature is 0 ° C to 300 ° C, preferably 10 ° C to 200 ° C. The reaction time is 15 minutes to 100 hours, preferably 1 hour to 24 hours.
The product is preferably used after being purified by a method such as recrystallization.
Polymerization In order to obtain the polymer, the monomer (A ′), the monomer (C ′) and, if necessary, the monomer (B ′) are first copolymerized to obtain a precursor.

この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(
以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)
、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。
This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst. The catalyst used at this time is a catalyst system containing a transition metal compound, and this catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. Compound(
Hereinafter, it is referred to as “ligand component”. ), Or transition metal complexes with ligands coordinated (including copper salts)
As well as (2) a reducing agent as an essential component, and in order to further increase the polymerization rate, a “salt” may be added.

これらの触媒成分の具体例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241号公報に記載の化合物および条件を採用することができる。   As specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, reaction solvent, concentration, temperature, time, and other polymerization conditions, the compounds and conditions described in JP-A No. 2001-342241 can be employed.

たとえば、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好適に使用され、また、配位子となる化合物としては、トリフェニルホスフィン、トリ−o−トリルホスフ
ィン、トリ−m−トリルホスフィン、トリ−p−トリルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ−tert−ブチルホスフィン、トリオクチルホスフィン、2,2′−ビピリジンな
どが好適に使用される。さらに、あらかじめ配位子が配位された遷移金属(塩)としては、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2′ビピリジン)が好適に使用される。還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウムなどを挙げることできるが、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。「塩」としては、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。反応には重合溶媒を使用してもよく、具体的には、テトラヒドロフラン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、1-メチル-2-ピロリドンなどが好適に使用される。
触媒系における各成分の使用割合は、遷移金属塩または配位子が配位された遷移金属(塩)が、モノマーの総計1モルに対し、通常、0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。この範囲にあれば、触媒活性が高く、また分子量も高く重合することが可能である。触媒系に「塩」を使用する場合、その使用割合は、モノマーの総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。かかる範囲であれば、重合速度を上げる効果が充分となる。重合溶媒中におけるモノマーの総計の濃度は、通常、1〜90重量%、好ましくは5〜40重量%である。また、重合体を重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜100℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。
For example, as the transition metal salt, nickel chloride, nickel bromide and the like are preferably used, and as the compound serving as a ligand, triphenylphosphine, tri-o-tolylphosphine, tri-m-tolylphosphine, Tri-p-tolylphosphine, tributylphosphine, tri-tert-butylphosphine, trioctylphosphine, 2,2'-bipyridine and the like are preferably used. Furthermore, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2′bipyridine) are preferably used as the transition metal (salt) in which the ligand is coordinated in advance. Examples of the reducing agent include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, and calcium, and zinc, magnesium, and manganese are preferable. As the “salt”, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferable. A polymerization solvent may be used for the reaction, and specifically, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone and the like are preferably used.
The proportion of each component used in the catalyst system is usually from 0.0001 to 10 mol, preferably from 0.0001 to 10 mol, based on 1 mol of the total amount of monomers of the transition metal salt or the transition metal (salt) coordinated with the ligand. 01-0.5 mol. If it exists in this range, it can polymerize with high catalyst activity and high molecular weight. When “salt” is used in the catalyst system, the amount used is generally 0.001 to 100 mol, preferably 0.01 to 1 mol, per 1 mol of the total amount of monomers. Within such a range, the effect of increasing the polymerization rate is sufficient. The total concentration of monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight. Moreover, the polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing a polymer is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-100 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.

次いで、得られた重合体を加水分解して、構成単位中のスルホン酸エステル基(−SO3R)をスルホン酸基(−SO3H)に転換する。
加水分解は、(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記スルホン酸エステル基を有する重合体を投入し、5分間以上撹拌する方法、(2)トリフルオロ酢酸中で上記スルホン酸エステル基を有する重合体を80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法、(3)重合体中のスルホン酸エステル基(−SO3R)1モルに
対して1〜3倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドンなどの溶液中で上記スルホン酸エステル基を有する重合体を80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法などにより行うことができる。
Next, the obtained polymer is hydrolyzed to convert the sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in the structural unit into a sulfonic acid group (—SO 3 H).
Hydrolysis includes (1) a method in which the polymer having a sulfonic acid ester group is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid, and the mixture is stirred for 5 minutes or longer. A method in which a polymer having an acid ester group is reacted at a temperature of about 80 to 120 ° C. for about 5 to 10 hours, (3) 1 to 3 mol per mol of the sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in the polymer After the polymer having a sulfonic acid ester group is reacted at a temperature of about 80 to 150 ° C. for about 3 to 10 hours in a solution containing double moles of lithium bromide, such as N-methylpyrrolidone, hydrochloric acid is added. It can be performed by the method of doing.

(B法)
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法と同様に、上記一般式(A')
で表される骨格を有し、かつスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記モノマー(B')と、上記モノマー(C')を共重合させ、この重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。
(Method B)
For example, similar to the method described in JP-A-2001-342241, the above general formula (A ′)
And a monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group, the monomer (B ′) and the monomer (C ′) are copolymerized, and the polymer is sulfonated. It can also be synthesized by sulfonation using an agent.

B法において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241号公報、特開2002−293889号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。   As specific examples of the monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the above general formula (A) that can be used in Method B, JP-A-2001-342241, Mention may be made of the dihalides described in JP-A-2002-29389.

(C法)
一般式(A)において、Arが−O(CH2)hSO3Hまたは−O(CF2)hSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特開2005−606254号公報に記載の方法と同様に、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーと、上記一般式(C)で表される構造単位となるモノマーを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(Method C)
In the general formula (A), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) h SO 3 H or —O (CF 2 ) h SO 3 H, for example, Similarly to the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-606254, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A), and a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (B), Alternatively, it can be synthesized by a method in which an oligomer and a monomer as a structural unit represented by the above general formula (C) are copolymerized, and then an alkylsulfonic acid or a fluorine-substituted alkylsulfonic acid is introduced.

(C法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーの具体的な例として、特開2005−36125号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。具体的には、2,5−ジクロロ−4’−ヒドロキ
シベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−4’−ヒドロキシベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−4’−ヒドロキシベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−2’,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−2’,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンをあげることができる。またこれらの化合物のヒドロキシル基をテトラヒドロピラニル基などで保護した化合物をあげることができる。またヒドロキシル基がチオール基にかわったもの、塩素原子が、臭素原子、ヨウ素原子におきかわったものもあげることができる。
Specific examples of precursor monomers that can be used in (Method C) and can be structural units represented by the above general formula (A) include dihalides described in JP-A-2005-36125. Can be mentioned. Specifically, 2,5-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,4-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,6-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,5-dichloro-2 ′, Examples thereof include 4′-dihydroxybenzophenone and 2,4-dichloro-2 ′, 4′-dihydroxybenzophenone. Moreover, the compound which protected the hydroxyl group of these compounds by the tetrahydropyranyl group etc. can be mention | raise | lifted. Further, those in which a hydroxyl group is replaced with a thiol group and those in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom can also be mentioned.

(C法)前駆体の重合体(スルホン酸基を有さない)に、特開2005-60625号公報
に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。例えば、前駆体の重合体のヒドロキシル基と、プロパンスルトン、ブタンスルトンなどを反応させることで導入することができる。
<フッ素含量40重量%以上の高分子電解質>
本発明に用いられるフッ素含量40重量%以上の高分子電解質としては、特に限定されるものではないが、以下のような構造を有するものが用いられる。
(Method C) A method of introducing an alkyl sulfonic acid group into a precursor polymer (having no sulfonic acid group) by the method described in JP-A-2005-60625. For example, it can be introduced by reacting the hydroxyl group of the precursor polymer with propane sultone, butane sultone, or the like.
<Polymer electrolyte with fluorine content of 40% by weight or more>
The polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more used in the present invention is not particularly limited, but one having the following structure is used.

高分子電解質中の全重量中に含まれるフッ素原子重量の割合のフッ素含量が、40重量%以上であり、かつプロトン伝導性を有するイオン性基であるスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基およびリン酸基を含むものが用いられる。これら中でも、化学的安定性に優れ、プロトン伝導性に優れたスルホン酸基を有するパーフルオロアルキル系スルホン樹脂が好適に用いられる。   A sulfonic acid group, a carboxylic acid group, or a phosphonic acid group, which is an ionic group having a proton content of 40% by weight or more and a fluorine content in a proportion of fluorine atom weight contained in the total weight in the polymer electrolyte And those containing phosphate groups are used. Among these, perfluoroalkyl type sulfone resins having a sulfonic acid group having excellent chemical stability and excellent proton conductivity are preferably used.

この高分子電解質に用いられる重合体としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシビニルエーテルのようなパーフルオロオレフィンのうち少なくとも1つと、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Oq−(CF2n−A(式中m=0〜3、n=0〜12、q=0または1、X=FまたはCF3、A=スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基もしくはリン酸基)で表
され以下に示すようなフルオロビニル化合物
CF2=CFO(CF21-8
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF21-8
CF2=CF(CF20-8
CF2=CF(OCF2CF(CF3))1-5O(CF22
のうち少なくとも1つとの共重合体であることを特徴とするパーフルオロアルキル系スルホン酸樹脂が挙げられる。
Examples of the polymer used in the polymer electrolyte include at least one perfluoroolefin such as tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, chlorotrifluoroethylene, and perfluoroalkoxy vinyl ether, and CF 2 ═CF— (OCF 2 CFX ) m -O q - (CF 2 ) n -A ( wherein m = 0~3, n = 0~12, q = 0 or 1, X = F or CF 3, A = a sulfonic acid group, a carboxylic acid group , A phosphonic acid group or a phosphoric acid group) and the following fluorovinyl compound CF 2 ═CFO (CF 2 ) 1-8 A
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 1-8 A
CF 2 = CF (CF 2 ) 0-8 A
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) 1-5 O (CF 2 ) 2 A
A perfluoroalkyl sulfonic acid resin characterized by being a copolymer with at least one of them.

フッ素含量40重量%以上の高分子電解質のイオン交換容量は、低すぎると燃料電池内でのプロトン伝導能が発現できず充分な出力が得られない。一方、高すぎると燃料電池内で発生する熱水により、溶解や膨潤により細孔を塞ぎ、触媒への反応性ガスの到達を妨げ、発電出力が低下するといった問題がある。好ましくは、0.5〜3.0meq/gであり、より好ましくは0.8〜2.8meq/gである。   If the ion exchange capacity of the polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is too low, proton conductivity in the fuel cell cannot be expressed and sufficient output cannot be obtained. On the other hand, if it is too high, the hot water generated in the fuel cell will clog the pores due to dissolution and swelling, thereby preventing the reactive gas from reaching the catalyst and reducing the power generation output. Preferably, it is 0.5 to 3.0 meq / g, more preferably 0.8 to 2.8 meq / g.

パーフルオロアルキル系スルホン酸樹脂としては、特に限定されるものではないが、Nafion(R)(DuPont)、Flemion(R)(旭硝子)、Aciplex(R)(
旭化成)等が好ましい。
Although it does not specifically limit as a perfluoroalkyl-type sulfonic acid resin, Nafion (R) (DuPont), Flemion (R) (Asahi Glass), Aciplex (R) (
Asahi Kasei) and the like are preferable.

前記フッ素含量0〜40重量%未満のイオン交換樹脂には、撥水剤が電極触媒層に含まれていてもよい。
<撥水剤>
本発明の電極触媒層に用いられる撥水剤は、
(A)ポリフルオロアルキル基を含有する(メタ)アクリレート由来の構造単位を有する含フッ素共重合体(以下「含フッ素共重合体(a)」という。)、及び、
(B)フッ素含有オレフィン系単量体由来の下記一般式(5)で表される構造単位(以下「構造単位(5)」ともいう。)と、ビニルエーテル系単量体由来の下記一般式(6)で表される構造単位(以下「構造単位(6)」ともいう。)とを有する含フッ素共重合体(以下「含フッ素共重合体(b)」という。)からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。
The ion exchange resin having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight may contain a water repellent in the electrode catalyst layer.
<Water repellent>
The water repellent used in the electrode catalyst layer of the present invention is
(A) a fluorine-containing copolymer having a structural unit derived from (meth) acrylate containing a polyfluoroalkyl group (hereinafter referred to as “fluorine-containing copolymer (a)”), and
(B) A structural unit represented by the following general formula (5) derived from a fluorine-containing olefin monomer (hereinafter also referred to as “structural unit (5)”), and a general formula ( 6) selected from the group consisting of a fluorine-containing copolymer (hereinafter referred to as “fluorine-containing copolymer (b)”) having the structural unit (hereinafter also referred to as “structural unit (6)”). Contains at least one.

Figure 0005144023
Figure 0005144023

式(5)中、X1はフッ素原子、フルオロアルキル基または−OW1で表される基(W1
はアルキル基またはフルオロアルキル基を示す。)を示す。
In formula (5), X 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OW 1 (W 1
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group. ).

Figure 0005144023
Figure 0005144023

式(6)中、X2は水素原子またはメチル基を示し、X3は−(CH2hOW2で表され
る基(W2はアルキル基、ヒドロキシアルキル基、グリシジル基またはフルオロアルキル
基を示し、hは0〜2の整数を示す。)、−OCOW3で表される基(W3はアルキル基、ヒドロキシアルキル基またはグリシジル基を示す。)、カルボキシル基またはアルコキシカルボニル基を示す。
なお、「(メタ)アクリレート」とは「アクリレート」「メタアクリレート」の双方を含むものである。
以下、上記含フッ素共重合体(a)および(b)について、より具体的に説明する。
In Formula (6), X 2 represents a hydrogen atom or a methyl group, and X 3 represents a group represented by — (CH 2 ) h OW 2 (W 2 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group, a glycidyl group, or a fluoroalkyl group. H represents an integer of 0 to 2), a group represented by -OCOW 3 (W 3 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group or a glycidyl group), a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group.
“(Meth) acrylate” includes both “acrylate” and “methacrylate”.
Hereinafter, the fluorine-containing copolymers (a) and (b) will be described more specifically.

<含フッ素共重合体(a)>
上記含フッ素共重合体(a)は、ポリフルオロアルキル基(以下「Rf基」と記す。)
を含有する(メタ)アクリレート由来の構造単位を有する。
<Fluorine-containing copolymer (a)>
The fluorine-containing copolymer (a) is a polyfluoroalkyl group (hereinafter referred to as “R f group”).
Having a structural unit derived from (meth) acrylate.

ここで、Rf基は、アルキル基の水素原子の2個以上がフッ素原子に置換された基をい
う。Rf基の炭素数は1〜20が好ましく、特に4〜16が好ましい。Rf基は、直鎖構造または分岐構造のいずれでもよく、分岐構造である場合には、分岐部分がRf基の末端部
分に存在することが好ましい。Rf基の炭素原子の一部は、エーテル性の酸素原子または
チオエーテル性のイオウ原子に置換されていてもよい。さらにRf基は、フッ素原子以外
の他のハロゲン原子(例えば、塩素原子等)を含んでいてもよい。
Here, the R f group refers to a group in which two or more hydrogen atoms of an alkyl group are substituted with fluorine atoms. 1-20 are preferable and, as for carbon number of Rf group, 4-16 are especially preferable. The R f group may have either a linear structure or a branched structure, and in the case of a branched structure, it is preferable that the branched portion is present at the terminal portion of the R f group. A part of carbon atoms of the R f group may be substituted with an etheric oxygen atom or a thioetheric sulfur atom. Further, the R f group may contain a halogen atom other than a fluorine atom (for example, a chlorine atom).

また、Rf基は、電極触媒層への撥水性付与のしやすさの点で、アルキル基の水素原子
の全てがフッ素原子に置換されたパーフルオロアルキル基が好ましい。
上記含フッ素共重合体(a)を製造する際に用いられるRf基含有(メタ)アクリレー
トとしては、下記一般式(7)で表される化合物が好ましい。
CH2=C(R)COO−Q−Rf ・・・(7)
式(7)中、Rは水素原子またはメチル基を示す。Qは2価の有機基を示し、好ましく
はアルキレン基およびアルキレン基を含む2価の有機基であり、より好ましくはアルキレン基である。具体的には、−CH2CH2−、−CH(CH3)CH2−、−CH2CH2N(CH3)CO−、−CH2CH2N(CH3)SO2−、−CH(CH2Cl)CH2OCH2CH2N(CH3)SO2−などが好ましい。
The R f group is preferably a perfluoroalkyl group in which all of the hydrogen atoms of the alkyl group are substituted with fluorine atoms from the viewpoint of easy water repellency imparting to the electrode catalyst layer.
As the R f group-containing (meth) acrylate used for producing the fluorine-containing copolymer (a), a compound represented by the following general formula (7) is preferable.
CH 2 = C (R) COO-QR f (7)
In formula (7), R represents a hydrogen atom or a methyl group. Q represents a divalent organic group, preferably an alkylene group and a divalent organic group containing an alkylene group, and more preferably an alkylene group. Specifically, —CH 2 CH 2 —, —CH (CH 3 ) CH 2 —, —CH 2 CH 2 N (CH 3 ) CO—, —CH 2 CH 2 N (CH 3 ) SO 2 —, — CH (CH 2 Cl) CH 2 OCH 2 CH 2 N (CH 3 ) SO 2 — and the like are preferable.

fは、前述したようにパーフルオロアルキル基が好ましく、特にCn2n+1−(nは4〜16、好ましくは6〜12の整数を示す。)で表される直鎖構造のパーフルオロアルキル基が好ましい。 As described above, R f is preferably a perfluoroalkyl group, and particularly a linear structure of perfluoroalkyl group represented by C n F 2n + 1 — (wherein n represents an integer of 4 to 16, preferably 6 to 12). A fluoroalkyl group is preferred.

上記式(7)で表されるRf基含有(メタ)アクリレートとしては、たとえば、
CH2=CRCOOCH2CH2f
CH2=CRCOOCH(CH3)CH2f
CH2=CRCOOCH2CH2N(CH3)CORf
CH2=CRCOOCH2CH2N(C25)CORf
CH2=CRCOOCH2CH2N(C37)CORf
CH2=CRCOOCH2CH2N(CH3)SO2f
CH2=CRCOOCH2CH2N(C25)SO2f
CH2=CRCOOCH2CH2N(C37)SO2f
CH2=CRCOOCH(CH2Cl)CH2OCH2CH2N(CH3)SO2f
などが挙げられるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
As the R f group-containing (meth) acrylate represented by the above formula (7), for example,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 R f ,
CH 2 = CRCOOCH (CH 3 ) CH 2 R f ,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (CH 3 ) COR f ,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (C 2 H 5 ) COR f ,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (C 3 H 7 ) COR f ,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (CH 3) SO 2 R f,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (C 2 H 5) SO 2 R f,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (C 3 H 7) SO 2 R f,
CH 2 = CRCOOCH (CH 2 Cl ) CH 2 OCH 2 CH 2 N (CH 3) SO 2 R f
However, the present invention is not limited to these.

上記Rf基含有(メタ)アクリレートは、1種単独で用いても、2種以上を併用しても
よい。また、Rf基の炭素数の異なる化合物を2種以上併用してもよい。
上記含フッ素共重合体(a)は、重合体中のフッ素含有量を調節する等の目的で、Rf
基含有(メタ)アクリレート以外の単量体(以下「その他の単量体」という。)に由来する重合単位を含有することが好ましい。
The R f group-containing (meth) acrylate may be used alone or in combination of two or more. Moreover, you may use together 2 or more types of compounds from which carbon number of Rf group differs.
The fluorine-containing copolymer (a), for the purpose of, for example, adjusting the fluorine content in the polymer, R f
It is preferable to contain a polymerization unit derived from a monomer other than the group-containing (meth) acrylate (hereinafter referred to as “other monomer”).

上記その他の単量体としては、ラジカル重合性の不飽和結合を有する単量体が好ましい。具体的には、塩化ビニル、ステアリル(メタ)アクリレート、エチレン、酢酸ビニル、フッ化ビニル、ハロゲン化ビニルスチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸アルキルエステル、ポリオキシアルキレン(メタ)アクリレート、(メタ)アクリルアミド、ジアセトン(メタ)アクリルアミド、N−メチロール(メタ)アクリルアミド、ビニルアルキルエーテル、ハロゲン化アルキルビニルエーテル、ビニルアルキルケトン、ブタジエン、イソプレン、クロロプレン、グリシジル(メタ)アクリレート、アジリジニル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、2−イソシアナトエチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、無水マレイン酸、ポリシロキサンを有する(メタ)アクリレート、N−ビニルカルバゾールなどが挙げられる。これらの中では、(撥水性向上の観点から)塩化ビニルおよびステアリル(メタ)アクリレートが特に好ましい。   As said other monomer, the monomer which has a radically polymerizable unsaturated bond is preferable. Specifically, vinyl chloride, stearyl (meth) acrylate, ethylene, vinyl acetate, vinyl fluoride, halogenated vinyl styrene, α-methyl styrene, p-methyl styrene, (meth) acrylic acid, alkyl (meth) acrylate Esters, polyoxyalkylene (meth) acrylates, (meth) acrylamides, diacetone (meth) acrylamides, N-methylol (meth) acrylamides, vinyl alkyl ethers, halogenated alkyl vinyl ethers, vinyl alkyl ketones, butadiene, isoprene, chloroprene, glycidyl ( (Meth) acrylate, aziridinyl (meth) acrylate, benzyl (meth) acrylate, 2-isocyanatoethyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl ( Data) acrylate, maleic anhydride, having a polysiloxane (meth) acrylate, etc. N- vinyl carbazole. Among these, vinyl chloride and stearyl (meth) acrylate are particularly preferable (from the viewpoint of improving water repellency).

上記含フッ素共重合体(a)における、Rf基含有(メタ)アクリレート由来の重合単
位は、該重合体(a)の25〜100%重量、好ましくは30〜85重量%の範囲で含有することが望ましい。Rf基含有(メタ)アクリレート由来の重合単位の含有量が上記範
囲内にあることにより、電極触媒層の撥水性および保水性のバランスに優れ、低湿および高湿のいずれの条件においても良好な発電性能を得ることができる。
The polymer unit derived from the R f group-containing (meth) acrylate in the fluorine-containing copolymer (a) is contained in the range of 25 to 100% by weight, preferably 30 to 85% by weight of the polymer (a). It is desirable. When the content of the polymerization unit derived from the R f group-containing (meth) acrylate is within the above range, the electrode catalyst layer is excellent in the balance of water repellency and water retention, and good in both low humidity and high humidity conditions. Power generation performance can be obtained.

上記含フッ素共重合体(a)は、上記Rf基含有(メタ)アクリレート及び必要に応じ
てその他の単量体を用いて、公知もしくは周知の重合方法や条件を適宜採用して製造することができる。
The fluorine-containing copolymer (a) is produced using the R f group-containing (meth) acrylate and, if necessary, other monomers, appropriately employing known or well-known polymerization methods and conditions. Can do.

重合方法としては、たとえば、塊状重合法、懸濁重合法、乳化重合法、溶液重合などが挙げられる。また、ラジカル重合反応に加えて、放射線重合反応、光重合反応などの重合反応によって製造することもできる。特に、ラジカル重合反応を用いた乳化重合法が好ましい。   Examples of the polymerization method include a bulk polymerization method, a suspension polymerization method, an emulsion polymerization method, and a solution polymerization. Moreover, in addition to radical polymerization reaction, it can also manufacture by polymerization reactions, such as a radiation polymerization reaction and a photopolymerization reaction. In particular, an emulsion polymerization method using a radical polymerization reaction is preferable.

乳化重合法を適用する場合には、単量体及び界面活性剤などを水の存在下で乳化させた後、撹拌して重合させる方法が好ましく採用される。また、ホモジナイザー等の乳化機を用いて、単量体、界面活性剤および水などを予め乳化した後、撹拌下に重合させる方法も好ましく採用される。   In the case of applying the emulsion polymerization method, a method in which a monomer, a surfactant and the like are emulsified in the presence of water and then polymerized by stirring is preferably employed. Further, a method in which a monomer, a surfactant, water and the like are preliminarily emulsified using an emulsifier such as a homogenizer and then polymerized with stirring is preferably employed.

重合開始剤としては、有機酸過酸化物、アゾ化合物、過硫酸塩等の各種の重合開始剤が好ましい。また、界面活性剤としては、陰イオン性、陽イオン性、両性またはノニオン性の各種界面活性剤を用いることができる。   As the polymerization initiator, various polymerization initiators such as organic acid peroxides, azo compounds and persulfates are preferable. In addition, as the surfactant, various anionic, cationic, amphoteric or nonionic surfactants can be used.

本発明で用いられる含フッ素共重合体(a)の数平均分子量(Mn)は、好ましくは1,000〜100,000、特に好ましくは10,000〜100,000である。含フッ素共重合体(a)のMnが上記範囲よりも低いと、電極触媒層への撥水性付与が困難となり、高湿条件において良好な発電性能を得ることが困難となる傾向にある。一方、含フッ素共重合体(a)のMnが上記範囲を超えると、電極ペーストの粘度が著しく上昇して電極触媒層の作製が困難となる傾向にある。   The number average molecular weight (Mn) of the fluorine-containing copolymer (a) used in the present invention is preferably 1,000 to 100,000, particularly preferably 10,000 to 100,000. If the Mn of the fluorinated copolymer (a) is lower than the above range, it becomes difficult to impart water repellency to the electrode catalyst layer, and it tends to be difficult to obtain good power generation performance under high humidity conditions. On the other hand, when the Mn of the fluorinated copolymer (a) exceeds the above range, the viscosity of the electrode paste is remarkably increased and it tends to be difficult to produce an electrode catalyst layer.

<含フッ素共重合体(b)>
上記含フッ素共重合体(b)は、上記構造単位(5)と上記構造単位(6)とを含み、好ましくは水酸基を含有する単量体由来の構造単位(以下「水酸基含有構造単位」ともいう。)をさらに含む。
<Fluorine-containing copolymer (b)>
The fluorine-containing copolymer (b) includes the structural unit (5) and the structural unit (6), preferably a structural unit derived from a monomer containing a hydroxyl group (hereinafter referred to as “hydroxyl group-containing structural unit”). Further).

上記構造単位(5)中のX1におけるフルオロアルキル基としては、たとえば、トリフ
ルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロシクロヘキシル基などの炭素数1〜6のフルオロアルキル基が挙げられる。W1におけるアルキル基としては、たとえば、メチル基、
エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基などの炭素数1〜6のアルキル基などが挙げられる。W1におけるフルオロアルキル基としては、X1におけるフルオロアルキル基と同様のものが挙げられる。
Examples of the fluoroalkyl group in X 1 in the structural unit (5) include a trifluoromethyl group, a perfluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluorohexyl group, and a perfluorocyclohexyl group. A C1-C6 fluoroalkyl group is mentioned. Examples of the alkyl group for W 1 include a methyl group,
C1-C6 alkyl groups, such as an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, etc. are mentioned. Examples of the fluoroalkyl group in W 1 include the same fluoroalkyl groups as in X 1 .

上記構造単位(6)中のX3におけるアルコキシカルボニル基としては、メトキシカル
ボニル基、エトキシカルボニル基などが挙げられる。上記構造単位(6)中のW2におけ
るフルオロアルキル基としては、上記構造単位(5)中のX1におけるフルオロアルキル
基と同様のものが挙げられる。上記構造単位(6)中のW2及びW3におけるアルキル基としては、たとえば、メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、ラウリル基などの炭素数1〜12のアルキル基が挙げられる。また、W2およびW3におけるヒドロキシアルキル基としては、たとえば、2−ヒドロキシエチル基、2−ヒドロキシプロピル基、3−ヒドロキシプロピル基、4−ヒドロキシブチル基、3−ヒドロキシブチル基、5−ヒドロキシペンチル基、6−ヒドロキシヘキシル基などが挙げられる。
Examples of the alkoxycarbonyl group for X 3 in the structural unit (6) include a methoxycarbonyl group and an ethoxycarbonyl group. Examples of the fluoroalkyl group for W 2 in the structural unit (6) include the same fluoroalkyl groups for X 1 in the structural unit (5). The alkyl group in W 2 and W 3 in the structural unit (6) in, for example, mentioned a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms such as lauryl group It is done. Examples of the hydroxyalkyl group in W 2 and W 3 include 2-hydroxyethyl group, 2-hydroxypropyl group, 3-hydroxypropyl group, 4-hydroxybutyl group, 3-hydroxybutyl group, and 5-hydroxypentyl. Group, 6-hydroxyhexyl group and the like.

上記構造単位(5)となりうるフッ素含有オレフィン系単量体としては、少なくとも1個の重合性の不飽和二重結合基と、少なくとも1個のフッ素原子を有する化合物を挙げることができる。具体的には、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、3,3,3−トリフルオロプロピレン等のフルオロオレフィン類;
一般式 CF2=CF−O−W1(W1は前記と同様である。)で表されるアルキルパーフル
オロビニルエーテルもしくはフルオロアルキルパーフルオロビニルエーテル類;
パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)、パーフルオロ(ブチルビニルエーテル)、パーフルオロ(イソブチルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)類;パーフルオロ(プロポキシプロピルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)類などを挙げることができる。
Examples of the fluorine-containing olefin monomer that can be the structural unit (5) include compounds having at least one polymerizable unsaturated double bond group and at least one fluorine atom. Specifically, fluoroolefins such as tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and 3,3,3-trifluoropropylene;
Alkyl perfluorovinyl ethers or fluoroalkyl perfluorovinyl ethers represented by the general formula CF 2 ═CF—O—W 1 (W 1 is as defined above);
Perfluoro (alkyl vinyl ether) s such as perfluoro (methyl vinyl ether), perfluoro (ethyl vinyl ether), perfluoro (propyl vinyl ether), perfluoro (butyl vinyl ether), perfluoro (isobutyl vinyl ether); perfluoro (propoxypropyl vinyl ether) Perfluoro (alkoxyalkyl vinyl ethers) such as

上記フッ素含有オレフィン系単量体は1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。上記フッ素含有オレフィン系単量体の中では、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルパーフルオロビニルエーテル及びパーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)が好ましく、これらを組み合わせて使用することがより好ましい。   The said fluorine-containing olefin type monomer may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together. Among the fluorine-containing olefin monomers, hexafluoropropylene, perfluoroalkyl perfluorovinyl ether and perfluoro (alkoxyalkyl vinyl ether) are preferable, and it is more preferable to use these in combination.

上記含フッ素共重合体(b)における構造単位(5)の含有量は、20〜70モル%、好ましくは25〜60モル%、さらに好ましくは30〜55モル%である。構造単位(5)の含有量が上記範囲よりも低いと、電極触媒層の排水性が劣る傾向にあるため、高湿条件にて良好な発電性能が得られない場合がある。一方、上記範囲を超えると、得られる含フッ素共重合体(b)の有機溶剤への溶解性が著しく低下し、均一な電極ペースト組成物の作製が困難となる場合がある。   Content of the structural unit (5) in the said fluorine-containing copolymer (b) is 20-70 mol%, Preferably it is 25-60 mol%, More preferably, it is 30-55 mol%. If the content of the structural unit (5) is lower than the above range, the electrode catalyst layer tends to have poor drainage properties, and thus good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions. On the other hand, when the above range is exceeded, the solubility of the obtained fluorinated copolymer (b) in an organic solvent is remarkably lowered, and it may be difficult to produce a uniform electrode paste composition.

上記構造単位(6)となりうるビニルエーテル系単量体としては、たとえば、
メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、tert−ブチルビニルエーテル、n−ペンチルビニルエーテル、n−ヘキシルビニルエーテル、n−オクチルビニルエーテル、n−ドデシルビニルエーテル、2−エチルヘキシルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテルもしくはシクロアルキルビニルエーテル類;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル、カプロン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ステアリン酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル類;メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル(メタ)アクリレート、2−(n−プロポキシ)エチル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル類;(メタ)アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等のカルボキシル基含有化合物などを挙げることができる。
As a vinyl ether monomer that can be the structural unit (6), for example,
Methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, n-propyl vinyl ether, isopropyl vinyl ether, n-butyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, tert-butyl vinyl ether, n-pentyl vinyl ether, n-hexyl vinyl ether, n-octyl vinyl ether, n-dodecyl vinyl ether, 2-ethylhexyl Alkyl vinyl ethers or cycloalkyl vinyl ethers such as vinyl ether and cyclohexyl vinyl ether; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, vinyl caproate, vinyl versatate, vinyl stearate, etc .; methyl (meta ) Acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, (Meth) acrylic acid esters such as butyl (meth) acrylate, 2-methoxyethyl (meth) acrylate, 2-ethoxyethyl (meth) acrylate, 2- (n-propoxy) ethyl (meth) acrylate; (meth) acrylic Examples thereof include carboxyl group-containing compounds such as acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, and itaconic acid.

上記含フッ素共重合体(b)における構造単位(6)の含有量は、5〜70モル%、好ましくは10〜60モル%、さらに好ましくは20〜50モル%である。構造単位(6)の含有量が上記範囲よりも低いと、電極中の保水性が劣る傾向にあるため、低湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。一方、上記範囲を超えると、電極触媒層の排水性が劣る傾向にあるため、高湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。   Content of the structural unit (6) in the said fluorine-containing copolymer (b) is 5-70 mol%, Preferably it is 10-60 mol%, More preferably, it is 20-50 mol%. When the content of the structural unit (6) is lower than the above range, the water retention in the electrode tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under low humidity conditions. On the other hand, if the above range is exceeded, the drainage of the electrode catalyst layer tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions.

上記水酸基含有構造単位となりうる水酸基を含有する単量体としては、たとえば、2−ヒドロキシエチルビニルエーテル、3−ヒドロキシプロピルビニルエーテル、2−ヒドロキシプロピルビニルエーテル、4−ヒドロキシブチルビニルエーテル、3−ヒドロキシブチルビニルエーテル、5−ヒドロキシペンチルビニルエーテル、6−ヒドロキシヘキシルビニルエーテル等の水酸基含有ビニルエーテル類;2−ヒドロキシエチルアリルエーテル、4−ヒドロキシブチルアリルエーテル、グリセロールモノアリルエーテル等の水酸基含有アリルエーテル類;アリルアルコール;ヒドロキシエチル(メタ)アクリル酸エステルなどを挙げることができる。これらの化合物は、1種単独で用いても、2種類以上を併用してもよい。   Examples of the monomer containing a hydroxyl group that can be a hydroxyl group-containing structural unit include 2-hydroxyethyl vinyl ether, 3-hydroxypropyl vinyl ether, 2-hydroxypropyl vinyl ether, 4-hydroxybutyl vinyl ether, 3-hydroxybutyl vinyl ether, 5 Hydroxyl group-containing vinyl ethers such as hydroxypentyl vinyl ether and 6-hydroxyhexyl vinyl ether; hydroxyl group-containing allyl ethers such as 2-hydroxyethyl allyl ether, 4-hydroxybutyl allyl ether and glycerol monoallyl ether; allyl alcohol; ) Acrylic acid ester and the like. These compounds may be used alone or in combination of two or more.

上記含フッ素共重合体(b)において、水酸基含有構造単位の含有量は、5〜70モル%、好ましくは10〜60モル%、さらに好ましくは20〜50モル%である。水酸基含有構造単位の含有量が上記範囲よりも低いと、電極中の保水性が劣る傾向にあるため、低湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。一方、上記範囲を超えると、電極触媒層の排水性が劣る傾向にあるため、高湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。   In the said fluorine-containing copolymer (b), content of a hydroxyl-containing structural unit is 5-70 mol%, Preferably it is 10-60 mol%, More preferably, it is 20-50 mol%. When the content of the hydroxyl group-containing structural unit is lower than the above range, the water retention in the electrode tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under low humidity conditions. On the other hand, if the above range is exceeded, the drainage of the electrode catalyst layer tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions.

上記含フッ素共重合体(b)の製造に際して、上記水酸基を含有する単量体を用いる場合、重合反応における収率を高める観点から、上記ビニルエーテル系単量体として、アルキルビニルエーテル類、シクロアルキルビニルエーテル類、カルボン酸ビニルエステル類またはカルボキシル基含有化合物を用いることが好ましい。特に、含フッ素共重合体(B)中に共重合されるフッ素含量を高める観点から、たとえば、メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等の低分子量単量体が好ましい。   In the production of the fluorine-containing copolymer (b), when the monomer containing the hydroxyl group is used, from the viewpoint of increasing the yield in the polymerization reaction, the vinyl ether monomers are alkyl vinyl ethers, cycloalkyl vinyl ethers. It is preferable to use carboxylic acid vinyl esters or carboxyl group-containing compounds. In particular, from the viewpoint of increasing the fluorine content copolymerized in the fluorine-containing copolymer (B), for example, methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, n-propyl vinyl ether, isopropyl vinyl ether, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, pivalin. Low molecular weight monomers such as vinyl acid are preferred.

上記含フッ素共重合体(b)のフッ素含量は、30〜70重量%、好ましくは40〜60重量%である。フッ素含量が上記範囲より低いと、電極触媒層の撥水性が低下し、高湿条件において良好な発電性能が得られない場合があり、一方、フッ素含量が上記範囲を超えると、電極触媒層の保水性が低下し、低湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。なお、上記フッ素含量は、フッ素原子の重量をアリザリコンプレクソン法で測定したものである。   The fluorine-containing copolymer (b) has a fluorine content of 30 to 70% by weight, preferably 40 to 60% by weight. If the fluorine content is lower than the above range, the water repellency of the electrode catalyst layer may be reduced, and good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions. On the other hand, if the fluorine content exceeds the above range, the electrode catalyst layer The water retention is reduced, and good power generation performance may not be obtained under low humidity conditions. In addition, the said fluorine content measures the weight of a fluorine atom by the Alizari complexone method.

上記含フッ素共重合体(b)のMnは、テトラヒドロフラン(THF)を溶剤としてゲルパーミエーションクロマトグラフィティー(GPC)で測定したポリスチレン換算の値で、5,000〜500,000、好ましくは10,000〜300,000、更に好ましくは10,000〜100,000である。Mnが上記範囲より小さいと電極触媒層の撥水性が低下し、高湿条件において良好な発電性能が得られない場合があり、一方、上記範囲を超えると電極ペースト組成物の粘度が高くなり、電極触媒層の作製が困難となる場合がある。   Mn of the fluorine-containing copolymer (b) is a value in terms of polystyrene measured by gel permeation chromatography (GPC) using tetrahydrofuran (THF) as a solvent, and is 5,000 to 500,000, preferably 10,000. To 300,000, more preferably 10,000 to 100,000. If Mn is smaller than the above range, the water repellency of the electrode catalyst layer is lowered, and good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions, whereas if it exceeds the above range, the viscosity of the electrode paste composition is increased, The production of the electrode catalyst layer may be difficult.

上記含フッ素共重合体(b)を製造する重合様式としては、ラジカル重合開始剤の存在下、乳化、懸濁、塊状または溶液重合法のいずれでもよく、回分式、半連続式または連続式の操作を適宜選択できる。ラジカル重合開始剤としては、アゾ基含有ポリシロキサンを使用できるが、他のラジカル開始剤も併用することもできる。   The polymerization mode for producing the fluorine-containing copolymer (b) may be any of emulsion, suspension, bulk or solution polymerization in the presence of a radical polymerization initiator, and may be batch, semi-continuous or continuous. The operation can be selected as appropriate. As the radical polymerization initiator, azo group-containing polysiloxane can be used, but other radical initiators can also be used in combination.

前記併用することができる他のラジカル重合開始剤としては、たとえば、
アセチルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド等のジアシルパーオキサイド類;
メチルエチルケトンパーオキサイド、シクロヘキサノンパーオキサイド等のケトンパーオキサイド類;過酸化水素、tert−ブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド等のハイドロパーオキサイド類;ジ−tert−ブチルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ジラウロイルパーオキサイド等のジアルキルパーオキサイド類;tert−ブチルパーオキシアセテート、tert−ブチルパーオキシピバレート等のパーオキシエステル類;アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスイソバレロニトリル等のアゾ系化合物;過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム等の過硫酸塩;パーフルオロエチルアイオダイド、パーフルオロプロピルアイオダイド、パーフルオロブチルアイオダイド、(パーフルオロブチル)エチルアイオダイド、パーフルオロヘキシルアイオダイド、2−(パーフルオロヘキシル)エチルアイオダイド、パーフルオロヘプチルアイオダイド、パーフルオロオクチルアイオダイド、2−(パーフルオロオクチル)エチ
ルアイオダイド、パーフルオロデシルアイオダイド、2−(パーフルオロデシル)エチルアイオダイド、ヘプタフルオロ−2−ヨードプロパン、パーフルオロ−3−メチルブチルアイオダイド、パーフルオロ−5−メチルヘキシルアイオダイド、2−(パーフルオロ−5−メチルヘキシル)エチルアイオダイド、パーフルオロ−7−メチルオクチルアイオダイド、2−(パーフルオロ−7−メチルオクチル)エチルアイオダイド、パーフルオロ−9−メチルデシルアイオダイド、2−(パーフルオロ−9−メチルデシル)エチルアイオダイド、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルアイオダイド、1H,H,5H−オクタフルオロペンチルアイオダイド、1H,1H,7H−ドデカフルオロヘプチルアイオダイド、テトラフルオロ−1,2−ジヨードエタン、オクタフルオロ−1,4−ジヨードブタン、ドデカフルオロ−1,6−ジヨードヘキサン等のヨウ素含有フッ素化合物などを挙げることができる。
Examples of other radical polymerization initiators that can be used in combination include:
Diacyl peroxides such as acetyl peroxide and benzoyl peroxide;
Ketone peroxides such as methyl ethyl ketone peroxide and cyclohexanone peroxide; hydroperoxides such as hydrogen peroxide, tert-butyl hydroperoxide and cumene hydroperoxide; di-tert-butyl peroxide, dicumyl peroxide, di Dialkyl peroxides such as lauroyl peroxide; peroxy esters such as tert-butyl peroxyacetate and tert-butyl peroxypivalate; azo compounds such as azobisisobutyronitrile and azobisisovaleronitrile; Persulfates such as ammonium sulfate, sodium persulfate, potassium persulfate; perfluoroethyl iodide, perfluoropropyl iodide, perfluorobutyl iodide, (Perful (Robutyl) ethyl iodide, perfluorohexyl iodide, 2- (perfluorohexyl) ethyl iodide, perfluoroheptyl iodide, perfluorooctyl iodide, 2- (perfluorooctyl) ethyl iodide, perfluorodecyl iodide Dide, 2- (perfluorodecyl) ethyl iodide, heptafluoro-2-iodopropane, perfluoro-3-methylbutyl iodide, perfluoro-5-methylhexyl iodide, 2- (perfluoro-5-methyl Hexyl) ethyl iodide, perfluoro-7-methyloctyl iodide, 2- (perfluoro-7-methyloctyl) ethyl iodide, perfluoro-9-methyldecyl iodide, 2- (perfluoro-9 Methyldecyl) ethyl iodide, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl iodide, 1H, H, 5H-octafluoropentyl iodide, 1H, 1H, 7H-dodecafluoroheptyl iodide, tetrafluoro-1,2 -An iodine-containing fluorine compound such as diiodoethane, octafluoro-1,4-diiodobutane, dodecafluoro-1,6-diiodohexane, and the like can be given.

また、上記ラジカル重合開始剤には、必要に応じて亜硫酸水素ナトリウム、ピロ亜硫酸ナトリウム等の無機還元剤、ナフテン酸コバルト、ジメチルアニリン等の有機還元剤を併用することができる。   In addition, the radical polymerization initiator may be used in combination with an inorganic reducing agent such as sodium hydrogen sulfite and sodium pyrosulfite, and an organic reducing agent such as cobalt naphthenate and dimethylaniline as necessary.

上記含フッ素共重合体(b)の製造は、溶剤を用いた溶剤系で重合させることが好ましい。前記溶剤としては、たとえば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソプロピル、酢酸イソブチル、酢酸セロソルブ等のエステル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;テトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド類;トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類などが挙げられ、これらに必要に応じてアルコール類、脂肪族炭化水素類などを混合して使用することもできる。
<分散剤>
電極触媒層には、必要に応じてさらに分散剤を添加してもよい。この分散剤は、電極触媒層形成時に各成分の分散性を高めるために添加される。
The production of the fluorinated copolymer (b) is preferably carried out in a solvent system using a solvent. Examples of the solvent include esters such as ethyl acetate, butyl acetate, isopropyl acetate, isobutyl acetate, and cellosolve; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone; cyclic ethers such as tetrahydrofuran and dioxane; N Amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide; aromatic hydrocarbons such as toluene and xylene, etc., and alcohols and aliphatic hydrocarbons may be mixed as necessary. Can also be used.
<Dispersant>
You may add a dispersing agent to an electrode catalyst layer further as needed. This dispersant is added in order to enhance the dispersibility of each component when forming the electrode catalyst layer.

このような分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。
上記アニオン界面活性剤としては、たとえば、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成燐酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛などが挙げられる。
Examples of such a dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.
Examples of the anionic surfactant include oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, special modified polyether Amine salt of ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine salt of high molecular weight polyether ester acid, amine salt of special modified phosphoric acid ester, high molecular weight polyester acid amide amine salt, special fatty acid derivative Amidoamine salt, alkylamine salt of higher fatty acid, amidoamine salt of high molecular weight polycarboxylic acid, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleyl sulfate sodium salt, cetyl Sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate sodium salt, lauryl ether sulfate ester, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, higher alcohol phosphate monoester disodium Salt, higher alcohol phosphoric acid diester disodium salt, zinc dialkyldithiophosphate and the like.

上記カチオン界面活性剤としては、たとえば、ベンジルジメチル{2−[2−(P−1
,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロ
ライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロ
ライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル−2−牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニル−ヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物などが挙げられる。
Examples of the cationic surfactant include benzyldimethyl {2- [2- (P-1
, 1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride Hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-Heptadecenyl-hydroxyethyl Imidazoline, stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkyl amine ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, par And fluoroalkyl quaternary ammonium iodide.

上記両性界面活性剤としては、たとえば、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω−フルオロアクカノイルーN−エ
チルアミノ]−1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]−N,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベ
タインなどが挙げられる。
Examples of the amphoteric surfactant include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3 -[Ω-fluoroaccanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonic acid sodium, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine Can be mentioned.

上記非イオン界面活性剤としては、たとえば、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステルなどが挙げられる。   Examples of the nonionic surfactant include coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), and bovine fatty acid diethanolamide (1). : 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol palm amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol di Oleylamine, dimethyllaurylamine oxide, dimethylstearylamine oxide, dihydroxyethyllaurylamine oxide, perfluoroalkylamine oxide, poly Vinylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid ester of pentaerythritol, fatty acid ester of sorbit, fatty acid ester of sorbitan And fatty acid esters of sugar.

上記分散剤は、1種単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中では、好ましくは塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性もしくはカチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは分子量5千〜3万の界面活性剤である。電極触媒層を形成する際に使用される電極用ペースト組成物に上記分散剤を添加すると、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。
<炭素繊維>
本発明で使用される電極触媒層は、必要に応じて、さらに炭素繊維を含有してもよい。このような炭素繊維しては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバー系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維などを用いることができ、これらの中では気相成長炭素繊維が好ましい。炭素繊維を含んでいると、電極触媒層中の細孔容積が増加するため、燃料ガスや酸素ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディングなどを改善でき、発電性能が向上する。
The said dispersing agent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. Among these, a surfactant having a basic group is preferable, an anionic or cationic surfactant is more preferable, and a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000 is more preferable. When the above dispersant is added to the electrode paste composition used for forming the electrode catalyst layer, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.
<Carbon fiber>
The electrode catalyst layer used in the present invention may further contain carbon fibers as necessary. As such carbon fibers, rayon-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, lignin pover-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, and the like can be used. Among these, vapor-grown carbon fibers Is preferred. When carbon fiber is included, the pore volume in the electrode catalyst layer increases, so that the diffusibility of fuel gas and oxygen gas is improved, and flooding due to the generated water can be improved, and the power generation performance is improved. .

なお、炭素繊維は、アノード側、カソード側の電極触媒層のいずれか1方または双方に含まれていてもよい。
本発明の電極−膜接合体を構成する電極触媒層は、上記触媒粒子を20〜90重量%、好ましくは40〜85重量%の範囲で含有し、上記高分子電解質(共重合体)を5〜60重量%、好ましくは10〜50重量%の範囲で含有する。また、電極触媒相中に、撥水剤を含む場合、撥水剤は0〜20重量%、好ましくは1〜10重量%で含有する。また、必要に応じて用いられる分散剤は、0〜10重量%、好ましくは0〜3重量%の範囲で含有
され、また、必要に応じて用いられる炭素繊維は0〜20重量%、好ましくは1〜10重量%の範囲で含有されることが望ましい(なお、これらの合計を100重量%とする)。
The carbon fiber may be contained in one or both of the anode-side and cathode-side electrode catalyst layers.
The electrode catalyst layer constituting the electrode-membrane assembly of the present invention contains the above catalyst particles in an amount of 20 to 90% by weight, preferably 40 to 85% by weight, and 5% of the above polymer electrolyte (copolymer). It is contained in a range of ˜60% by weight, preferably 10 to 50% by weight. When the electrode catalyst phase contains a water repellent, the water repellent is contained in an amount of 0 to 20% by weight, preferably 1 to 10% by weight. The dispersant used as necessary is contained in the range of 0 to 10% by weight, preferably 0 to 3% by weight, and the carbon fiber used as necessary is 0 to 20% by weight, preferably It is desirable to contain in the range of 1 to 10% by weight (note that the total of these is 100% by weight).

触媒粒子の含有量が、上記範囲よりも低いと、電極反応率が低下することがあり、上記範囲を超えると、プロトン伝導性効率が低下する恐れがあるとともに、電極触媒層中に発電性能に十分な細孔容積を確保できない傾向にある。高分子電解質の含有量が、上記範囲よりも低いと、プロトン伝導度が低下する傾向にあるとともに、バインダーとしての役割を果たせなくなり電極を形成できないことがあり、一方、上記範囲を超えると、電極中の細孔容積が減少する傾向にある。撥水剤の含有量が上記範囲内にあると、触媒層中の湿潤状態を適切に維持でき、発電出力が向上する。   When the content of the catalyst particles is lower than the above range, the electrode reaction rate may be reduced. When the content exceeds the above range, the proton conductivity efficiency may be reduced, and power generation performance may be reduced in the electrode catalyst layer. There is a tendency that a sufficient pore volume cannot be secured. If the content of the polymer electrolyte is lower than the above range, the proton conductivity tends to decrease, and the electrode may not be formed because it cannot function as a binder. The pore volume inside tends to decrease. When the content of the water repellent is within the above range, the wet state in the catalyst layer can be appropriately maintained, and the power generation output is improved.

分散剤の含有量が上記範囲内にあると、保存安定性に優れた電極ペーストが得られるので、各成分が均一に分散された電極触媒層を形成することができる。炭素繊維が上記範囲内にあると、細孔容積が適度に確保され、排水性が良好になり発電出力が向上する。   When the content of the dispersant is within the above range, an electrode paste having excellent storage stability can be obtained, and an electrode catalyst layer in which each component is uniformly dispersed can be formed. When the carbon fiber is within the above range, the pore volume is appropriately secured, the drainage is good, and the power generation output is improved.

[電極触媒層の形成]
上記電極触媒層(アノード側及びカソード側)は、たとえば、上記各成分を分散させた電極ペースト組成物を用いて形成される。具体的には、前記触媒を担持したカーボン、高分子電解質及び有機溶媒を含有し、必要に応じて、撥水剤、分散剤、炭素繊維、水などを含有する。
<有機溶媒>
上記電極ペースト組成物に用いられる有機溶媒としては、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル−1−プロパ
ノール、シクロヘキサノール、1−ヘキサノール、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、ジオキサン、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、アニソール、フェネトール、アセタール、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタ
ノン、γーブチロラクトン、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec-ブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、テトラメチル尿素、トルエン、キシレン、ヘプタン、オクタンなどの炭化水素系有機溶媒、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロールなどの多価アルコール系有機溶媒などを挙げることができる。
[Formation of electrode catalyst layer]
The electrode catalyst layer (anode side and cathode side) is formed using, for example, an electrode paste composition in which the above components are dispersed. Specifically, it contains carbon carrying the catalyst, a polymer electrolyte, and an organic solvent, and optionally contains a water repellent, a dispersant, carbon fiber, water, and the like.
<Organic solvent>
Examples of the organic solvent used in the electrode paste composition include ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol, n-butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1 -Pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2- Dimethyl-1-propanol, cyclohexanol, 1-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1- Methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3-methylcyclohexanol, 4-methylcyclo Hexanol, 1-octanol, 2-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, dioxane, butyl ether, phenyl ether, isopentyl ether, 1,2-dimethoxyethane, diethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzyl ethyl ether, anisole, phenetole, acetal, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2- Heptanone, 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone, γ-butyrolactone, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, dairy Methyl acid, ethyl butyrate, methyl lactate, ethyl lactate, butyl lactate, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy -2-propanol, dimethyl sulfoxide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetramethylurea, toluene And hydrocarbon organic solvents such as xylene, heptane and octane, and polyhydric alcohol organic solvents such as ethylene glycol, propylene glycol and glycerol.

上記有機溶媒は、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよいが、イオン交換樹脂の溶解性の観点から、好ましくは、水溶性の非プロトン性双極子有機溶媒を含有していること、より好ましくは、水溶性の非プロトン性双極子有機溶媒を10%以上含
有していることが望ましい。
The organic solvent may be used alone or in combination of two or more, but preferably contains a water-soluble aprotic dipolar organic solvent from the viewpoint of solubility of the ion exchange resin. More preferably, it is desirable to contain 10% or more of a water-soluble aprotic dipolar organic solvent.

上記水溶性の非プロトン性双極子有機溶媒としては、たとえば、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、γ―ブチロラクトンなどが挙げられる。
<水>
上記電極ペースト組成物には、必要に応じてさらに水を添加してもよい。水を添加することにより、触媒ペースト組成物を調製する際の発熱を低減する効果がある。
<組成>
記電極ペースト組成物において、上記触媒粒子、イオン交換樹脂、撥水剤、分散剤及び炭素繊維の組成は、電極触媒層を形成したときに、上記組成となる量で配合される。また、上記電極触媒ペースト組成物を調製する際に用いられる有機溶媒の使用量は、該ペースト組成物全体を100重量%とした場合に、5〜95重量%、好ましくは15〜90重量%であり、必要に応じて用いられる水の使用量は、0〜70重量%、好ましくは2〜30重量%である。
Examples of the water-soluble aprotic dipolar organic solvent include dimethylacetamide, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide, tetramethylurea, 1,3-dimethyl-2-imidazolide. Non-, γ-butyrolactone and the like can be mentioned.
<Water>
You may add water to the said electrode paste composition further as needed. By adding water, there is an effect of reducing heat generation when preparing the catalyst paste composition.
<Composition>
In the electrode paste composition, the composition of the catalyst particles, the ion exchange resin, the water repellent, the dispersant and the carbon fiber is blended in such an amount as to form the above composition when the electrode catalyst layer is formed. The amount of the organic solvent used in preparing the electrode catalyst paste composition is 5 to 95% by weight, preferably 15 to 90% by weight, when the paste composition is 100% by weight. Yes, the amount of water used as necessary is 0 to 70% by weight, preferably 2 to 30% by weight.

有機溶媒の使用量が上記範囲内にあると、組成物がペースト状となりハンドリングに好適である。水の使用量が上記範囲内にあると、触媒ペースト調製時の発熱を効率的に低減できる。
<調製方法>
上記電極ペースト組成物は、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。各成分の混合順序は特に限定されないが、たとえば、全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、有機溶媒の量を調整して組成物の粘度を調整してもよい。<形成方法>
本発明の電極−膜接合体を構成する電極触媒層は、上記電極ペースト組成物を、電極基材、転写基材または後述する高分子電解質膜上に塗布し、乾燥することにより形成することができる。
When the amount of the organic solvent used is within the above range, the composition becomes a paste and is suitable for handling. When the amount of water used is within the above range, heat generation during preparation of the catalyst paste can be efficiently reduced.
<Preparation method>
The electrode paste composition can be prepared, for example, by mixing the above components at a predetermined ratio and kneading them by a conventionally known method. The order of mixing the components is not particularly limited. For example, all the components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then the dispersant is added as necessary. It is preferable to add and to stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of an organic solvent as needed, and may adjust the viscosity of a composition. <Formation method>
The electrode catalyst layer constituting the electrode-membrane assembly of the present invention may be formed by applying the electrode paste composition onto an electrode substrate, a transfer substrate or a polymer electrolyte membrane described later and drying. it can.

上記電極ペースト組成物の塗布方法としては、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などが挙げられる。   Examples of the method for applying the electrode paste composition include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.

上記電極基材としては、燃料電池に一般に用いられる電極基材、たとえば、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどを、特に限定されることなく用いることができる。また、上記転写基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のシート、または、表面を離型剤処理したガラス板や金属板などを用いることができる。   As the electrode substrate, an electrode substrate generally used for a fuel cell, for example, a porous conductive sheet mainly composed of a conductive substance can be used without particular limitation. As the transfer substrate, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a release agent, and the like can be used.

上記導電性物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが挙げられる。上記導電性物質の形態は、繊維状または粒子状など特に限定されないが、好ましくは繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)、特に好ましくは炭素繊維である。   Examples of the conductive material include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, carbon materials such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum, and titanium. Although the form of the said conductive substance is not specifically limited, such as fibrous form or particle form, Preferably it is a fibrous conductive inorganic substance (inorganic conductive fiber), Most preferably, it is a carbon fiber.

無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートとしては、織布および不織布のいずれの構造も使用可能である。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織などを特に限定されることなく用いることができる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法などの方法で製造されたものを特に限定されることなく用いることができる。また、無機導電性繊維を用いた多孔
質導電シートは編物であってもよい。
As the porous conductive sheet using inorganic conductive fibers, any structure of woven fabric and non-woven fabric can be used. As the woven fabric, plain weaving, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving and the like can be used without any particular limitation. Moreover, as a nonwoven fabric, what was manufactured by methods, such as a papermaking method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, a melt blow method, can be used without being specifically limited. The porous conductive sheet using inorganic conductive fibers may be a knitted fabric.

このような布帛として特に炭素繊維を用いる場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化または黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工をした後に、炭化もしくは黒鉛化した不織布、耐炎化糸、炭化糸または黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましい。たとえば、東レ製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが好ましく用いられる。   In particular, when carbon fibers are used as such a fabric, a woven fabric obtained by carbonizing or graphitizing a plain fabric using a flame-resistant spun yarn, and processing the nonwoven fabric by a needle punch method, a water jet punch method, or the like, Carbonized or graphitized nonwoven fabrics, flame-resistant yarns, mat nonwoven fabrics made by paper making using carbonized yarns or graphitized yarns, and the like are preferable. For example, Toray carbon paper TGP series, SO series, E-TEK carbon cloth, etc. are preferably used.

多孔質導電シートには、導電性向上のために、補助剤としてカーボンブラックなどの導電性粒子や、炭素繊維などの導電性繊維を添加することも好ましい。
上記のようにして塗布された塗膜の厚さ(すなわち電極触媒層の厚さ)は特に制限されないが、触媒として担持された金属が、塗布単位面積当り、0.05〜4.0mg/cm2、好ましくは0.1〜2.0mg/cm2の範囲で電極触媒層中に存在することが望ましい。この範囲にあれば充分に高い触媒活性が発揮されるとともに、効率的にプロトンを取り出すことができる。
It is also preferable to add conductive particles such as carbon black or conductive fibers such as carbon fibers as an auxiliary agent to the porous conductive sheet in order to improve conductivity.
The thickness of the coating film applied as described above (that is, the thickness of the electrode catalyst layer) is not particularly limited, but the metal supported as a catalyst is 0.05 to 4.0 mg / cm per application unit area. 2 , preferably in the range of 0.1 to 2.0 mg / cm 2 in the electrocatalyst layer. Within this range, sufficiently high catalytic activity is exhibited and protons can be efficiently extracted.

上記電極ペースト組成物の塗布後の溶媒の除去は、乾燥温度20〜180℃、好ましくは50〜160℃で、乾燥時間5〜180分、好ましくは30〜120分で行う。また、必要に応じて、水浸漬により除去することもできる。水浸漬の条件としては、水浸漬温度が5〜120℃、好ましくは15〜95℃であり、水浸漬時間が1分〜72時間、好ましくは5分〜48時間である。   The removal of the solvent after the application of the electrode paste composition is performed at a drying temperature of 20 to 180 ° C., preferably 50 to 160 ° C., and a drying time of 5 to 180 minutes, preferably 30 to 120 minutes. Moreover, it can also remove by water immersion as needed. As water immersion conditions, the water immersion temperature is 5 to 120 ° C., preferably 15 to 95 ° C., and the water immersion time is 1 minute to 72 hours, preferably 5 minutes to 48 hours.

このようにして得られる電極触媒層の細孔容積は、0.1〜3.0mL/g−(電極触媒層)、好ましくは0.2〜2.0mL/g−(電極触媒層)である。細孔容積が上記範囲を超えると、機械的特性が低下する傾向にあるとともに、電子伝導およびプロトン伝導経路が切断され、発電性能が低下することがある。一方、細孔容積が上記範囲よりも低いと、水の排出性が悪く、発電性能が低下することがある。
[高分子電解質膜]
本発明の膜−電極接合体を構成する高分子電解質膜としては、特に限定されず、公知の高分子電解質膜を用いることができるが、該高分子電解質膜を構成する成分として、前記高分子電解質を用いることが好ましい。より好ましくは、先に述べたように、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーであることが好ましく、更により好ましくは、先に述べたような構造を有するスルホン化ポリアリーレンが好ましい。このイオン交換樹脂のイオン交換容量は、0.3〜5.0meq/g、好ましくは0.5〜4.0meq/gであることが望ましい。
The pore volume of the electrode catalyst layer thus obtained is 0.1 to 3.0 mL / g- (electrode catalyst layer), preferably 0.2 to 2.0 mL / g- (electrode catalyst layer). . When the pore volume exceeds the above range, the mechanical properties tend to be lowered, and the electron conduction and proton conduction paths are cut, and the power generation performance may be lowered. On the other hand, if the pore volume is lower than the above range, the water discharge performance is poor and the power generation performance may be lowered.
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly of the present invention is not particularly limited, and a known polymer electrolyte membrane can be used. It is preferable to use an electrolyte. More preferably, as described above, a protonic acid group-containing aromatic polymer is preferable, and still more preferable is a sulfonated polyarylene having a structure as described above. The ion exchange capacity of the ion exchange resin is 0.3 to 5.0 meq / g, preferably 0.5 to 4.0 meq / g.

前記アノード電極触媒層またはカソード電極触媒層のどちらか一方の高分子電解質が、高分子電解質中に含まれるフッ素原子の総重量の割合により規定されるフッ素含量が0〜40重量%未満である高分子電解質が使用され、他方は、フッ素含量が40重量%以上のプロトン酸基含有芳香族系ポリマーが使用される。このとき、前記アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層に用いる高分子電解質のフッ素含量の差が20重量%以上、より好適には30重量%以上であることが望ましい。このような差を有していると、本発明の効果がより顕現し、高温条件下での長期発電運転おいても、高度な保水性、排水性及び撥水性を維持することができる。本発明では、フッ素含量0〜40重量%未満である高分子電解質がアノード側電極触媒中に含まれ、フッ素含量40重量%以上の高分子電解質がカソード側電極触媒中に含まれることが望ましい。このような構成とすることで、アノード側から、カソード側への生成水の移動がスムーズとなり、カソードガスの拡散性、生成水の排出が促進されるため、濃度過電圧が低減し、高電圧を取り出すことができる。   The polymer electrolyte of either the anode electrode catalyst layer or the cathode electrode catalyst layer has a high fluorine content defined by the proportion of the total weight of fluorine atoms contained in the polymer electrolyte being less than 0 to 40% by weight. A molecular electrolyte is used, and on the other hand, a protonic acid group-containing aromatic polymer having a fluorine content of 40% by weight or more is used. At this time, the difference in fluorine content of the polymer electrolyte used for the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer is preferably 20 wt% or more, more preferably 30 wt% or more. With such a difference, the effect of the present invention becomes more apparent, and high water retention, drainage, and water repellency can be maintained even during long-term power generation operation under high temperature conditions. In the present invention, it is desirable that a polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is contained in the anode side electrode catalyst, and a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is contained in the cathode side electrode catalyst. With this configuration, the generated water moves smoothly from the anode side to the cathode side, and the diffusibility of the cathode gas and the discharge of the generated water are promoted. Therefore, the concentration overvoltage is reduced and the high voltage is increased. It can be taken out.

上記スルホン化ポリアリーレンを用いた高分子電解質膜は、たとえば、上記電極ペースト組成物で用いられる有機溶媒として例示したものと同様の有機溶媒とを含む組成物を調製し、この組成物を基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法などにより製造することができる。なお、前記組成物は、高分子電解質および有機溶媒以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを含んでもよい。   For the polymer electrolyte membrane using the sulfonated polyarylene, for example, a composition containing an organic solvent similar to that exemplified as the organic solvent used in the electrode paste composition is prepared, and this composition is applied to the substrate. It can be produced by a casting method in which the film is cast into a film shape. In addition to the polymer electrolyte and the organic solvent, the composition may contain an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, and the like.

上記組成物中のポリマー濃度は、高分子電解質の分子量にもよるが、通常、5〜40重量%、好ましくは7〜25重量%である。ポリマー濃度が前記範囲よりも低いと、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすくなる傾向にあり、一方、上記範囲を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。   The polymer concentration in the composition is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25% by weight, although it depends on the molecular weight of the polymer electrolyte. If the polymer concentration is lower than the above range, it is difficult to increase the film thickness, and pinholes tend to be easily generated. On the other hand, if the polymer concentration exceeds the above range, the solution viscosity is too high to form a film, and the surface smoothness is reduced. May lack sexuality.

上記組成物の溶液粘度は、共重合体の分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,
000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sであ
る。溶液粘度が上記範囲よりも低いと、加工中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがあり、一方、上記範囲を超えると、高粘度過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。
The solution viscosity of the above composition depends on the molecular weight of the copolymer and the polymer concentration.
000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s. If the solution viscosity is lower than the above range, the retention of the solution during processing is poor and may flow from the substrate.On the other hand, if it exceeds the above range, the viscosity is too high to be extruded from the die, Film formation by the casting method may be difficult.

上記組成物は、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法、例えばウエーブローター、ホモジナイザー、ディスパーサー、ペイントコンディショナー、ボールミルなどの混合機を用いて混合することにより調製することができる。   The above composition is prepared by, for example, mixing the above-described components at a predetermined ratio and mixing them using a conventionally known method, for example, a mixer such as a wafer blower, a homogenizer, a disperser, a paint conditioner, or a ball mill. Can do.

上記基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、たとえばプラスチック製や金属製などの基体が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。また、上記電極触媒層を基体として用いることもできる。   The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in a usual solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal is used, and preferably a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate is used. Moreover, the said electrode catalyst layer can also be used as a base | substrate.

上記キャスティング法による製膜後、30〜160℃、好ましくは50〜150℃の温度で、3〜180分、好ましくは5〜120分間乾燥することにより、高分子電解質膜を得ることができる。その乾燥膜厚は、通常、10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。乾燥後、膜中に溶媒が残存する場合は、必要に応じて、水抽出により脱溶媒することもできる。なお、上記高分子電解質膜には、高分子電解質以外に、硫酸やリン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などが含まれてもよい。
[膜−電極接合体の製造方法]
本発明に係る膜−電極接合体は、上記高分子電解質膜の両面に、上記電極触媒層を形成することにより製造することができる。
After film formation by the above casting method, a polymer electrolyte membrane can be obtained by drying at a temperature of 30 to 160 ° C., preferably 50 to 150 ° C. for 3 to 180 minutes, preferably 5 to 120 minutes. The dry film thickness is usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm. If the solvent remains in the membrane after drying, the solvent may be removed by water extraction as necessary. In addition to the polymer electrolyte, the polymer electrolyte membrane may contain an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, and the like.
[Method for producing membrane-electrode assembly]
The membrane-electrode assembly according to the present invention can be produced by forming the electrode catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane.

上記高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成する方法としては、たとえば、上記電極ペースト組成物を高分子電解質膜上に直接塗布し、乾燥することにより形成する方法、上記電極ペースト組成物を電極基材上に塗布し、乾燥することにより電極触媒層を有する電極を作製し、得られた電極と高分子電解質膜とを、電極触媒層側が高分子電解質膜に接するようにしてホットプレス等により接合する方法、上記電極ペースト組成物を他の基材(転写基材)上に塗布して電極触媒層をいったん形成した後、高分子電解質膜または電極基材上に転写する方法などが挙げられる。   As a method of forming the electrode catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, for example, a method of forming the electrode paste composition by directly applying the electrode paste composition on the polymer electrolyte membrane and drying the electrode paste composition, An electrode having an electrode catalyst layer is prepared by coating on an electrode substrate and drying, and the obtained electrode and the polymer electrolyte membrane are hot pressed so that the electrode catalyst layer side is in contact with the polymer electrolyte membrane. And a method of applying the electrode paste composition onto another base material (transfer base material) to form an electrode catalyst layer and then transferring it onto the polymer electrolyte membrane or the electrode base material. It is done.

上記ホットプレスの条件は、温度が30℃〜200℃、好ましくは40℃〜180℃であり、圧力が5〜300kg/cm2、好ましくは10〜180kg/cm2であり、時間が30秒〜60分間、好ましくは1分間〜30分間である。上記範囲内の条件でホットプレスを行うことにより、電極層と膜の接合性が良好となる。 The conditions of the hot press are as follows: the temperature is 30 ° C. to 200 ° C., preferably 40 ° C. to 180 ° C., the pressure is 5 to 300 kg / cm 2 , preferably 10 to 180 kg / cm 2 , and the time is 30 seconds to 60 minutes, preferably 1 to 30 minutes. By performing hot pressing under conditions within the above range, the bondability between the electrode layer and the film is improved.

また、上記電極触媒層上にカーボンペーパーなどのガス拡散層を接合する場合は、上記
と同様のホットプレス条件により、電極触媒層とガス拡散層とを接合することができる。[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、イオン交換容量および分子量の測定は以下のようにして行った。
1.イオン交換容量
高分子電解質膜及び各電極触媒層を構成する高分子電解質成分からなる膜を作製し、所定量を秤量してテトラヒドロフラン(THF)/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からイオン交換容量を求めた。
2.分子量
スルホン酸基を有しないポリアリーレンの分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。
「スルホン化ポリアリーレンの合成」
本発明に係る、フッ素含量が0〜40重量%であり、スルホン酸基含有芳香族系ポリマーとして好ましく用いられるスルホン化ポリアリーレンの合成例について示す。本発明は以下の合成例に特に限定されるものではないが、これらのスルホン化ポリアリーレンを電極中高分子電解質、若しくは高分子電解質膜として用いた場合、良好な発電特性を示す燃料電池を得ることができる。
[合成例1](1)疎水性ユニットの合成
攪拌機、温度計、Dean−Stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル48.8g(284mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン89.5g(266mmol)、炭酸カリウム47.8g(346mmol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン346mL、トルエン173mLを加えて攪拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−Stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−Stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を200℃に上げ、3時間攪拌を続けた後、2,6−ジクロロベンゾニトリル9.2g(53mmol)を加え、さらに5時間反応させた。
Moreover, when joining gas diffusion layers, such as carbon paper, on the said electrode catalyst layer, an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer can be joined by the hot press conditions similar to the above. [Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. The ion exchange capacity and molecular weight were measured as follows.
1. Ion exchange capacity A polymer electrolyte membrane and a membrane composed of polymer electrolyte components constituting each electrode catalyst layer are prepared, and a predetermined amount is weighed and phenolphthalein dissolved in a tetrahydrofuran (THF) / water mixed solvent is used as an indicator. Titration was performed using a standard solution of NaOH, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point.
2. Molecular weight The molecular weight of polyarylene having no sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene (THF) as a solvent and the molecular weight in terms of polystyrene. The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene as a molecular weight using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added.
"Synthesis of sulfonated polyarylene"
A synthesis example of a sulfonated polyarylene having a fluorine content of 0 to 40% by weight and preferably used as a sulfonic acid group-containing aromatic polymer according to the present invention will be described. The present invention is not particularly limited to the following synthesis examples, but when these sulfonated polyarylenes are used as a polymer electrolyte in an electrode or a polymer electrolyte membrane, a fuel cell exhibiting good power generation characteristics is obtained. Can do.
[Synthesis Example 1] (1) Synthesis of hydrophobic unit 48.8 g (284 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-Stark tube, nitrogen introduction tube, and cooling tube. ), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (89.5 g, 266 mmol) and potassium carbonate (47.8 g, 346 mmol). After nitrogen substitution, 346 mL of sulfolane and 173 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-Stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-Stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 200 ° C. and stirring was continued for 3 hours. Then, 9.2 g (53 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further continued for 5 hours.

反応液を放冷後、トルエン100mLを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩を濾過し、濾液をメタノール2Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥後、テトラヒドロフラン250mLに溶解し、これをメタノール2Lに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末を濾過、乾燥し、目的物109gを得た。GPCで測定した数平均分子量(Mn)は9,500であった。
得られた化合物は式(I)で表されるオリゴマーであることを確認した。
The reaction solution was allowed to cool, and diluted with 100 mL of toluene. Inorganic salts insoluble in the reaction solution were filtered, and the filtrate was poured into 2 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried, then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran, and poured into 2 L of methanol for reprecipitation. The precipitated white powder was filtered and dried to obtain 109 g of the desired product. The number average molecular weight (Mn) measured by GPC was 9,500.
It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (I).

Figure 0005144023
Figure 0005144023

(2)スルホン化ポリアリーレンの合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジク
ロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.2g(337mmol)、(1)で得られたMn9,500の疎水性ユニット48.7g(5.1mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3mmol)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3mmol)、トリフェニルホスフィン35.9g(137mmol)、亜鉛53.7g(821mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)430mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc730mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
(2) Synthesis of sulfonated polyarylene 135.2 g (337 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, (1) 48.7 g (5.1 mmol) of the hydrophobic unit of Mn 9,500 obtained in the above, 6.71 g (10.3 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 1.54 g (10.3 mmol) of sodium iodide, 35.9 g (137 mmol) of phenylphosphine and 53.7 g (821 mmol) of zinc were weighed and replaced with dry nitrogen. 430 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 730 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matters were filtered off.

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム44g(506mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン5Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体122gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は135,000であった。得られた重合体は式(II)で表されるスルホン化ポリマーと推定される。このポリマーのイオン交換容量は2.3meq/gであった。   The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 44 g (506 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 5 L of acetone. Subsequently, it was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order, and then dried to obtain 122 g of the target polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 135,000. The obtained polymer is presumed to be a sulfonated polymer represented by the formula (II). The ion exchange capacity of this polymer was 2.3 meq / g.

Figure 0005144023
Figure 0005144023

[合成例2]
(1)塩基性ユニットの合成
2,5-ジクロロ-4'-(1−イミダゾリル)ベンゾフェノンの合成
[Synthesis Example 2]
(1) Synthesis of basic unit
Synthesis of 2,5-dichloro-4 '-(1-imidazolyl) benzophenone

Figure 0005144023
Figure 0005144023

攪拌機、温度計、冷却管、窒素導入管を取り付けた2L三口フラスコに、2,5-ジクロロ-4'-フルオロベンゾフェノン150.7g(0.560mol)、イミダゾール 114
.4g(1.68mol)、炭酸カリウム100.6g(0.728mol)、N,N'−ジ
メチルアセトアミド 840mlを量りとった。反応溶液を、窒素雰囲気下オイルバスを
用いて110℃で2時間加熱した。薄層クロマトグラフィーにより原料の消失を確認した後、反応液を室温まで放冷した。その後、反応液を3Lの水に徐々に加え、生成物を凝固させ、ろ過した。ろ過により得られた生成物をTHF(1.2L)で溶かし、トルエン(4
L)を加えた後、水層が中性になるまで食塩水により洗浄した。有機層を硫酸マグネシウ
ムにより乾燥させた後、エバポレーターにより溶媒を留去した。粗収量180gであった。80℃に加熱したトルエン1Lとメタノール20mlの混合溶媒を用いて再結晶単離操作を行い、白色固体の(III)を155g、収率87%で得た。
(2)スルホン化ポリアリーレンの合成
乾燥したN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)540mLを、3−(2,5−ジ
クロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.0g(336ミリモル)と、(合成例1)で合成した疎水性ユニット(I)40.7g(5.6ミリモル)、塩基性
ユニット(III)の2,5−ジクロロ−4’−(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン6.
71g(16.8ミリモル)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3ミリモル)、トリフェニルホスフィン35.9g(137ミリモル)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3ミリモル)、亜鉛53.7g(821ミリモル)の混合物中に窒素下で加えた。
In a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, a condenser tube, and a nitrogen inlet tube, 150.7 g (0.560 mol) of 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone, imidazole 114
. 4 g (1.68 mol), 100.6 g (0.728 mol) of potassium carbonate, and 840 ml of N, N′-dimethylacetamide were weighed. The reaction solution was heated at 110 ° C. for 2 hours using an oil bath in a nitrogen atmosphere. After confirming disappearance of the raw material by thin layer chromatography, the reaction solution was allowed to cool to room temperature. Thereafter, the reaction solution was gradually added to 3 L of water to coagulate the product and filtered. The product obtained by filtration was dissolved in THF (1.2 L), and toluene (4
After adding L), it was washed with brine until the aqueous layer was neutral. After the organic layer was dried with magnesium sulfate, the solvent was distilled off by an evaporator. The crude yield was 180 g. Recrystallization isolation operation was performed using a mixed solvent of 1 L of toluene heated to 80 ° C. and 20 ml of methanol to obtain 155 g of white solid (III) in a yield of 87%.
(2) Synthesis of sulfonated polyarylene 540 mL of dried N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added to 135.0 g (336 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate (Synthesis Example 1). ), 40.7 g (5.6 mmol) of the hydrophobic unit (I) synthesized with 2,5-dichloro-4 ′-(1-imidazolyl) benzophenone of the basic unit (III).
71 g (16.8 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 6.71 g (10.3 mmol), triphenylphosphine 35.9 g (137 mmol), sodium iodide 1.54 g (10.3 mmol), A mixture of 53.7 g (821 mmol) of zinc was added under nitrogen.

反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc730mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。   The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 730 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.

濾液の一部をメタノールに注ぎ、凝固させた。ネオペンチル基で保護されたスルホン酸誘導体からなる共重合体のGPCによる分子量は、Mn=58000、Mw=135,3
00であった。
A part of the filtrate was poured into methanol and solidified. The molecular weight by GPC of the copolymer comprising a sulfonic acid derivative protected with a neopentyl group is Mn = 58000, Mw = 135,3.
00.

前記濾液をエバポレーターで濃縮し、濾液に臭化リチウム43.8g(505モル)を加え、内温110℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン4Lに注ぎ、凝固した。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、1N塩酸1500mLで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄後、80℃で一晩乾燥し、目的のスルホン化ポリマー23.0gを得た。この脱保護後のスルホン化ポリマーの分子量は、Mn=60000、Mw=175000であった。このポリマーのイオン交換容量は2.4meq/gであった。得られたスルホン酸基を有するポリアリーレンは、構造式(IV)で表される化合物である。   The filtrate was concentrated with an evaporator, 43.8 g (505 mol) of lithium bromide was added to the filtrate, and the mixture was reacted at an internal temperature of 110 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 4 L of acetone and solidified. The coagulated product was collected by filtration, air-dried, pulverized with a mixer, and washed with 1500 mL of 1N hydrochloric acid while stirring. After filtration, the product was washed with ion-exchanged water until the pH of the washing solution reached 5 or higher, and then dried at 80 ° C. overnight to obtain 23.0 g of the target sulfonated polymer. The molecular weight of the sulfonated polymer after this deprotection was Mn = 60000 and Mw = 175000. The ion exchange capacity of this polymer was 2.4 meq / g. The obtained polyarylene having a sulfonic acid group is a compound represented by the structural formula (IV).

Figure 0005144023
Figure 0005144023

[実施例1〕
<電解質膜の調製>
攪拌子を入れた50mlのスクリュー管に、合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)を4.5g、N―メチル−2−ピロリドン15.3g、メタノール10.2gをとり、室温で4時間攪拌した。この溶液を、ペットフィルム上にドクターブレードを用いてキャストし、恒温槽を用いて、60℃で1時間、120℃で1時間乾燥し、溶媒を留去した。乾燥後、ペットフィルムから剥がし、厚さ50μmの高分子電解質膜を得た。以下の評価では、この膜を用い発電評価を行った。
[Example 1]
<Preparation of electrolyte membrane>
Into a 50 ml screw tube containing a stirrer, 4.5 g of the sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1 and 15.3 g of N-methyl-2-pyrrolidone and 10.2 g of methanol are taken at room temperature. Stir for 4 hours. This solution was cast on a pet film using a doctor blade, and dried at 60 ° C. for 1 hour and 120 ° C. for 1 hour using a thermostatic bath, and the solvent was distilled off. After drying, it was peeled off from the pet film to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm. In the following evaluation, power generation evaluation was performed using this film.

<アノード電極ペーストの調製>
50mLのポリボトルに直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:50重量%担持、田中貴金
属工業株式会社製)1.53g、蒸留水0.88g、n−プロピルアルコール12.47gおよびナフィオン(商品名、デュポン社製)の20.1wt%溶液4.59gを加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、アノード電極ペーストAを得た。
<Preparation of anode electrode paste>
In a 50 mL plastic bottle, 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.), 1.53 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 50 wt% supported, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) 88 g, 12.47 g of n-propyl alcohol and 4.59 g of a 20.1 wt% solution of Nafion (trade name, manufactured by DuPont) were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a paint shaker to obtain anode electrode paste A.

<カソード電極ペーストの調製>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(II)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)3.23g、N−メチル−
2−ピロリドン12.47g、ヘキサフルオロプロピレン及びヒドロキシエチルビニルエーテルを含む単量体を用いて製造された含フッ素共重合体Bのメチルエチルケトン溶液(固形分15重量%)0.8gからなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌
することにより、カソード電極ペーストBを得た。
<Preparation of cathode electrode paste>
Platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1.51 g in a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) , 0.88 g of distilled water, 3.23 g of N-methyl-2-pyrrolidone solution of polymer (II) of Synthesis Example 1 (solid content 15% by weight), N-methyl-
A mixture consisting of 12.47 g of 2-pyrrolidone and 0.8 g of a methyl ethyl ketone solution (solid content 15 wt%) of a fluorinated copolymer B produced using a monomer containing hexafluoropropylene and hydroxyethyl vinyl ether, Cathode electrode paste B was obtained by stirring for 60 minutes with a paint shaker.

<電極の製造>
上記の様に調製した高分子電解質膜の片面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて上記アノード電極ペーストAをドクターブレードにて塗布し、また上記アノード電極ペーストAを塗布していない面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて、ドクターブレードにてカソード電極ペーストBを塗布した。これを120℃で60分間乾燥することにより、アノード電極触媒層Aの白金塗布量が0.25mg/cm2、またカソ
ード電極触媒層Bの白金塗布量が0.5mg/cm2になるアノード電極触媒層Aとカソ
ード電極触媒層Bを形成した。
<Manufacture of electrodes>
The surface of the polymer electrolyte membrane prepared as described above is coated with the anode electrode paste A with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm, and the surface on which the anode electrode paste A is not coated Then, the cathode electrode paste B was applied with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm. By drying this at 120 ° C. for 60 minutes, an anode electrode catalyst layer A having a platinum coating amount of 0.25 mg / cm 2 and a cathode electrode catalyst layer B having a platinum coating amount of 0.5 mg / cm 2 is obtained. Catalyst layer A and cathode electrode catalyst layer B were formed.

<燃料電池の作製>
上記アノード電極触媒層Aとカソード電極触媒層Bが各面に形成された電解質膜を、それぞれのアノード電極触媒層Aとカソード電極触媒層Bに接するように2枚の撥水処理を施したカーボンペーパーで挟み、圧力30kg/cm2下、160℃×15minの条件
でホットプレス成形して、膜−電極接合体を作製した。得られた電極−膜接合体を2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の評
価用燃料電池を作製した。
<Fabrication of fuel cell>
Carbon obtained by subjecting the electrolyte membrane in which the anode electrode catalyst layer A and the cathode electrode catalyst layer B are formed on the respective surfaces to two water repellent treatments so as to be in contact with the anode electrode catalyst layer A and the cathode electrode catalyst layer B, respectively. The membrane-electrode assembly was produced by sandwiching with paper and hot press molding under the conditions of 160 ° C. × 15 min under a pressure of 30 kg / cm 2 . The obtained electrode-membrane assembly was sandwiched between two titanium current collectors, and a heater was placed on the outside thereof to produce a fuel cell for evaluation having an effective area of 25 cm 2 .

[実施例2]
<アノード電極ペーストの調製>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのガラス瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:50重量%担持、田中貴金属工業株式会社製)1.53g、蒸留水0.88g、合成例2のポリマー(II)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)3.23g、N−メチル−2−ピロリドン12.47gからなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、アノード電極ペーストCを得た。
[Example 2]
<Preparation of anode electrode paste>
In a 50 mL glass bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ ball” manufactured by Nikkato Co., Ltd.), 1.53 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 50 wt% supported, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) .88 g, 3.23 g of N-methyl-2-pyrrolidone solution of polymer (II) of Synthesis Example 2 (solid content 15% by weight), and 12.47 g of N-methyl-2-pyrrolidone were put in, and a paint shaker was used. Anode electrode paste C was obtained by stirring for 60 minutes.

<カソード電極ペーストの調製>
50mLのポリボトルに直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、n−プロピルアルコ
ール12.47gおよびナフィオン(商品名、デュポン社製)の20.1wt%溶液4.59gを加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、カソード電極ペーストDを得た。
<電極の製造>
上記のようにして得られたアノード電極ペーストCおよびカソード電極ペーストDを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、アノード電極触媒層Cおよびカソード電極触媒
層Dを形成した。
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極触媒層Cおよびカソード電極触媒層Dを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
<Preparation of cathode electrode paste>
Put 50g zirconia ball ("YTZ ball" manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25g into a 50mL plastic bottle, 1.51g of platinum-supported carbon particles (Pt: 46% by weight, "TEC10E50E" manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), distilled 0.88 g of water, 12.47 g of n-propyl alcohol and 4.59 g of a 20.1 wt% solution of Nafion (trade name, manufactured by DuPont) were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a paint shaker to obtain cathode electrode paste D It was.
<Manufacture of electrodes>
An anode electrode catalyst layer C and a cathode electrode catalyst layer D were formed in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode paste C and the cathode electrode paste D obtained as described above were used.
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode catalyst layer C and the cathode electrode catalyst layer D obtained as described above were used.

[実施例3]
<アノード電極ペーストの調製>
ナフィオン(商品名、デュポン社製)を使用し、実施例1と同様にしてアノード電極ペーストAを得た。
<カソード電極ペーストの調製>
合成例2で得られたスルホン化ポリアリーレン(IV)を使用したこと以外は、実施例1と同様にしてカソード電極ペーストEを得た。
<電極の製造>
上記のようにして得られたアノード電極ペーストA及びカソード電極ペーストEを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、アノード電極触媒層Eおよびカソード電極触媒層Fを形成した。
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極触媒層Aおよびカソード電極触媒層Eを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
[Example 3]
<Preparation of anode electrode paste>
An anode electrode paste A was obtained in the same manner as in Example 1 using Nafion (trade name, manufactured by DuPont).
<Preparation of cathode electrode paste>
A cathode electrode paste E was obtained in the same manner as in Example 1 except that the sulfonated polyarylene (IV) obtained in Synthesis Example 2 was used.
<Manufacture of electrodes>
An anode electrode catalyst layer E and a cathode electrode catalyst layer F were formed in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode paste A and the cathode electrode paste E obtained as described above were used.
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode catalyst layer A and the cathode electrode catalyst layer E obtained as described above were used.

[実施例4]
<アノード電極ペーストの調製>
合成例2で得られたスルホン化ポリアリーレン(IV)を使用したこと以外は、実施例2と同様にしてアノード電極ペーストFを得た。
<カソード電極ペーストの調製>
ナフィオン(商品名、デュポン社製)を使用したこと以外は、実施例2と同様にしてカソード電極ペーストDを得た。
<電極の製造>
上記のようにして得られたアノード電極ペーストF及びカソード電極ペーストDを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、アノード電極触媒層Fおよびカソード電極触媒層Dを形成した。
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極触媒層Fおよびカソード電極触媒層Dを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
[Example 4]
<Preparation of anode electrode paste>
An anode electrode paste F was obtained in the same manner as in Example 2 except that the sulfonated polyarylene (IV) obtained in Synthesis Example 2 was used.
<Preparation of cathode electrode paste>
A cathode electrode paste D was obtained in the same manner as in Example 2 except that Nafion (trade name, manufactured by DuPont) was used.
<Manufacture of electrodes>
An anode electrode catalyst layer F and a cathode electrode catalyst layer D were formed in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode paste F and the cathode electrode paste D obtained as described above were used.
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode catalyst layer F and the cathode electrode catalyst layer D obtained as described above were used.

[比較例1]
<アノード電極ペーストの調製>
ナフィオン(商品名、デュポン社製)を使用したこと以外は、実施例1と同様にしてアノード電極ペーストAを得た。
<カソード電極ペーストの調製>
ナフィオン(商品名、デュポン社製)を使用したこと以外は、実施例2と同様にしてカソード電極ペーストDを得た。
<電極の製造>
上記のようにして得られたアノード電極ペーストAおよびカソード電極ペーストDを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、アノード電極触媒層Aおよびカソード電極触媒層Dを形成した。
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極触媒層Aおよびカソード電極触媒層Dを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
[Comparative Example 1]
<Preparation of anode electrode paste>
An anode electrode paste A was obtained in the same manner as in Example 1 except that Nafion (trade name, manufactured by DuPont) was used.
<Preparation of cathode electrode paste>
A cathode electrode paste D was obtained in the same manner as in Example 2 except that Nafion (trade name, manufactured by DuPont) was used.
<Manufacture of electrodes>
An anode electrode catalyst layer A and a cathode electrode catalyst layer D were formed in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode paste A and the cathode electrode paste D obtained as described above were used.
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode catalyst layer A and the cathode electrode catalyst layer D obtained as described above were used.

[比較例2]
<アノード電極ペーストの調製>
実施例2と同様にしてアノード電極ペーストCを得た。
<カソード電極ペーストの調製>
実施例1と同様にしてカソード電極ペーストBを得た。
<電極の製造>
上記のようにして得られたアノード電極ペーストC及びカソード電極ペーストBを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、アノード電極触媒層Cおよびカソード電極触媒層Bを形成した。
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極触媒層Cおよびカソード電極触媒層Bを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
[Comparative Example 2]
<Preparation of anode electrode paste>
An anode electrode paste C was obtained in the same manner as in Example 2.
<Preparation of cathode electrode paste>
Cathode electrode paste B was obtained in the same manner as Example 1.
<Manufacture of electrodes>
An anode electrode catalyst layer C and a cathode electrode catalyst layer B were formed in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode paste C and the cathode electrode paste B obtained as described above were used.
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode catalyst layer C and the cathode electrode catalyst layer B obtained as described above were used.

[比較例3]
<アノード電極ペーストの調製>
実施例4と同様にしてアノード電極ペーストFを得た。
<カソード電極ペーストの調製>
実施例3と同様にしてカソード電極ペーストEを得た。
<電極の製造>
上記のようにして得られたアノード電極ペーストFおよびカソード電極ペーストEを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、アノード電極触媒層Fおよびカソード電極触媒層Eを形成した。
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極触媒層Fおよびカソード電極触媒層Eを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
[Comparative Example 3]
<Preparation of anode electrode paste>
An anode electrode paste F was obtained in the same manner as in Example 4.
<Preparation of cathode electrode paste>
Cathode electrode paste E was obtained in the same manner as Example 3.
<Manufacture of electrodes>
An anode electrode catalyst layer F and a cathode electrode catalyst layer E were formed in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode paste F and the cathode electrode paste E obtained as described above were used.
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode catalyst layer F and the cathode electrode catalyst layer E obtained as described above were used.

[評価]
実施例1〜4、比較例1〜3で得られた燃料電池の評価方法について示す。
[評価1]
温度を80℃に保ち、アノード極とカソード極を湿度40%RH及び80%RHの条件で、水素及び空気を2気圧(背圧0.2MPa一定の条件で)供給し、電流密度0.2A/
cm2及び0.8A/cm2での端子間電圧を測定した。結果を表1に示す。
[評価2]
評価1を測定後、燃料電池の温度を120℃に保ち、湿度40%RHの条件で、耐久評価を行った。水素及び空気を2気圧(背圧0.2MPa一定の条件で)供給し、電流密度
を0.2A/cm2に維持した時のときの端子間電圧が0.3V以下になるまでの時間を
測定した。結果を表2に示す。
[評価3]
評価2を測定後、評価1と同条件での電流密度0.2A/cm2及び0.8A/cm2での端子間電圧を測定した。結果を表3に示す。
[Evaluation]
It shows about the evaluation method of the fuel cell obtained in Examples 1-4 and Comparative Examples 1-3.
[Evaluation 1]
The temperature is maintained at 80 ° C., and the anode and cathode are supplied with 2 atmospheres of hydrogen and air (under a constant back pressure of 0.2 MPa) under conditions of humidity 40% RH and 80% RH, and a current density of 0.2 A. /
Terminal voltages at cm 2 and 0.8 A / cm 2 were measured. The results are shown in Table 1.
[Evaluation 2]
After measuring evaluation 1, the temperature of the fuel cell was kept at 120 ° C., and durability evaluation was performed under the condition of humidity 40% RH. Hydrogen and air are supplied at 2 atm (under a constant back pressure of 0.2 MPa), and the time until the terminal voltage becomes 0.3 V or less when the current density is maintained at 0.2 A / cm 2 is determined. It was measured. The results are shown in Table 2.
[Evaluation 3]
After measuring evaluation 2, the voltage between terminals was measured at current densities of 0.2 A / cm 2 and 0.8 A / cm 2 under the same conditions as evaluation 1. The results are shown in Table 3.

Figure 0005144023
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Figure 0005144023

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Figure 0005144023

上記のように、フッ素含量が0〜40重量%未満の高分子電解質を用いた電極と、フッ素含量が40重量%以上の高分子電解質を用いた電極を組み合わせた燃料電池は、両極同じ高分子電解質を用いたものに比べ、高湿条件と低湿条件いずれも良好な発電特性を示した。また、高温低加湿状態で連続耐久発電した場合、長時間電圧を保持でき、耐久後の特
性低下も抑制されていた。特に、アノード側にフッ素含量が0〜40重量%未満の高分子電解質、カソード側にフッ素含量が40重量%以上の高分子電解質を用いた膜‐電極接合体は、良好な発電特性と電圧保持性を示した。
As described above, a fuel cell in which an electrode using a polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight and an electrode using a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is the same polymer in both electrodes. Compared with the one using electrolyte, both high and low humidity conditions showed better power generation characteristics. In addition, when continuous durability power generation is performed in a high temperature and low humidity state, the voltage can be maintained for a long time, and the deterioration of characteristics after durability is suppressed. In particular, a membrane-electrode assembly using a polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight on the anode side and a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more on the cathode side has good power generation characteristics and voltage holding. Showed sex.

Claims (8)

高分子電解質膜とその両面に少なくとも触媒粒子及び高分子電解質を含むアノード電極触媒層、及び、少なくとも触媒粒子及び高分子電解質を含むカソード電極触媒層からなる電極−膜接合体であって、
アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層に用いる高分子電解質のどちらか一方が、高分子電解質中に含まれるフッ素原子の総重量の割合により規定されるフッ素含量が0〜40重量%未満の高分子電解質であり、他方がフッ素含量40重量%以上の高分子電解質であり、
フッ素含量0〜40重量%未満である高分子電解質が、ポリアリーレン主鎖骨格を有するプロトン酸基含有芳香族系ポリマーであることを特徴とする膜−電極接合体。
An electrode-membrane assembly comprising a polymer electrolyte membrane, an anode electrode catalyst layer containing at least catalyst particles and a polymer electrolyte on both sides thereof, and a cathode electrode catalyst layer containing at least catalyst particles and a polymer electrolyte,
Either one of the polymer electrolytes used for the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer is a polymer having a fluorine content defined by the proportion of the total weight of fluorine atoms contained in the polymer electrolyte of less than 0 to 40% by weight. An electrolyte, and the other is a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more,
A membrane-electrode assembly , wherein the polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is a protonic acid group-containing aromatic polymer having a polyarylene main chain skeleton .
高分子電解質膜とその両面に少なくとも触媒粒子及び高分子電解質を含むアノード電極触媒層、及び、少なくとも触媒粒子及び高分子電解質を含むカソード電極触媒層からなる電極−膜接合体であって、
アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層に用いる高分子電解質のどちらか一方が、高分子電解質中に含まれるフッ素原子の総重量の割合により規定されるフッ素含量が0〜40重量%未満の高分子電解質であり、他方がフッ素含量40重量%以上の高分子電解質であり、フッ素含量0〜40重量%未満である高分子電解質がカソード側電極触媒層に含まれ、フッ素含量40重量%以上の高分子電解質がアノード側電極触媒層に含まれ、フッ素含量0〜40重量%未満である高分子電解質が、ポリアリーレン主鎖骨格を有するプロトン酸基含有芳香族系ポリマーであることを特徴とする膜−電極接合体。
An electrode-membrane assembly comprising a polymer electrolyte membrane, an anode electrode catalyst layer containing at least catalyst particles and a polymer electrolyte on both sides thereof, and a cathode electrode catalyst layer containing at least catalyst particles and a polymer electrolyte,
Either one of the polymer electrolytes used for the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer is a polymer having a fluorine content defined by the proportion of the total weight of fluorine atoms contained in the polymer electrolyte of less than 0 to 40% by weight. An electrolyte, the other being a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more, and a polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight contained in the cathode-side electrode catalyst layer, and having a high fluorine content of 40% by weight or more. A membrane characterized in that a polymer electrolyte containing a molecular electrolyte in an anode side electrode catalyst layer and having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is a protonic acid group-containing aromatic polymer having a polyarylene main chain skeleton. An electrode assembly.
前記アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層に用いる高分子電解質のフッ素含量の差が20重量%以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the difference in fluorine content of the polymer electrolyte used for the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer is 20 wt% or more. 前記プロトン酸基含有芳香族系ポリマーが、下記一般式(1)で表される構造を含むスルホン酸基含有ポリアリーレンであることを特徴とする請求項1または3に記載の膜−電極接合体。
Figure 0005144023
[式(1)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−を示し、Zは、独立に直接結合、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH32−、−O−または−S−を示し、Arは、−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(pは1〜12の整数を示す。)で表される置換基を有する芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す。)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−または−S−を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部がハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基またはニトリル基を示し、sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。
Z'は直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Y'は、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、R20は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。
x、y、zは、x+y+z=100mol%とした場合のモル比を示す。]
The membrane-electrode assembly according to claim 1 or 3, wherein the protonic acid group-containing aromatic polymer is a sulfonic acid group-containing polyarylene having a structure represented by the following general formula (1). .
Figure 0005144023
[In the formula (1), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10). Or —C (CF 3 ) 2 —, Z is independently a direct bond, — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, — O— or —S— is represented, and Ar represents —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). The aromatic group which has a substituent represented by this is shown, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4.
A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10. ), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group. ), Cyclohexylidene group, fluorenylidene group, —O— or —S—, B is independently an oxygen atom or sulfur atom, and R 1 to R 16 are each independently hydrogen atom, fluorine atom, alkyl Group, a halogenated alkyl group, allyl group, aryl group, nitro group or nitrile group partially or wholly halogenated, s and t each represent an integer of 0 to 4, and r is 0 or 1 or more Indicates an integer.
Z ′ represents a direct bond or at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—, and Y ′ represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, It represents at least one structure selected from the group consisting of —COO—, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, and R 20 includes A nitrogen heterocyclic group is shown. q represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 4.
x, y, z represents a molar ratio when x + y + z = 100 mol%. ]
前記フッ素含量40重量%以上の高分子電解質が、モノマーとしてテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシビニルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種のパーフルオロオレフィンと、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Oq−(CF2)n−A(式中m=0〜3、n=0〜12、q=0または1、X=FまたはCF3、A=スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基もしくはリン酸基)で表され、かつ下記に示されるフルオロビニル化合物の少なくとも1種との共重合体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の膜−電極接合体。
CF2=CFO(CF2)1-8
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)1-8
CF2=CF(CF2)0-8
CF2=CF(OCF2CF(CF3))1-5O(CF2)2
The polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is at least one perfluoroolefin selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, chlorotrifluoroethylene, and perfluoroalkoxy vinyl ether as a monomer, and CF 2 = CF— (OCF 2 CFX) m —O q — (CF 2 ) n —A (where m = 0 to 3, n = 0 to 12, q = 0 or 1, X = F or CF 3 , A = sulfone 5. A copolymer with at least one of the following fluorovinyl compounds represented by an acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, or a phosphoric acid group): The membrane-electrode assembly according to claim 1.
CF 2 = CFO (CF 2 ) 1-8 A
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 1-8 A
CF 2 = CF (CF 2 ) 0-8 A
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) 1-5 O (CF 2 ) 2 A
フッ素含量0〜40重量%未満である高分子電解質がアノード側電極触媒中に含まれ、フッ素含量40重量%以上の高分子電解質がカソード側電極触媒中に含まれることを特徴とする請求項1に記載の膜−電極接合体。   2. A polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to less than 40% by weight is contained in the anode side electrode catalyst, and a polymer electrolyte having a fluorine content of 40% by weight or more is contained in the cathode side electrode catalyst. 2. The membrane-electrode assembly according to 1. 前記フッ素含量0〜40重量%未満の高分子電解質は、撥水剤を含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the polymer electrolyte having a fluorine content of less than 0 to 40% by weight contains a water repellent. 前記撥水剤が、
(A)ポリフルオロアルキル基を含有する(メタ)アクリレート由来の構造単位を有する含フッ素共重合体、および、
(B)フッ素含有オレフィン系単量体由来の下記一般式(2)で表される構造単位と、ビニルエーテル系単量体由来の下記一般式(3)で表される構造単位とを有する含フッ素共重合体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項7に記載の膜−電極接合体。
Figure 0005144023
[式(2)中、X1はフッ素原子、フルオロアルキル基または−OW1で表される基(W1
はアルキル基またはフルオロアルキル基を示す。)を示す。]
Figure 0005144023
[式(3)中、X2は水素原子またはメチル基を示し、X3は−(CH2hOW2で表される基(W2はアルキル基、ヒドロキシアルキル基、グリシジル基またはフルオロアルキル基を示し、hは0〜2の整数を示す。)、−OCOW3で表される基(W3はアルキル基、ヒドロキシアルキル基またはグリシジル基を示す。)、カルボキシル基またはアルコキシカルボニル基を示す。]
The water repellent is
(A) a fluorine-containing copolymer having a structural unit derived from (meth) acrylate containing a polyfluoroalkyl group, and
(B) Fluorine-containing compound having a structural unit represented by the following general formula (2) derived from a fluorine-containing olefin monomer and a structural unit represented by the following general formula (3) derived from a vinyl ether monomer. The membrane-electrode assembly according to claim 7, comprising at least one selected from the group consisting of copolymers.
Figure 0005144023
[In Formula (2), X 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OW 1 (W 1
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group. ). ]
Figure 0005144023
[In the formula (3), X 2 represents a hydrogen atom or a methyl group, and X 3 represents a group represented by — (CH 2 ) h OW 2 (W 2 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group, a glycidyl group or a fluoroalkyl group. H represents an integer of 0 to 2), a group represented by -OCOW 3 (W 3 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group or a glycidyl group), a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group. . ]
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