JP5188387B2 - 触媒層及びその製法並びに該触媒層を使用した膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明の触媒層は反応効率に優れる。このような構造を有する触媒層は、ブロック共重合体のイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)が連続相をなすため、電極反応サイトとなる三相界面の形成に必要なイオン経路を確保し、また、触媒粒子とブロック共重合体との接触部分にイオン伝導性基を有する相を備えるために、効率良く三相界面を形成することができる。また、イオン伝導性バインダーとしてイオン伝導性基を有さない重合体ブロック(B)があることで、触媒層の耐水性が高まり、発電中の反応ガスに含まれる湿分や酸素極の生成水等により、イオン伝導性バインダー自体が電池系外に徐々に溶出し、電極が劣化することを防止することができる。
また、重合体ブロック(B)がゴム状重合体ブロック(B1)であることが好ましい。ゴム状重合体ブロックは、フレキシブルな構造であることによってブロック共重合体が全体として弾力性を帯び、かつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。
重合体ブロック(B)は、また、重合体ブロック(B1)、及び重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B1)と相分離する構造保持性重合体ブロック(B2)からなるのが好ましい。重合体ブロック(B2)を加えることによって膜−電極接合体の構造破壊や相分離構造の破壊の可能性を低減することができる。
重合体ブロック(B2)を用いた場合、イオン伝導性バインダーの膨潤が抑制され、発電中のイオン伝導性バインダーの膨潤による反応物の拡散阻害を低減することができ、また、発電中のイオン伝導性バインダーの膨潤により膜−電極接合体の構造が破壊される可能性を低減することができる。また、ブロック共重合体を分散させた水系分散液と触媒粒子との混合液から水系分散媒を除去して触媒層を形成する工程において、分散液中で形成されていたイオン伝導体の相分離構造が破壊される可能性を、重合体ブロック(B2)によって、低減することができる。
上記式において多価の基はブロック共重合体間又はブロック共重合体内で重合体ブロック(A)同士を結合する。
イオン伝導性基の導入量は、得られるブロック共重合体の要求性能等によって適宜選択されるが、固体高分子型燃料電池用のイオン伝導性バインダーとして使用するのに十分なイオン伝導性を発現するためには、通常、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上となるような量であることが好ましく、0.40meq/g以上となるような量であることがより好ましい。ブロック共重合体のイオン交換容量の上限については特に制限はないが、通常、3meq/g以下であるのが好ましい。
本発明で使用するイオン伝導性体は、本発明の効果を損わない限り、各種添加剤、例えば、軟化剤、安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤、カーボン繊維、無機充填剤等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していてもよい。
安定剤はフェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤等を包含し、具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2,−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス{2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。これら安定剤は各単独で用いても、2種以上組み合わせても用いてもよい。無機充填剤の具体例としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。
本発明で使用するイオン伝導性バインダーにおけるブロック共重合体の含有量は、イオン伝導性の観点から、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがより一層好ましい。
なお、本発明における触媒層に占める触媒粒子とイオン伝導性バインダーとの合計は、触媒粒子とイオン伝導性バインダーとの接触面積を確保し、高い電極反応効率を得る観点から90質量%以上であるのが好ましく、95質量%以上であるのがより好ましい。
これらの界面活性剤は単独でもしくは2種以上組み合わせて用いることができる。
上記膜−電極接合体を使用した本発明の燃料電池は、電極反応効率に優れるので、電池効率を向上させるか、あるいは電極に使用する貴金属触媒の使用量を低減させることができる。また、該燃料電池は化学的安定性に優れ、経時的な発電特性の低下が少なく、長時間安定して使用できる。
ポリα−メチルスチレン(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
既報の方法(WO 02/40611号)と同様の方法で、ポリα−メチルスチレン−b−ポリブタジエン−b−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体(以下mSEBmSと略記する)を合成した。得られたmSEBmSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は76000であり、1H−NMR測定から求めた1,4−結合量は55%、α−メチルスチレン単位の含有量は30.0質量%であった。また、ポリブタジエンブロック中には、α−メチルスチレンが実質的に共重合されていないことが、1H−NMRスペクトル測定による組成分析により判明した。
合成したmSEBmSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において80℃で5時間水素添加反応を行い、ポリα−メチルスチレン−b−水添ポリブタジエン−b−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体(以下HmSEBmSと略記する)を得た。得られたHmSEBmSの水素添加率を1H−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.6%であった。
ポリスチレン(重合体ブロック(A))、水添ポリイソプレン(重合体ブロック(B1))及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(B2))からなるブロック共重合体の製造
既報の方法(特開2006−49002号公報)と同様の方法で、1000mLナスフラスコに、脱水シクロヘキサン568ml及びsec−ブチルリチウム(1.3M−シクロヘキサン溶液)1.14mlを仕込んだ後、スチレン4.27ml、4−tert−ブチルスチレン53.3ml、イソプレン66.4ml、4−tert−ブチルスチレン52.6ml及びスチレン9.30mlを逐次添加し、60℃で重合させ、ポリスチレン−b−(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン(以下、StBSItBSSと略記する)を合成した。得られたStBSItBSSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は167471であり、1H−NMR測定から求めた1,4−結合量は93.5%、スチレン単位の含有量は9.6質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は62.2質量%であった。
合成したStBSItBSSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において50℃で12時間水素添加反応を行い、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン(以下、StBSEPtBSSと略記する)を得た。得られたStBSEPtBSSの水素添加率を1H−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.9%であった。
(1)スルホン化HmSEBmSの合成
塩化メチレン99.0ml中、0℃にて無水酢酸49.5mlと硫酸22.1mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例1で得られたブロック共重合体HmSEBmS100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン1000mlを加え、35℃にて4時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて6時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化HmSEBmSのイオン交換容量は1.73meq/gであった。イオン交換容量の測定は以下の手順により行った。
イオン交換容量の測定
試料を密閉できるガラス容器中に秤量(a(g))し、そこに過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を、フェノールフタレイン液を指示薬とし、0.01NのNaOH標準水溶液(力価f)にて滴定(b(ml))した。イオン交換容量は、次式により求めた。イオン交換容量=(0.01×b×f)/a
5質量%のスルホン化HmSEBmS溶液(トルエン/イソブチルアルコール=7/3)を調製し、次いで、ホモジナイザー(エム・テクニック株式会社製CLEARMIX)を用いて5000r.p.m.で攪拌しながら水を0.5ml/minの速度で添加した。液粘度が上昇して攪拌が困難になった時点で回転数を7000r.p.m.にし、同時に水の添加速度を5ml/minとしたところでポリマー溶液が懸濁した。エバポレーターを用いて溶剤を除去し、最終的に5質量%の水分散液を作製した。得られた水分散液中のスルホン化HmSEBmSの平均粒径は約10μmであった。
(3)(2)で得られた水分散液を高圧ホモジナイザー(吉田機械興業株式会社製Nanomizer mark II)で処理することで、平均粒径が約100nmである、スルホン化HmSEBmSの水分散液を得た。
実施例1(3)で得られた分散液と触媒とn−プロピルアルコールとを混合し、均一に分散された触媒ペーストを調製し、次いでこのペーストを東レ社製のカーボンペーパーの片面に均一に塗布し、常温で数時間放置した後、60℃で30分乾燥させることでアノードを作製した。アノード用触媒には田中貴金属工業社製のPt−Ru担持カーボン(TEC61E54、Pt:Ru:カーボン=30:23:47)を使用した。作製したアノードは、Pt 1.00mg/cm2、ブロック共重合体/触媒金属=0.49(質量比)であった。
(5)カソードの作製
デュポン社製のNafion(DE1021、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子)水分散液と触媒とn−プロピルアルコールとを混合し、均一に分散された触媒ペーストを調製し、次いでこのペーストを撥水処理した東レ社製のカーボンペーパーの片面に均一に塗布し、常温で数時間放置した後、115℃で30分乾燥させることでカソードを作製した。カソード用触媒には田中貴金属工業社製のPt担持カーボン(TEC10E50E、Pt:カーボン=47:53)を使用した。作製したカソードは、Pt 1.02mg/cm2、Nafion/触媒金属=0.85(質量比)であった。
(6)膜−電極接合体の作製
デュポン社製のNafion117(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、膜厚は175μm、9cm角)、実施例1(4)で得られたアノード(5cm角)、実施例1(5)で得られたカソード(5cm角)を張り合わせることで膜−電極接合体を作製した。
(1)スルホン化StBSEPtBSSの合成
実施例1(1)と同様の方法で、スルホン化StBSEPtBSSを合成した。具体的には先ず、塩化メチレン29.6ml中、0℃にて無水酢酸14.8mlと硫酸6.62mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例2で得られたブロック共重合体StBSEPtBSS20gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン262mlを加え、常温にて4時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。常温にて48時間攪拌後、塩化メチレン50mlを加えて重合体溶液を希釈した。2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化StBSEPtBSSの合成を得た。得られたスルホン化StBSEPtBSSのイオン交換容量は0.86meq/gであった。
5質量%のスルホン化StBSEPtBSS溶液(トルエン/イソブチルアルコール=8/2)を調製し、次いで、薄膜旋回型高速ホモジナイザー(プライミクス社製 フィルミックス)に周速30m/sで攪拌しながらポリマー溶液を70ml/min、水を80ml/minの速度で添加し、転相乳化させた。エバポレーターを用いて溶剤を除去し、5質量%の水分散液を作製した。得られた水分散液中のスルホン化HStBSEPtBSSの平均粒径は約7.0μmであった。
(3)(2)で得られた水分散液を高圧ホモジナイザー(吉田機械興業株式会社製Nanomizer mark II)で処理することで、平均粒径が約53nmである、スルホン化StBSEPtBSSの水分散液を得た。
実施例2(3)で得られた分散液を用いる以外は実施例1(4)と同様にしてアノードを作製した。作製したアノードは、Pt 1.00mg/cm2、ブロック共重合体/触媒金属=0.89(質量比)であった。
(5)膜−電極接合体の作製
実施例2の(4)で得られたアノードを用いる以外は実施例1(6)と同様にして膜−電極接合体を作製した。
(1)アノードの作製
デュポン社製のNafion(DE1021、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子)水分散液と触媒とn−プロピルアルコールとを混合し、均一に分散された触媒ペーストを調製し、次いでこのペーストを東レ社製のカーボンペーパーの片面に均一に塗布し、常温で数時間放置した後、115℃で30分乾燥させることでアノードを作製した。アノード用触媒には田中貴金属工業社製のPt−Ru担持カーボン(TEC61E54、Pt:Ru:カーボン=30:23:47)を使用した。作製したアノードは、Pt 1.00mg/cm2、Nafion/触媒金属=0.89(質量比)であった。
(2)カソードの作製
実施例2(3)で得られた分散液と触媒とn−プロピルアルコールとを混合し、均一に分散された触媒ペーストを調製し、次いでこのペーストを撥水処理した東レ社製のカーボンペーパーの片面に均一に塗布し、常温で数時間放置した後、60℃で30分乾燥させることでカソードを作製した。カソード用触媒には田中貴金属工業社製のPt担持カーボン(TEC10E50E、Pt:カーボン=47:53)を使用した。作製したカソードは、Pt 1.00mg/cm2、ブロック共重合体/触媒金属=0.49(質量比)であった。
(3)膜−電極接合体の作製
デュポン社製のNafion212(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、膜厚は50μm、9cm角)と、実施例3(1)で得られたアノード(5cm角)、実施例3(2)で得られたカソード(5cm角)を張り合わせることで膜−電極接合体を作製した。
(1)アノードの作製
実施例1(2)で得られたスルホン化HmSEBmSの水分散液(平均粒径は約10μm)を用いて、実施例1の(4)と同様の方法にてアノードを作製した。作製したアノードは、Pt 1.04mg/cm2、ブロック共重合体/触媒金属=0.50(質量比)であった。
(2)膜−電極接合体の作製
比較例1(2)で得られたアノードを用いる以外は実施例1(6)と同様にして膜−電極接合体を作製した。
(1)アノードの作製
実施例1(1)で得られたスルホン化HmSEBmSをTHFに溶解することで作製した、スルホン化HmSEBmSの均一溶液を実施例1(4)の分散液の代りに用いた以外は実施例1(4)と同様の方法にてアノードを作製した。作製したアノードは、Pt 1.02mg/cm2、ブロック共重合体/触媒金属=0.50(質量比)であった。
(2)膜−電極接合体の作製
比較例2(1)で得られたアノードを用いる以外は実施例1(6)と同様にして膜−電極接合体を作製した。
(1)アノードの作製
実施例2(1)で得られたスルホン化StBSEPtBSSをTHFに溶解することで作製した、スルホン化StBSEPtBSSの均一溶液を実施例1(4)の分散液の代りに用いた以外は実施例1(4)と同様の方法にてアノードを作製した。作製したアノードは、Pt 1.00mg/cm2、ブロック共重合体/触媒金属=0.89(質量比)であった。
(2)膜−電極接合体の作製
比較例3(1)で得られたアノードを用いる以外は実施例1(6)と同様にして膜−電極接合体を作製した。
(1)カソードの作製
実施例2(1)で得られたスルホン化StBSEPtBSSをTHFに溶解することで作製した、スルホン化StBSEPtBSSの均一溶液を実施例3(2)の分散液の代りに用いた以外は実施例3(2)と同様の方法にてカソードを作製した。作製したカソードは、Pt 1.00mg/cm2、ブロック共重合体:触媒金属=0.51(質量比)であった。
(2)膜−電極接合体の作製
比較例4(1)で得られたカソードを用いる以外は実施例3(3)と同様にして膜−電極接合体を作製した。
(1)平均粒子11μmの乳化液の作製
メタクリレート系反応性乳化剤(三洋化成工業社製のエミノール RS−30)11.2g、トリメチロールプロパントリアクリレート(架橋剤)0.8g及び炭酸ナトリウム(安定化剤)0.730gを水146.4gに懸濁させ、2.0%過硫酸カリウム水溶液1.0gを窒素雰囲気で添加した後、80℃に昇温し、3時間攪拌することで平均粒子径が11μmである乳化液を得た。
(2)アノードの作製
比較例5(1)で得られた乳化液と触媒とを混合し、均一に分散された触媒ペーストを調製し、次いでこのペーストを東レ社製のカーボンペーパーの片面に均一に塗布し、常温で数時間放置した後、60℃で30分乾燥させ、次いで、1N−硫酸に室温で24時間浸漬することでプロトン交換型にイオン交換させた。アノード用触媒には田中貴金属工業社製のPt−Ru担持カーボン(TEC61E54、Pt:Ru:カーボン=30:23:47)を使用した。作製したアノードは、Pt 1.00mg/cm2、ブロック共重合体/触媒金属=0.90(質量比)であった。
(3)膜−電極接合体の作製
比較例5(2)で得られたアノードを用いる以外は実施例1(6)と同様にして膜−電極接合体を作製した。
1)燃料電池単セル出力性能評価(アノード)
実施例1、実施例2及び比較例1〜3で作製した膜−電極接合体のそれぞれを、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で順に挟み固体高分子型燃料電池用単セルを作製した。なお、それぞれの膜−電極接合体とセパレータとの間には、電極の厚さ分の段差からのガス漏れを防ぐために、ガスケットを配した。燃料には5mol/LのMeOH水溶液を用い、酸化剤には60℃のバブラにて加湿した酸素を用いた。試験条件は、アノード流量:1ml/min、カソード流量:250ml/min、セル温度60℃とし、電流−電圧特性を評価した。
2)燃料電池単セル出力性能評価(カソード)
実施例3、及び比較例4で作製した膜−電極接合体のそれぞれを、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で順に挟み固体高分子型燃料電池用単セルを作製した。なお、それぞれの膜−電極接合体とセパレータとの間には、電極の厚さ分の段差からのガス漏れを防ぐために、ガスケットを配した。燃料には60℃のバブラにて加湿した水素を用い、酸化剤には60℃のバブラにて加湿した空気を用いた。試験条件は、アノード流量:261ml/min、カソード流量:250ml/min、セル温度60℃とし、電流−電圧特性を評価した。
実施例1(4)で得られたアノードの触媒層の電子顕微鏡写真を図2に示す。触媒層中のブロック共重合体はイオン伝導性基を有する相がシェル層であり、イオン伝導性基を有さない相がコア相であるコアシェル構造を形成している。コアシェル構造のシェル相は連続的なイオン経路を形成し、また、該イオン経路と触媒粒子と空隙(空隙率10%)とが界面を形成し、電極反応サイトとなる三相界面を形成している構造が明確に示された。図3に示した実施例2(1)で得られたアノードについても同様に、ブロック共重合体はコアシェル構造を形成し、また、イオン経路と触媒粒子と空隙(空隙率15%)とが三相界面を形成していることが明確に示された。なお、触媒層中の空隙率は任意の5箇所における電子顕微鏡写真の空隙率を平均して算出した。一方、図4に示した比較例1で作製したアノードの触媒層については、ブロック共重合体の相分離構造は確認できるが、イオン伝導性基を有する相の連続性がなくイオン経路の形成効率が悪く、また、イオン伝導性バインダーと触媒粒子との接触部分は、イオン伝導性基を含む相とイオン伝導性基を含まない相のどちらの相にも被覆されており、三相界面の形成効率が悪い。図5に示す比較例2で作製したアノードの触媒層については、イオン伝導性バインダーとしてのブロック共重合体の相分離構造が得られず、イオン経路の形成効率が悪い。
実施例1、実施例2、及び比較例1〜3及び5で作製した膜−電極接合体について、固体高分子型燃料電池用単セルの出力性能評価試験の結果を表1に示す。実施例1と比較例1との比較から、本発明の電極触媒層は、分散液中のブロック共重合体の粒子径が10μの分散液から作製した電極に比して、電池出力が高く、電池反応効率が向上することが明確となった。また、実施例1と比較例2との比較及び実施例2と比較例3との比較から、本発明の電極は、ブロック共重合体の溶液を使用して作製した電極触媒層に比して、電池出力が高く、電池反応効率が向上することが明確となり、本発明の電極構造の優位性が証明された。また、比較例5において、特開2003−123771号公報において開示されている電解質微粒子と類似の架橋微粒子をイオン伝導性バインダーとして用いた結果、本発明のイオンチャンネルが制御された構造に比して性能が低いことが確認され、本発明の優位性が示された。
実施例3及び比較例4で作製した膜−電極接合体について、固体高分子型燃料電池用単セルの出力性能評価試験の結果を表2に示す。実施例3と比較例4との比較から、本発明の電極は、ブロック共重合体の溶液を使用して作製した電極触媒層に比して、電池出力が高く、電池反応効率が向上することがカソードについても明確となり、本発明の電極構造の優位性が証明された。
実施例1〜3及び比較例1〜4で作製した膜−電極接合体について、固体高分子型燃料電池用単セルの発電特性として、電流密度に対する電圧の変化を測定した。電流−電圧特性を図6〜図12に示す。
2、6、10及び14 イオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)
3、7、11及び15 イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(B)
4、8、12、16及び18 空隙
Claims (13)
- 高分子電解質膜と、この高分子電解質膜に該膜を挟んで接合されている2つのガス拡散電極とからなる、固体高分子型燃料電池用の膜−電極接合体において、各ガス拡散電極は触媒層とガス拡散層から構成され、その触媒層は触媒粒子とイオン伝導性バインダーから主として構成されるが、その少なくとも一方の触媒層として用い得る触媒層であって、イオン伝導性バインダーがイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)とイオン伝導性基を有さない重合体ブロック(B)からなり、両ブロックが互いに相分離するブロック共重合体であって、粒子径が1μm以下である該ブロック共重合体から主としてなり、該ブロック共重合体が、重合体ブロック(B)が内側に配向し、重合体ブロック(A)が外側に配向したコアシェル構造を取り、重合体ブロック(A)が連続相をなし、かつ、ブロック共重合体と触媒粒子との接触部分がイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)からなる該触媒層。
- 重合体ブロック(A)を構成する繰返し単位が芳香族ビニル系化合物単位である請求項1記載の触媒層。
- 芳香族ビニル系化合物がスチレン、α−メチルスチレン及びベンゼン環に結合した水素原子が1〜3個の炭素数1〜4のアルキル基で置換されたスチレンから選ばれる請求項2記載の触媒層。
- 重合体ブロック(B)がゴム状重合体ブロック(B1)からなる請求項1記載の触媒層。
- 重合体ブロック(B1)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素-炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種を繰り返し単位とする重合体ブロックである請求項4記載の触媒層。
- 重合体ブロック(B)が重合体ブロック(B1)、及び重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B1)と相分離する構造保持性重合体ブロック(B2)からなる請求項1記載の触媒層。
- 重合体ブロック(B2)を構成する繰返し単位が芳香族ビニル系化合物単位である請求項6記載の触媒層。
- ブロック共重合体が、重合体ブロック(B1)を中心にして、その両側に重合体ブロック(B2)を配し、さらに重合体ブロック(B2)の両外側に重合体ブロック(A)を配した構造を有する請求項6記載の触媒層。
- イオン伝導性基が、スルホン酸基及びホスホン酸基並びにそれらのアルカリ金属塩及びアンモニウム塩から選ばれるカチオン伝導性基である請求項1記載の触媒層。
- 触媒粒子間の空間の1〜90%が空隙である請求項1記載の触媒層。
- 該ブロック共重合体及び必要に応じて添加剤を水系分散媒に該共重合体の粒子径が1μm以下になるように分散させた分散液と触媒粒子及び必要に応じて撥水剤とを混合し、水系分散媒を除去することを特徴とする請求項1記載の触媒層の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の触媒層を使用した膜-電極接合体。
- 請求項12記載の膜-電極接合体を使用した固体高分子型燃料電池。
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