JP5374094B2 - Electrode paste and method for producing the same, electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode which can be simply manufactured and has an excellent binding property, excellent water repellency, excellent water resistance and excellent methanol resistance, and to provide a paste for an electrode suitable for manufacture of the electrode. <P>SOLUTION: A method of manufacturing the paste for electrode has a process of blending, mixing and kneading an electron transportable material supporting a catalyst, a bridging compound (X) having a silicon-oxygen bond, a polymer material (Y) having an acid group and an aqueous dispersion (Z) including a fluorine-based resin which is fiberized by adding shearing force to fiberize the fluorine-based resin. The paste for electrode manufactured by the manufacturing method, the electrode using such the paste for electrode, a membrane-electrode assembly arranging such the electrode on both surfaces of the electrolyte membrane, and a fuel cell having such the membrane-electrode assembly, are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、燃料電池への使用に好適な電極用ペーストとその製造方法、該ペーストを使用した電極、該電極を使用した膜−電極接合体及び燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrode paste suitable for use in a fuel cell and a method for producing the same, an electrode using the paste, a membrane-electrode assembly using the electrode, and a fuel cell.

燃料電池は、それを構成する電解質の種類により分類される。例えば、電解質がカチオン交換膜やアニオン交換膜等の固体高分子で構成される燃料電池は、固体高分子型燃料電池(以下、「PEFC」と略記する)と呼ばれる。
一般的に、燃料電池の電極は、白金等の触媒を担持させたカーボン粉末と、酸基を有する高分子材料とから構成されている。現在の主流は、高分子材料としてスルホン化フッ素系樹脂(例えば、DuPont社製、Nafion(登録商標))を使用したものであるが、近年では、それ以外の高分子材料(例えば、炭化水素系、有機ケイ素化合物系)を使用したものも盛んに開発されている。
Fuel cells are classified according to the type of electrolyte constituting them. For example, a fuel cell whose electrolyte is composed of a solid polymer such as a cation exchange membrane or an anion exchange membrane is called a solid polymer fuel cell (hereinafter abbreviated as “PEFC”).
In general, an electrode of a fuel cell is composed of carbon powder carrying a catalyst such as platinum and a polymer material having an acid group. The current mainstream uses a sulfonated fluororesin (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) as a polymer material, but in recent years, other polymer materials (for example, hydrocarbon-based materials). The one using an organic silicon compound system) has been actively developed.

例えば、スルホン化フッ素系樹脂を使用した電極は、一般的に、該樹脂をアルコール等の極性溶媒に溶解させた溶液を電極用バインダとし、これに白金等の触媒を担持させたカーボン粉末を混合して、得られた混合物をカーボンペーパー等のガス拡散層上に塗布し、加熱プレスすることによって製造される。
このようにして製造された電極は、スルホン酸基の凝集によりイオンチャネルが形成され、高いプロトン伝導性を有する。しかし、Tg130℃以上においては短時間で変性するなど、高温耐久性に乏しく、さらに燃料として使用するメタノールと樹脂との親和性が高いために、膨潤するという問題点があった。
For example, an electrode using a sulfonated fluororesin generally has a solution obtained by dissolving the resin in a polar solvent such as alcohol as an electrode binder, and this is mixed with carbon powder carrying a catalyst such as platinum. Then, the obtained mixture is applied on a gas diffusion layer such as carbon paper and heated and pressed.
The electrode thus produced has an ion channel formed by aggregation of sulfonic acid groups, and has high proton conductivity. However, at Tg of 130 ° C. or higher, there is a problem of swelling due to poor high-temperature durability such as denaturation in a short time and a high affinity between methanol and resin used as fuel.

一方、有機ケイ素化合物系の高分子材料を使用した電極は、ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物と、酸基を有する高分子材料とを含有する電極用バインダを作製し、これに白金等の触媒を担持させたカーボン粉末と、結着剤及び撥水剤として機能するポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂とを混合して、得られた混合物をカーボンペーパー等のガス拡散層上に塗布し、加熱プレスすることによって製造される。
このようにして製造された電極は、高温耐久性に優れ、メタノールによる膨潤が抑制されたものである。しかし、導電性高分子材料に対して結着性や撥水性を有していない場合が多く、PTFE等の結着成分を必要とし、しかも十分な結着性や撥水性を発現させるためには、多量のPTFEを必要とするという問題点があった。
On the other hand, an electrode using an organic silicon compound-based polymer material is prepared by preparing a binder for an electrode containing a crosslinkable compound having a silicon-oxygen bond and a polymer material having an acid group, and platinum or the like. The carbon powder carrying the catalyst and a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) functioning as a binder and water repellent are mixed, and the resulting mixture is placed on a gas diffusion layer such as carbon paper. It is manufactured by applying and hot pressing.
The electrode produced in this way is excellent in high temperature durability and suppressed swelling due to methanol. However, there are many cases where the conductive polymer material does not have binding properties and water repellency, and a binding component such as PTFE is required, and in addition, sufficient binding properties and water repellency can be expressed. There is a problem that a large amount of PTFE is required.

そこで、このような結着性や撥水性の問題を解決するために、高分子材料として、せん断によって繊維化する特性を有するフッ素系樹脂を使用することが提案されている。例えば、特許文献1では、カーボン粉末、白金触媒及びPTFEからなる混合物に、混練助剤として流動パラフィン、液状ポリエチレングリコール等を添加し、これを混練することによりPTFEをせん断する技術が開示されている。
特公平6−97612号公報
Therefore, in order to solve such problems of binding properties and water repellency, it has been proposed to use a fluorine-based resin having a property of becoming a fiber by shearing as a polymer material. For example, Patent Document 1 discloses a technique for shearing PTFE by adding liquid paraffin, liquid polyethylene glycol or the like as a kneading aid to a mixture composed of carbon powder, a platinum catalyst and PTFE, and kneading the mixture. .
Japanese Patent Publication No. 6-97612

しかし、特許文献1で開示されている方法では、混練物をシート化した後、これをイオン交換樹脂で処理する必要がある。そのため、製造工程が煩雑であり、プロセスの効率上不利であるという問題点があった。また、特許文献1では、電極の耐水性及び耐メタノール性については言及されていない。   However, in the method disclosed in Patent Document 1, it is necessary to process the kneaded product with an ion exchange resin after forming the sheet into a sheet. For this reason, the manufacturing process is complicated and disadvantageous in terms of process efficiency. Patent Document 1 does not mention water resistance and methanol resistance of the electrode.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡便に製造でき、優れた結着性、撥水性、耐水性及び耐メタノール性を有する電極、及び該電極の製造に好適な電極用ペーストを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an electrode having excellent binding properties, water repellency, water resistance and methanol resistance, and an electrode paste suitable for the production of the electrode, which can be easily manufactured. The issue is to provide.

上記課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、触媒を担持した電子伝達性物質と、ケイ素−酸素結合による3次元架橋構造体を形成する架橋性化合物(X)と、酸基としてスルホン酸基を有する高分子材料(Y)と、せん断力の印加により繊維化するフッ素系樹脂であるポリテトラフルオロエチレンを含む水分散体(Z)と、を配合して混練し、前記フッ素系樹脂を繊維化させる工程を有することを特徴とする電極用ペーストの製造方法である。
請求項にかかる発明は、前記高分子材料が、スルホン酸基を含むモノマーと、スルホン酸基を含まず且つケイ素原子を含むモノマーとからなることを特徴とする請求項1記載の電極用ペーストの製造方法である。
請求項にかかる発明は、前記高分子材料が、重合性不飽和二重結合を有するモノマーを重合させて得られたスルホン酸基含有高分子を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の電極用ペーストの製造方法である。
請求項4にかかる発明は、前記架橋性化合物が、1,2−ビス(トリエトキシシリル)エタン、1,6−ビス(トリメトキシシリル)ヘキサン、1,9−ビス(トリエトキシシリル)ノナン、1,8−ビス(トリエトキシシリル)オクタン、1,8−ビス(ジエトキシメチルシリル)オクタン、1,4−ビス(トリメトキシシリルエチル)ベンゼン、1,4−ビス(トリエトキシシリルエチル)ベンゼン、1,8−ビス(メチルジエトキシシリル)オクタン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、i−プロピルトリメトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン、ケイ酸、ケイ酸カリウム及びケイ酸ナトリウムからなる群から選択される何れか1以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の電極用ペーストの製造方法である。
請求項5にかかる発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法で製造されたことを特徴とする電極用ペーストである。
請求項6にかかる発明は、請求項5に記載の電極用ペーストを使用したことを特徴とする電極である。
請求項7にかかる発明は、請求項6に記載の電極が、電解質膜の両面に配置されてなることを特徴とする膜−電極接合体である。
請求項8にかかる発明は、請求項7に記載の膜−電極接合体を備えたことを特徴とする燃料電池である。
To solve the above problem,
The invention according to claim 1 is a polymer material having a catalyst-supporting electron-transmitting substance, a crosslinkable compound (X) forming a three-dimensional crosslinked structure by a silicon-oxygen bond, and a sulfonic acid group as an acid group (Y) and an aqueous dispersion (Z) containing polytetrafluoroethylene , which is a fluororesin that is fiberized by application of a shearing force , are kneaded and kneaded to fiberize the fluororesin. This is a method for producing an electrode paste.
The invention according to claim 2, wherein the polymeric material is a monomer containing a sulfonic acid group, electrode according to claim 1, characterized in that it consists of a monomer and containing a silicon atom does not contain a sulfonic acid group It is a manufacturing method of a paste.
According to claim 3 invention, the polymeric material, to claim 1 or 2 polymerizable unsaturated double bonds by the polymerization of monomers having characterized in that it comprises a sulfonic acid group-containing polymer obtained by It is a manufacturing method of the electrode paste as described.
The invention according to claim 4 is characterized in that the crosslinkable compound is 1,2-bis (triethoxysilyl) ethane, 1,6-bis (trimethoxysilyl) hexane, 1,9-bis (triethoxysilyl) nonane, 1,8-bis (triethoxysilyl) octane, 1,8-bis (diethoxymethylsilyl) octane, 1,4-bis (trimethoxysilylethyl) benzene, 1,4-bis (triethoxysilylethyl) benzene 1,8-bis (methyldiethoxysilyl) octane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, methyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, Phenylmethyldimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane N-propyltrimethoxysilane, i-propyltrimethoxysilane, n-butyltrimethoxysilane, silicic acid, potassium silicate, and sodium silicate. It is a manufacturing method of the paste for electrodes according to any one of claims 1 to 3.
The invention according to claim 5 is an electrode paste manufactured by the method according to any one of claims 1 to 4.
The invention according to claim 6 is an electrode characterized by using the electrode paste according to claim 5.
The invention according to claim 7 is a membrane-electrode assembly in which the electrode according to claim 6 is arranged on both surfaces of the electrolyte membrane.
The invention according to claim 8 is a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 7.

本発明によれば、優れた結着性、撥水性、耐水性及び耐メタノール性を有する電極を簡便に製造できる。   According to the present invention, an electrode having excellent binding properties, water repellency, water resistance and methanol resistance can be easily produced.

以下、図面を参照しながら、本発明について詳しく説明する。
<電極、膜−電極接合体>
図1は本発明の電極と、これを備えた膜−電極接合体を例示する概略図である。なお、本発明の電極及び膜−電極接合体は、ここに図示するものに限定されず、本発明の効果を損なわない範囲内において、適宜構成の一部を変更できることは言うまでもない。
電解質膜11の両面には触媒層13が設けられ、該触媒層13上にはガス拡散層14が設けられ、膜−電極接合体1が構成されている。電極10は触媒層13及びガス拡散層14で構成される。
触媒層13は、電極用バインダと、触媒を担持した電子伝達性物質(以下、触媒担持電子伝達性物質と略記する)とを含有する電極用ペーストが固化してなるものである。図1に示すように、触媒層13は、電極用バインダ固化物13a中に触媒担持電子伝達性物質13bが分散した構造を有する。そして、触媒担持電子伝達性物質13bは、電解質膜11とガス拡散層14との間で、互いに接触した状態で連続して存在する。
なお、図1では、膜−電極接合体1のうち、電解質膜11の一方の表面11a側の構造のみを例示しているが、該表面11aとは反対側も同様の構造を有しており、ここでは図示を省略する。
以下、各構成について、さらに詳しく説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<Electrode, membrane-electrode assembly>
FIG. 1 is a schematic view illustrating an electrode of the present invention and a membrane-electrode assembly provided with the electrode. In addition, the electrode and membrane-electrode assembly of the present invention are not limited to those illustrated here, and it is needless to say that a part of the configuration can be appropriately changed within a range not impairing the effects of the present invention.
A catalyst layer 13 is provided on both surfaces of the electrolyte membrane 11, and a gas diffusion layer 14 is provided on the catalyst layer 13 to constitute the membrane-electrode assembly 1. The electrode 10 includes a catalyst layer 13 and a gas diffusion layer 14.
The catalyst layer 13 is formed by solidifying an electrode paste containing an electrode binder and an electron transfer material carrying a catalyst (hereinafter abbreviated as catalyst-supported electron transfer material). As shown in FIG. 1, the catalyst layer 13 has a structure in which the catalyst-carrying electron transfer material 13b is dispersed in the electrode binder solidified material 13a. The catalyst-carrying electron transfer material 13b is continuously present between the electrolyte membrane 11 and the gas diffusion layer 14 in contact with each other.
In FIG. 1, only the structure on the one surface 11a side of the electrolyte membrane 11 in the membrane-electrode assembly 1 is illustrated, but the opposite side to the surface 11a has the same structure. The illustration is omitted here.
Hereinafter, each configuration will be described in more detail.

[電解質膜]
電解質膜11は、公知のものを使用でき、プロトン伝導性膜が特に好適である。市販品であれば、例えば、DuPont社製、Nafion(登録商標)が例示できる。
[Electrolyte membrane]
As the electrolyte membrane 11, a known one can be used, and a proton conductive membrane is particularly suitable. If it is a commercial item, the product made by DuPont and Nafion (trademark) can be illustrated, for example.

[ガス拡散層]
ガス拡散層14は、気体やメタノール、水等の液体の拡散を最適化させるためのものであり、例えば、多孔質導電シートで構成される。ただし、ガス拡散層14は、必須の構成要素ではないので、必要に応じて設ければ良い。
また、ガス拡散層14は、撥水化されたものが好ましい。特に、カソード側の電極では、生成された水によってフラッディングを起こしてしまうことがあるが、ガス拡散層14を撥水化することで、生成水を排除でき、フラッディングの発生を効果的に抑制できる。
ガス拡散層14の厚さは、50〜500μmであることが好ましく、100〜400μmであることがより好ましい。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer 14 is for optimizing the diffusion of a liquid such as gas, methanol, water, and is made of, for example, a porous conductive sheet. However, the gas diffusion layer 14 is not an essential component and may be provided as necessary.
The gas diffusion layer 14 is preferably water-repellent. In particular, in the cathode-side electrode, the generated water may cause flooding. However, by making the gas diffusion layer 14 water repellent, the generated water can be eliminated and the occurrence of flooding can be effectively suppressed. .
The thickness of the gas diffusion layer 14 is preferably 50 to 500 μm, and more preferably 100 to 400 μm.

また、ガス拡散層14の表面に、さらに導電性中間層(図示略)を設けても良い。導電性中間層としては、撥水性材料であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と、電子伝達性媒体であるカーボンブラックとの混合体が好ましい。この場合、カーボンブラックとPTFEの混合比(カーボンブラック:PTFE、質量比)は、3:7〜7:3であることが好ましく、4:6〜6:4であることがより好ましく、5:5であることが特に好ましい。
導電性中間層の厚さは、上限が0.1mmであることが好ましい。このようにすることで、抵抗値の上昇を抑制でき、出力を一層向上させることができる。一方、厚さの下限は、導電性中間層の強度等を考慮して適宜設定すれば良い。
また、カーボンブラックとしては、比表面積が10m/g以上のものが好ましい。
Further, a conductive intermediate layer (not shown) may be further provided on the surface of the gas diffusion layer 14. As the conductive intermediate layer, a mixture of polytetrafluoroethylene (PTFE) which is a water repellent material and carbon black which is an electron transfer medium is preferable. In this case, the mixing ratio of carbon black and PTFE (carbon black: PTFE, mass ratio) is preferably 3: 7 to 7: 3, more preferably 4: 6 to 6: 4, and 5: 5 is particularly preferred.
The upper limit of the thickness of the conductive intermediate layer is preferably 0.1 mm. By doing in this way, a raise of resistance value can be suppressed and an output can be improved further. On the other hand, the lower limit of the thickness may be appropriately set in consideration of the strength of the conductive intermediate layer and the like.
Carbon black having a specific surface area of 10 m 2 / g or more is preferable.

[触媒層]
触媒層13は、電極用バインダと触媒担持電子伝達性物質とを含有する電極用ペーストを固化させることで形成できる。
触媒層13の厚さは、5〜150μmであることが好ましく、10〜100μmであることがより好ましい。
そして、本発明の電極用ペーストを使用することで、電極10は優れた結着性、撥水性、耐水性及び耐メタノール性を有し、しかも簡便に製造できる。以下、電極用ペーストについて、より詳しく説明する。
[Catalyst layer]
The catalyst layer 13 can be formed by solidifying an electrode paste containing an electrode binder and a catalyst-carrying electron transfer material.
The thickness of the catalyst layer 13 is preferably 5 to 150 μm, and more preferably 10 to 100 μm.
By using the electrode paste of the present invention, the electrode 10 has excellent binding properties, water repellency, water resistance and methanol resistance, and can be easily manufactured. Hereinafter, the electrode paste will be described in more detail.

<電極用ペースト>
電極用ペーストは、電極用バインダと触媒担持電子伝達性物質とを含有する。
そして、電極用バインダは、ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(X)(以下、架橋性化合物(X)と略記する)と、酸基を有する高分子材料(Y)(以下、高分子材料(Y)と略記する)と、せん断力の印加により繊維化するフッ素系樹脂を含む水分散体(Z)(以下、水分散体(Z)と略記する)と、を含有する。
電極用バインダは、触媒担持電子伝達性物質と混合し、液体状やペースト状の電極用ペーストを調製するための液体である。電極用バインダには、主に下記三つの特性が要求される。
(A)電極の構成成分と親和性が高い
(B)固化して触媒層を形成した後でのプロトン伝導性が高い
(C)固化後に、環境温度の変化あるいは気体又は液体の流入に伴う圧力の上昇で破壊されない強度を触媒層に付与し、その強度を長時間維持できる
本発明における電極用バインダは、上記各成分を含有することで、これらの特性をすべて備えており、その結果、発電性能と耐久性に優れる電極及び燃料電池の実現が可能となっている。
以下、電極用ペーストの含有成分について、詳しく説明する。
<Paste for electrodes>
The electrode paste contains an electrode binder and a catalyst-carrying electron transfer substance.
The electrode binder includes a crosslinkable compound (X) having a silicon-oxygen bond (hereinafter abbreviated as a crosslinkable compound (X)) and a polymer material (Y) having an acid group (hereinafter referred to as a polymer material). (Abbreviated as (Y)) and an aqueous dispersion (Z) containing a fluororesin that is fiberized by application of shearing force (hereinafter abbreviated as aqueous dispersion (Z)).
The electrode binder is a liquid for mixing with a catalyst-carrying electron transfer substance to prepare a liquid or paste electrode paste. The following three characteristics are mainly required for the electrode binder.
(A) High affinity with electrode components (B) High proton conductivity after solidification and formation of catalyst layer (C) Pressure due to change in ambient temperature or inflow of gas or liquid after solidification The electrode binder according to the present invention has all of these characteristics by including the above-mentioned components, and as a result, can It is possible to realize an electrode and a fuel cell excellent in performance and durability.
Hereinafter, the components contained in the electrode paste will be described in detail.

(触媒担持電子伝達性物質)
触媒担持電子伝達性物質は、電子伝達性物質に触媒を担持させたものである。触媒は微小径であり、そのままでは取り扱いが困難であるため、電子伝達性物質に担持させる。
前記電子伝達性物質としては、電子伝達性を有しかつ触媒を担持できる物質であれば、特に限定されない。なかでも好ましいものとしては、カーボン及び各種金属が例示でき、カーボンが特に好ましい。
電子伝達性物質の形状は、触媒を担持できる限り特に限定されないが、好ましい形状として、粒子状、板状及び多孔質体が例示でき、粒子状であることが特に好ましい。
(Catalyst-supported electron transfer material)
The catalyst-carrying electron transfer substance is a substance in which a catalyst is carried on an electron transfer substance. Since the catalyst has a small diameter and is difficult to handle as it is, it is supported on an electron transfer substance.
The electron-transmitting substance is not particularly limited as long as it has an electron-transmitting property and can carry a catalyst. Among these, carbon and various metals can be exemplified as carbon, and carbon is particularly preferable.
The shape of the electron-transmitting substance is not particularly limited as long as it can support the catalyst, but examples of preferable shapes include particles, plates, and porous bodies, and particles are particularly preferable.

前記触媒は、燃料電池分野において公知のものを使用できる。なかでも好ましいものとしては、白金触媒、白金−ルテニウム合金触媒が例示できる。
触媒の形状は、粒子状であることが好ましく、その平均粒子径が小さいものほど好ましく、取り扱い性も考慮すると、平均粒子径が1〜5nmであることが好ましい。平均粒子径は透過型電子顕微鏡で測定できる。このような微粒子を使用することで、触媒の合計表面積を大きくでき、反応を促進する一層優れた効果が得られる。
As the catalyst, those known in the fuel cell field can be used. Of these, platinum catalysts and platinum-ruthenium alloy catalysts can be exemplified as preferable ones.
The shape of the catalyst is preferably in the form of particles, and the smaller the average particle diameter, the more preferable. In consideration of handleability, the average particle diameter is preferably 1 to 5 nm. The average particle diameter can be measured with a transmission electron microscope. By using such fine particles, the total surface area of the catalyst can be increased, and a more excellent effect of promoting the reaction can be obtained.

触媒担持電子伝達性物質は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。なお、ここでは、電子伝達性物質及び触媒の少なくとも一方の種類又は形状が互いに異なる場合に、「触媒担持電子伝達性物質の種類が異なる」ことを指すものとする。   A catalyst carrying | support electron transfer substance may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose. Here, when the type or shape of at least one of the electron transfer substance and the catalyst is different from each other, it means that “the type of the catalyst-carrying electron transfer substance is different”.

(架橋性化合物(X))
前記架橋性化合物(X)は、水及び触媒の存在下で加熱するか、または酸により中和した後で加熱することにより、ケイ素−酸素結合による3次元架橋構造体を形成するものである。好ましいものとして、具体的には、1,2−ビス(トリエトキシシリル)エタン、1,6−ビス(トリメトキシシリル)ヘキサン、1,9−ビス(トリエトキシシリル)ノナン、1,8−ビス(トリエトキシシリル)オクタン、1,8−ビス(ジエトキシメチルシリル)オクタン、1,4−ビス(トリメトキシシリルエチル)ベンゼン、1,4−ビス(トリエトキシシリルエチル)ベンゼン、1,8−ビス(メチルジエトキシシリル)オクタン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、i−プロピルトリメトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン又は置換基を有するアルコキシシラン;ケイ酸、ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム等のケイ酸化合物が例示できる。ここで「置換基を有するアルコキシシラン」とは、アルコキシシランのアルコキシ基又は水素原子がこれら以外の置換基で置換されたものを指す。
さらにケイ酸化合物としては、好ましいものとして、ケイ酸カリウムやケイ酸ナトリウム等のケイ酸塩を酸により中和したもの、イオン交換樹脂を通して処理することにより金属イオンを除去したものが例示できる。
これらの中でも、架橋性化合物(X)としては、アルコキシシラン又は置換基を有するアルコキシシランが好ましく、アルコキシシランがより好ましい。
(Crosslinkable compound (X))
The crosslinkable compound (X) is heated in the presence of water and a catalyst, or neutralized with an acid and then heated to form a three-dimensional crosslinked structure with silicon-oxygen bonds. Preferable examples include 1,2-bis (triethoxysilyl) ethane, 1,6-bis (trimethoxysilyl) hexane, 1,9-bis (triethoxysilyl) nonane, 1,8-bis. (Triethoxysilyl) octane, 1,8-bis (diethoxymethylsilyl) octane, 1,4-bis (trimethoxysilylethyl) benzene, 1,4-bis (triethoxysilylethyl) benzene, 1,8- Bis (methyldiethoxysilyl) octane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, methyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenylmethyldimethoxysilane, Ethyltrimethoxysilane, n-propyl Pills trimethoxysilane, i- propyl trimethoxy silane, alkoxysilane having an alkoxy silane or a substituent such as n- butyl trimethoxysilane; silicate, potassium silicate, silicate compound, sodium silicate and the like. Here, the “alkoxysilane having a substituent” refers to an alkoxysilane in which an alkoxy group or a hydrogen atom is substituted with a substituent other than these.
Furthermore, preferable examples of the silicate compound include those obtained by neutralizing silicates such as potassium silicate and sodium silicate with an acid, and those obtained by removing metal ions by treatment through an ion exchange resin.
Among these, as the crosslinkable compound (X), alkoxysilane or an alkoxysilane having a substituent is preferable, and alkoxysilane is more preferable.

架橋性化合物(X)は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。   Crosslinking compound (X) may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.

架橋性化合物(X)の配合量は、その他の配合成分の種類や量を考慮して適宜設定すれば良いが、通常、電極用バインダ中0.1〜7質量%であることが好ましく、0.3〜4質量%であることがより好ましく、0.5〜2質量%であることが特に好ましい。このような範囲とすることで、触媒層の強度を一層向上させることできる。   The blending amount of the crosslinkable compound (X) may be appropriately set in consideration of the types and amounts of other blending components, but is usually preferably 0.1 to 7% by mass in the binder for electrodes. More preferably, the content is 3 to 4% by mass, and particularly preferably 0.5 to 2% by mass. By setting it as such a range, the intensity | strength of a catalyst layer can be improved further.

架橋性化合物(X)は、これと架橋し得るアルコキシチタン、アルコキシアルミニウム、リン酸、リン酸塩又はタングステン酸等と併用しても良い。これら化合物を併用する場合には、これら化合物は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。   The crosslinkable compound (X) may be used in combination with alkoxytitanium, alkoxyaluminum, phosphoric acid, phosphate, tungstic acid or the like that can crosslink with this. When using these compounds together, these compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.

架橋性化合物(X)は、上記のようにケイ素−酸素結合による3次元架橋構造体を形成するため、例えば、強い酸性で高温高湿条件下にさらされた場合や、燃料としてメタノール等のアルコールを使用した場合でも、電極は比較的安定した形状を維持できる。   Since the crosslinkable compound (X) forms a three-dimensional cross-linked structure by silicon-oxygen bonds as described above, for example, when exposed to high acidity and high temperature and high humidity conditions, or alcohol such as methanol as a fuel. Even when the electrode is used, the electrode can maintain a relatively stable shape.

(高分子材料(Y))
前記高分子材料(Y)は、プロトン伝導性を有するものであり、スルホン酸基(スルホ基)、カルボン酸基(カルボキシル基)、リン酸基、ホスホン酸基又はホスフィン酸基等の酸基を有する高分子材料が例示できる。好ましいものとして、具体的には、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、スチレンスルホン酸、2−(メタクリロイルオキシ)エチルスルホン酸、3−スルホプロピルメタクリレート、4,4’−ジアミノスチルベンゼン−2,2’−ジスルホン酸、イタコン酸ビス(3−スルホプロピル)、アクリル酸、メタクリル酸、ビニルリン酸、アリルリン酸等の酸基を有するモノマーを重合させたポリマー;ポリリン酸が例示できる。
これらの中でも、高分子材料(Y)としては、スルホン酸基を有する高分子材料が好ましい。
(Polymer material (Y))
The polymer material (Y) has proton conductivity, and has an acid group such as a sulfonic acid group (sulfo group), a carboxylic acid group (carboxyl group), a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, or a phosphinic acid group. The polymer material which has can be illustrated. Preferable examples include vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, styrene sulfonic acid, 2- (methacryloyloxy) ethyl sulfonic acid, 3-sulfopropyl methacrylate, 4, Polymers obtained by polymerizing monomers having acid groups such as 4′-diaminostilbenzene-2,2′-disulfonic acid, bis (3-sulfopropyl) itaconate, acrylic acid, methacrylic acid, vinyl phosphoric acid, allyl phosphoric acid; An acid can be illustrated.
Among these, as the polymer material (Y), a polymer material having a sulfonic acid group is preferable.

高分子材料(Y)は、一種のモノマーを重合させたものでも良いし、複数種のモノマーを共重合させたものでも良い。複数種のモノマーを共重合させる場合には、これらモノマーの組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。このように複数種のモノマーを共重合させたものとして、一分子中に複数種の酸基を有するものも好適であり、好ましいものとして、具体的には、ビニルスルホン酸−アクリル酸共重合体、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸−アクリル酸共重合体、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸−ビニルリン酸共重合体が例示できる。   The polymer material (Y) may be one obtained by polymerizing one kind of monomer, or may be one obtained by copolymerizing plural kinds of monomers. When a plurality of types of monomers are copolymerized, the combination and ratio of these monomers may be appropriately selected according to the purpose. As a copolymer obtained by copolymerizing a plurality of types of monomers, a compound having a plurality of types of acid groups in one molecule is also preferable. Specifically, a vinyl sulfonic acid-acrylic acid copolymer is preferable. And 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid-acrylic acid copolymer and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid-vinyl phosphoric acid copolymer.

高分子材料(Y)は、さらに酸基以外の親水性基を有していても良い。親水性基としては、水酸基、アミノ基、アミド基、オキソ基、カルボニル基、ホルミル基、ニトロ基、メルカプト基等が好ましいものとして例示でき、水酸基、アミノ基、アミド基がより好ましい。
高分子材料(Y)が一分子中に有する親水性基は、一種単独でも良いし、二種以上でも良い。二種以上である場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。
酸基と親水性基を含む高分子材料としては、好ましいものとして、ビニルスルホン酸−ビニルアルコール共重合体、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸−ビニルアルコール共重合体等が例示できる。
このように、高分子材料(Y)がさらに親水性基を有することで、触媒担持電子伝達性物質同士の結着力が一層向上し、電極の耐水性及び耐極性溶媒性(例えば、耐アルコール性)が向上する。
The polymer material (Y) may further have a hydrophilic group other than an acid group. Examples of the hydrophilic group include a hydroxyl group, an amino group, an amide group, an oxo group, a carbonyl group, a formyl group, a nitro group, a mercapto group, and the like, and a hydroxyl group, an amino group, and an amide group are more preferable.
The hydrophilic group that the polymer material (Y) has in one molecule may be one kind alone, or two or more kinds. In the case of two or more types, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.
Preferred examples of the polymer material containing an acid group and a hydrophilic group include a vinyl sulfonic acid-vinyl alcohol copolymer and a 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid-vinyl alcohol copolymer.
As described above, the polymer material (Y) further has a hydrophilic group, so that the binding force between the catalyst-carrying electron transfer materials is further improved, and the water resistance and polar solvent resistance (for example, alcohol resistance) of the electrode is improved. ) Will improve.

高分子材料(Y)は、酸基を有するモノマー(以下、モノマー(V)と略記する)のみを重合させたものでも良いし、モノマー(V)とそれ以外のその他のモノマーとを共重合させたものでも良い。前記その他のモノマーは、モノマー(V)と結合可能であれば、本発明の効果を損なわない限り特に限定されず、目的に応じて任意に選択できる。具体的には、酸基を有さないモノマー;モノマー(V)に該当せず、他のモノマーと結合可能な官能基を複数個有する架橋剤が例示できる。これらその他のモノマーの具体例としては、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリルアミド、スチレン、N,N’ーメチレンビス(アクリルアミド)、ネオペンチルグリコールジアクリレート、1,4−ビス(アクリロイルオキシ)ブタン、1,3−ビス(メタクリロイルオキシ)−2−プロパノール、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、1−(アクリロイルオキシ)−3−(メタクリロイルオキシ)−2−プロパノール、ジビニルベンゼン、3−(メタクリロイルアミノ)プロピルトリメチルアンモニウムクロリド、ビニルメタアクリレートが例示できる。   The polymer material (Y) may be obtained by polymerizing only a monomer having an acid group (hereinafter abbreviated as “monomer (V)”) or by copolymerizing the monomer (V) with other monomers. It may be good. The other monomer is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired as long as it can be combined with the monomer (V), and can be arbitrarily selected according to the purpose. Specifically, a monomer having no acid group; a crosslinking agent that does not correspond to the monomer (V) and has a plurality of functional groups capable of binding to other monomers can be exemplified. Specific examples of these other monomers include methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, (meth) acrylamide, styrene, N, N′-methylenebis (acrylamide), neopentyl glycol diacrylate, 1,4-bis ( Acryloyloxy) butane, 1,3-bis (methacryloyloxy) -2-propanol, trimethylolpropane triacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, 1- (acryloyloxy) -3- (methacryloyloxy) -2-propanol, divinyl Examples thereof include benzene, 3- (methacryloylamino) propyltrimethylammonium chloride, and vinyl methacrylate.

さらに、前記「酸基を有さないモノマー」としては、酸基を有さずかつケイ素原子を含むモノマー(W)も好ましいものとして例示できる。
該モノマー(W)としては、3−(トリメトキシシリル)プロピルアクリレート、3−(メチルジメトキシシリル)プロピルアクリレート、3−(トリエトキシシリル)プロピルアクリレート、3−(メチルジエトキシシリル)プロピルアクリレート、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、3−(トリメトキシシリル)プロピルメタクリルレート、3−(メチルジメトキシシリル)プロピルメタクリルレート、3−(トリエトキシシリル)プロピルメタクリルレート、3−(メチルジエトキシシリル)プロピルメタクリルレート、p−スチリルトリメトキシシラン、p−スチリルトリエトキシシラン等が、好ましいものとして例示できる。
また、前記モノマー(W)と共重合させるモノマー(V)としては、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、スチレンスルホン酸、2−(メタクリロイルオキシ)エチルスルホン酸、3−スルホプロピルメタクリレート、4,4’−ジアミノスチルベンゼン−2,2’−ジスルホン酸、イタコン酸ビス(3−スルホプロピル)等が、好ましいものとして例示できる。
Furthermore, as the “monomer having no acid group”, a monomer (W) having no acid group and containing a silicon atom can be exemplified as a preferable example.
Examples of the monomer (W) include 3- (trimethoxysilyl) propyl acrylate, 3- (methyldimethoxysilyl) propyl acrylate, 3- (triethoxysilyl) propyl acrylate, 3- (methyldiethoxysilyl) propyl acrylate, tri Methoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate, 3- (methyldimethoxysilyl) propyl methacrylate, 3- (triethoxysilyl) propyl methacrylate, 3- (methyldiethoxysilyl) propyl methacrylate Preferred examples include rate, p-styryltrimethoxysilane, p-styryltriethoxysilane, and the like.
Examples of the monomer (V) to be copolymerized with the monomer (W) include vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, styrene sulfonic acid, and 2- (methacryloyloxy) ethyl sulfonic acid. , 3-sulfopropyl methacrylate, 4,4′-diaminostilbenzene-2,2′-disulfonic acid, bis (3-sulfopropyl) itaconate and the like can be exemplified as preferable examples.

モノマー(V)とモノマー(W)の使用量の比率(モノマー(V):モノマー(W)、モル比率)は、99:1〜50:50であることが好ましい。
このような構成とし、高分子材料(Y)自体にもケイ素−酸素架橋構造を付与することで、メタノール等による溶解や膨潤を抑制すると共に、酸基濃度を向上させ、高耐久性で高出力の燃料電池とすることができる。
The ratio of the amount of monomer (V) to monomer (W) used (monomer (V): monomer (W), molar ratio) is preferably 99: 1 to 50:50.
With this structure, the polymer material (Y) itself also has a silicon-oxygen cross-linked structure, which suppresses dissolution and swelling due to methanol, etc., improves the acid group concentration, and has high durability and high output. The fuel cell can be obtained.

本発明においては、一種又は複数種の前記高分子材料(Y)同士をさらに架橋剤で架橋したものを、高分子材料(Y)として使用しても良い。ここで架橋剤としては、前記と同様のものが例示できる。   In the present invention, one or a plurality of polymer materials (Y) that are further crosslinked with a crosslinking agent may be used as the polymer material (Y). Here, examples of the crosslinking agent include the same ones as described above.

先に例示したモノマーは、比較的安価に入手でき、しかも種類が豊富である。さらに、重合性不飽和二重結合の反応が比較的容易に進行し、反応の制御が容易なので、所望の高分子材料(Y)が、単純な重合制御装置を使用しても容易に得られる。   The monomers exemplified above are available at a relatively low cost and are abundant in variety. Furthermore, since the reaction of the polymerizable unsaturated double bond proceeds relatively easily and the control of the reaction is easy, the desired polymer material (Y) can be easily obtained using a simple polymerization controller. .

高分子材料(Y)は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。
また、高分子材料(Y)の質量平均分子量は、1000〜10000000であることが好ましく、5000〜5000000であることがより好ましい。
なお、本発明において、「質量平均分子量」とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定における標準ポリエチレングリコール換算での質量平均分子量を示すものとする。
A high molecular material (Y) may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.
The mass average molecular weight of the polymer material (Y) is preferably 1000 to 10000000, more preferably 5000 to 5000000.
In addition, in this invention, "mass average molecular weight" shall show the mass average molecular weight in conversion of standard polyethyleneglycol in a gel permeation chromatography (GPC) measurement.

特に本発明においては、質量平均分子量が小さめの高分子材料(Y1)と、質量平均分子量が前記高分子材料(Y1)よりも大きい高分子材料(Y2)とを併用することが好ましい。より具体的には、高分子材料(Y1)の質量平均分子量は、1000〜300000であることが好ましく、5000〜100000であることがより好ましい。高分子材料(Y2)の質量平均分子量は、300000〜10000000であることが好ましく、500000〜5000000であることがより好ましい。このようにすることで、高分子材料(Y1)は、触媒担持電子伝達性物質の二次凝集体(アグロメレート)内部にまで容易に入り込むため、触媒を有効に利用して出力を一層向上させることができる。さらに、高分子材料(Y2)により、比較的温度が高くメタノール濃度が高い環境下でも、安定した発電性能を保持できる。   Particularly in the present invention, it is preferable to use a polymer material (Y1) having a smaller mass average molecular weight and a polymer material (Y2) having a mass average molecular weight larger than that of the polymer material (Y1). More specifically, the mass average molecular weight of the polymer material (Y1) is preferably 1000 to 300000, and more preferably 5000 to 100000. The mass average molecular weight of the polymer material (Y2) is preferably 300,000 to 10,000,000, more preferably 500,000 to 5,000,000. By doing so, the polymer material (Y1) easily enters the secondary aggregate (agglomerate) of the catalyst-carrying electron transfer substance, so that the output can be further improved by effectively using the catalyst. Can do. Furthermore, the polymer material (Y2) can maintain stable power generation performance even in an environment where the temperature is relatively high and the methanol concentration is high.

高分子材料(Y)の配合比率は、架橋性化合物(X)1質量部に対して0.05〜5質量部であることが好ましく、0.1〜3質量部であることがより好ましい。0.05質量部以上とすることで、電極の発電性能が一層向上し、5質量部以下とすることで、電極のメタノール等による溶解や膨潤を抑制できる。   The blending ratio of the polymer material (Y) is preferably 0.05 to 5 parts by mass and more preferably 0.1 to 3 parts by mass with respect to 1 part by mass of the crosslinkable compound (X). By setting it as 0.05 mass part or more, the electric power generation performance of an electrode improves further, and melt | dissolution and swelling by methanol etc. of an electrode can be suppressed by setting it as 5 mass parts or less.

高分子材料(Y)は、これ以外のプロトン伝導性を有する、燃料電池分野で公知の酸基含有高分子材料や電解質材料等と併用しても良い。これら材料を併用する場合には、これら材料は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。
高分子材料(Y)以外の前記材料を併用することで、燃料電池のプロトン伝導性を一層向上させることができる。
The polymer material (Y) may be used in combination with other acid group-containing polymer materials or electrolyte materials known in the fuel cell field having proton conductivity. When these materials are used in combination, these materials may be used alone or in combination of two or more. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.
By using the materials other than the polymer material (Y) in combination, the proton conductivity of the fuel cell can be further improved.

前記水分散体(Z)は、触媒担持電子伝達性物質同士が結着する機能を付与することにより、電極の形状保持性及び易成形性を向上させる。また、架橋性化合物(X)と高分子材料(Y)との相溶性を高め、より均一な構造を実現する。水分散体(Z)中のフッ素系樹脂としては、せん断力の印加により繊維化する特性を有するものを使用する。ここで「繊維化」とは、フッ素樹脂の形状が、太さ数10nm程度、長さ数μm程度の繊維状に変化して、アスペクト比が増大することを指す。このような特性を有するものであれば、公知のものから選択でき、ポリパーフルオロアルキレン樹脂がより好ましい。すなわち、水分散体(Z)としては、フッ素系樹脂ディスパージョンが使用でき、ポリパーフルオロアルキレン樹脂ディスパージョンが好ましく、特に好ましいものとしてPTFEディスパージョンが例示できる。   The water dispersion (Z) improves the shape retention and easy moldability of the electrode by imparting a function of binding the catalyst-carrying electron transfer materials. Further, the compatibility between the crosslinkable compound (X) and the polymer material (Y) is increased, and a more uniform structure is realized. As the fluorine-based resin in the aqueous dispersion (Z), a resin having a property of forming a fiber by applying a shearing force is used. Here, “fibrosis” means that the shape of the fluororesin changes to a fiber shape with a thickness of about 10 nm and a length of about several μm, and the aspect ratio increases. If it has such a characteristic, it can select from a well-known thing and a polyperfluoroalkylene resin is more preferable. That is, as the water dispersion (Z), a fluorine resin dispersion can be used, a polyperfluoroalkylene resin dispersion is preferable, and a PTFE dispersion can be exemplified as a particularly preferable one.

水分散体(Z)は、溶媒である水、フッ素系樹脂及び界面活性剤を主成分とする。フッ素系樹脂は公知の手法で重合したものを使用しても良いし、各種市販品を使用しても良い。重合する場合には、例えば、テトラフルオロエチレン等のフッ素原子含有モノマーを、適切な溶媒と界面活性剤の存在下で乳化重合すれば良い。
また、PTFEディスパージョンは、市販品も入手可能であり、好ましいものとして、三井デュポンフロロケミカル社製「30J」、ダイキン工業社製「D−1,D−2」、旭硝子社製「AD938L,AD−1,AD639」等が例示できる。
The aqueous dispersion (Z) contains water as a solvent, a fluororesin, and a surfactant as main components. As the fluororesin, those polymerized by a known method may be used, or various commercially available products may be used. In the case of polymerization, for example, a fluorine atom-containing monomer such as tetrafluoroethylene may be emulsion-polymerized in the presence of an appropriate solvent and a surfactant.
In addition, commercially available PTFE dispersions are also available, and preferable ones include “30J” manufactured by Mitsui DuPont Fluoro Chemical Co., “D-1, D-2” manufactured by Daikin Industries, Ltd., “AD938L, AD manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. −1, AD639 ”and the like.

繊維化する前の前記フッ素系樹脂の形状は、粒子状であることが好ましく、その平均粒子径は、0.1〜0.8μmであることが好ましく、0.2〜0.4μmであることがより好ましい。平均粒子径がこの範囲であると、水分散体(Z)の安定性、電極作製時における電極用ペーストの分散性及び安定性が一層優れたものとなる。平均粒子径はレーザー光散乱装置等により測定できる。   The shape of the fluororesin before fiberization is preferably particulate, and the average particle diameter is preferably 0.1 to 0.8 μm, and preferably 0.2 to 0.4 μm. Is more preferable. When the average particle size is within this range, the stability of the aqueous dispersion (Z) and the dispersibility and stability of the electrode paste during electrode production are further improved. The average particle diameter can be measured with a laser light scattering device or the like.

前記界面活性剤は、非イオン系界面活性剤であることが好ましい。なかでも、特に好ましいものとして、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等のポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルが例示できる。   The surfactant is preferably a nonionic surfactant. Of these, particularly preferred are polyoxyalkylene alkyl phenyl ethers such as polyoxyethylene alkyl phenyl ethers and polyoxyalkylene alkyl ethers.

水分散体(Z)中のフッ素系樹脂や界面活性剤の濃度は、水分散体(Z)が安定に存在できる限り特に限定されない。
通常は、フッ素系樹脂の濃度は、30〜80質量%であることが好ましく、40〜75質量%であることがより好ましく、50〜70質量%であることが特に好ましい。
また、界面活性剤の濃度は、0.2〜8質量%であることが好ましく、0.5〜7質量%であることがより好ましく、1〜6質量%であることが特に好ましい。
また、フッ素系樹脂ディスパージョンは種々の市販品が入手可能であり、例えば、フッ素系樹脂の濃度が50〜65質量%、界面活性剤の濃度が2〜5質量%であるものは、大量にかつ低コストで入手できる。
The concentration of the fluororesin or surfactant in the aqueous dispersion (Z) is not particularly limited as long as the aqueous dispersion (Z) can exist stably.
Usually, the concentration of the fluororesin is preferably 30 to 80% by mass, more preferably 40 to 75% by mass, and particularly preferably 50 to 70% by mass.
Moreover, it is preferable that the density | concentration of surfactant is 0.2-8 mass%, It is more preferable that it is 0.5-7 mass%, It is especially preferable that it is 1-6 mass%.
In addition, various commercially available fluororesin dispersions are available. For example, a large amount of fluororesin dispersion having a fluororesin concentration of 50 to 65% by mass and a surfactant concentration of 2 to 5% by mass is available. And it can be obtained at low cost.

水分散体(Z)の配合比率は、触媒担持電子伝達性物質1質量部に対して0.1〜10質量部であることが好ましい。0.1質量部以上とすることで、触媒担持電子伝達性物質同士の結着性が向上し、電極としての形状保持性及び易成形性が向上する。また、10質量部以下とすることで、電極の抵抗が抑制され、発電性能が向上する。
また、同様の理由により、配合する水分散体(Z)中のフッ素系樹脂の量は、配合する触媒担持電子伝達性物質中の触媒1質量部に対して、0.05〜5質量部であることが好ましく、0.1〜3質量部であることがより好ましく、0.1〜1質量部であることが特に好ましい。
The mixing ratio of the aqueous dispersion (Z) is preferably 0.1 to 10 parts by mass with respect to 1 part by mass of the catalyst-carrying electron transfer material. By setting it as 0.1 mass part or more, the binding property of catalyst carrying | support electron-transmitting substances improves, and the shape retainability and easy moldability as an electrode improve. Moreover, by setting it as 10 mass parts or less, the resistance of an electrode is suppressed and electric power generation performance improves.
For the same reason, the amount of the fluorine-based resin in the aqueous dispersion (Z) to be blended is 0.05 to 5 parts by mass with respect to 1 part by mass of the catalyst in the catalyst-carrying electron transfer material. It is preferably 0.1 to 3 parts by mass, particularly preferably 0.1 to 1 part by mass.

水分散体(Z)は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。   A water dispersion (Z) may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.

(その他の成分)
電極用ペーストには、前記触媒担持電子伝達性物質、架橋性化合物(X)、高分子材料(Y)及び水分散体(Z)以外に、さらに、これら配合成分を溶解又は分散させるための溶媒を含有させても良い。該溶媒としては、前記配合成分と反応しないものであれば任意に選択できるが、アルコールが好ましく、イソプロピルアルコールがより好ましい。
(Other ingredients)
In addition to the catalyst-carrying electron-transmitting substance, the crosslinkable compound (X), the polymer material (Y), and the aqueous dispersion (Z), the electrode paste further contains a solvent for dissolving or dispersing these components. May be included. As the solvent, any solvent can be selected as long as it does not react with the compounding components, but alcohol is preferable, and isopropyl alcohol is more preferable.

<電極用ペーストの製造方法>
本発明の電極用ペーストの製造方法は、触媒担持電子伝達性物質と、架橋性化合物(X)と、高分子材料(Y)と、前記フッ素系樹脂を含む水分散体(Z)と、を配合して混練し、前記フッ素系樹脂を繊維化させる工程を有することを特徴とする。
前記各成分を配合する方法は特に限定されない。例えば、触媒担持電子伝達性物質、架橋性化合物(X)、高分子材料(Y)及び水分散体(Z)を一度に又は任意の順序で順次配合しても良いし、触媒担持電子伝達性物質、架橋性化合物(X)、高分子材料(Y)及び水分散体(Z)からなる群から選択される二つ以上の成分を予め配合し、これを残りの成分に添加して配合しても良い。また、触媒担持電子伝達性物質、架橋性化合物(X)、高分子材料(Y)及び水分散体(Z)からなる群から選択される二つの成分を予め配合したものを二種調製して、一方を他方に添加しても良い。
また、例えば、先に述べたようにその他の成分も併用する場合には、その他の成分も含めて、上記のように各成分を配合すれば良い。
触媒担持電子伝達性物質は、水及び/又は有機溶媒、好ましくは水を添加して、湿潤化させてから配合することが好ましい。
また、架橋性化合物(X)、高分子材料(Y)、水分散体(Z)、その他の成分も、水及び/又は有機溶媒を添加して、好ましくは溶液としてから配合しても良い。
さらに、必要に応じて配合時に、水及び/又は有機溶媒を別途添加しても良い。
前記有機溶媒は、各配合成分と反応しないものであれば任意に選択できるが、アルコールが好ましく、イソプロピルアルコールがより好ましい。
<Method for producing electrode paste>
The method for producing an electrode paste of the present invention comprises a catalyst-supporting electron-transmitting substance, a crosslinkable compound (X), a polymer material (Y), and an aqueous dispersion (Z) containing the fluororesin. It has the process of mix | blending and knead | mixing and making the said fluororesin fiber.
The method for blending the components is not particularly limited. For example, the catalyst-carrying electron transfer substance, the crosslinkable compound (X), the polymer material (Y) and the water dispersion (Z) may be blended at once or in any order, or the catalyst-carrying electron transfer property. Two or more components selected from the group consisting of a substance, a crosslinkable compound (X), a polymer material (Y), and an aqueous dispersion (Z) are blended in advance and added to the remaining components. May be. In addition, two types of premixed two components selected from the group consisting of a catalyst-supporting electron transfer substance, a crosslinkable compound (X), a polymer material (Y), and an aqueous dispersion (Z) were prepared. , One may be added to the other.
Further, for example, as described above, when other components are also used, each component may be blended as described above, including other components.
The catalyst-supporting electron transfer material is preferably blended after wetting by adding water and / or an organic solvent, preferably water.
Further, the crosslinkable compound (X), the polymer material (Y), the aqueous dispersion (Z), and other components may be added after adding water and / or an organic solvent, preferably as a solution.
Furthermore, you may add water and / or an organic solvent separately at the time of a mixing | blending as needed.
The organic solvent can be arbitrarily selected as long as it does not react with each compounding component, but alcohol is preferable and isopropyl alcohol is more preferable.

各成分の配合は、混合しながら行っても良いし、全成分を配合してからこれを混合しても良い。このように混合することで、配合成分を均一に分散させることができる。
混合方法は特に限定されず、例えば、スターラー、超音波分散機、超音波ホモジナイザー、自公転ミキサー等を使用する公知の方法を適用すれば良い。
Each component may be blended while mixing, or all components may be blended and then mixed. By mixing in this way, a compounding component can be disperse | distributed uniformly.
The mixing method is not particularly limited, and for example, a known method using a stirrer, an ultrasonic disperser, an ultrasonic homogenizer, a self-revolving mixer or the like may be applied.

各成分を配合した配合物は、混練する前に溶媒の一部を除去(乾燥)したり、溶媒を別途添加して、濃度を調整しても良い。添加する溶媒は、配合時に添加するものとして先に述べたものと同様で良い。   The blend of each component may be adjusted in concentration by removing a part of the solvent (drying) before kneading or adding a solvent separately. The solvent to be added may be the same as that described above as added at the time of blending.

配合物を混練する方法は、水分散体(Z)中に含まれていた前記フッ素系樹脂を繊維化するだけのせん断力を印加できる方法であれば、特に限定されない。好ましい方法として、具体的には、
(i)配合物を金属板等の板上に載せ、金属ヘラ等のヘラを使用して混練する方法
(ii)配合物をメノウ等の材質の乳鉢中で、乳棒等を使用して混練する方法
(iii)配合物をロール型やスクリュー型等の混練器で混練する方法
が例示できる。
The method for kneading the blend is not particularly limited as long as it can apply a shearing force sufficient to fiberize the fluororesin contained in the aqueous dispersion (Z). As a preferable method, specifically,
(I) A method of placing the compound on a plate such as a metal plate and kneading using a spatula such as a metal spatula (ii) Kneading the compound in a mortar made of agate or the like using a pestle or the like Method (iii) A method of kneading the compound in a roll type or screw type kneader can be exemplified.

混練条件は、混練方法ごとに適宜設定すれば良い。例えば、(i)の場合であれば、混練時間は1〜10分であることが好ましく、2〜5分であることがより好ましい。1分以上とすることで、前記フッ素系樹脂を十分に繊維化でき、高い結着性及び撥水性を発現できる。また、10分以下とすることで、電極用ペーストが硬くなり過ぎるのを抑制して、後記する塗布工程を容易に行うことができる。混練時の温度は、配合物や電極用ペーストが劣化したり、硬くなり過ぎたりしない範囲で任意に設定すれば良く、10〜40℃であることが好ましく、室温程度であることがより好ましい。   The kneading conditions may be set as appropriate for each kneading method. For example, in the case of (i), the kneading time is preferably 1 to 10 minutes, and more preferably 2 to 5 minutes. By setting it as 1 minute or more, the said fluororesin can fully be fiberized and high binding property and water repellency can be expressed. Moreover, by setting it as 10 minutes or less, it can suppress that the paste for electrodes becomes hard too much, and can perform the application | coating process mentioned later easily. The temperature at the time of kneading may be arbitrarily set within a range where the compound and the electrode paste do not deteriorate or become too hard, preferably 10 to 40 ° C., more preferably about room temperature.

本発明の電極用ペーストの製造方法によれば、配合成分を混錬することにより、水分散体(Z)に含まれていた前記フッ素系樹脂が、せん断力の印加によって十分に繊維化されるので、電極の接着性と撥水性が向上する。しかも、十分に繊維化されるので、フッ素系樹脂の使用量を従来よりも大幅に低減できる。また、架橋性化合物(X)、高分子材料(Y)及び水分散体(Z)を組み合わせて使用することで、電極は、極性溶媒耐性、特に耐水性及び耐メタノール性に優れる。さらに、各配合成分の配合物を混錬するだけで電極用ペーストが製造できるので、電極の製造工程も簡略化できる。   According to the method for producing an electrode paste of the present invention, the fluorine-containing resin contained in the aqueous dispersion (Z) is sufficiently fiberized by applying a shearing force by kneading the compounding components. Therefore, the adhesiveness and water repellency of the electrode are improved. In addition, since the fiber is sufficiently formed, the amount of the fluororesin used can be greatly reduced as compared with the conventional case. Moreover, an electrode is excellent in polar solvent tolerance, especially water resistance and methanol resistance by using combining a crosslinkable compound (X), polymeric material (Y), and an aqueous dispersion (Z). Furthermore, since the electrode paste can be produced simply by kneading the blended components, the electrode production process can be simplified.

<電極、膜−電極接合体の製造方法>
本発明の電極は、上記本発明の電極用ペーストを使用して製造できる。具体的には、前記電極用ペーストを加熱硬化させる方法が例示でき、所望の膜−電極接合体の構成に応じて、所定箇所に電極用ペーストを塗布してから加熱硬化させることが好ましい。例えば、図1に示す膜−電極接合体1は、以下の方法で製造できる。すなわち、ガス拡散層14上に電極用ペーストを塗布し、加熱して電極10を形成させる。次いで、このような電極10を二つ使用して、そのガス拡散層14側とは反対側の面を、電解質膜11の両面にそれぞれ一つずつ接触させて加熱することで接合させれば良い。または、電解質膜11の両面に電極用ペーストをそれぞれ塗布し、加熱して接合させ、次いで、接合された電極用ペーストの接合面とは反対側の面をそれぞれ、ガス拡散層14上に接触させて加熱することで、電極10と膜−電極接合体1を同時に形成させても良い。これにより、電極用ペースト中の電極用バインダが固化して、触媒層13が形成され、さらに電極10が形成されることで、膜−電極接合体1が得られる。
<Method for producing electrode and membrane-electrode assembly>
The electrode of the present invention can be produced using the electrode paste of the present invention. Specifically, a method of heat-curing the electrode paste can be exemplified, and it is preferable that the electrode paste is applied to a predetermined portion and then heat-cured according to a desired configuration of the membrane-electrode assembly. For example, the membrane-electrode assembly 1 shown in FIG. 1 can be manufactured by the following method. That is, an electrode paste is applied on the gas diffusion layer 14 and heated to form the electrode 10. Next, two such electrodes 10 are used, and the surface opposite to the gas diffusion layer 14 side is brought into contact with both surfaces of the electrolyte membrane 11 one by one and heated to join them. . Alternatively, the electrode paste is applied to both surfaces of the electrolyte membrane 11 and bonded by heating, and then the surface opposite to the bonded surface of the bonded electrode paste is brought into contact with the gas diffusion layer 14 respectively. The electrode 10 and the membrane-electrode assembly 1 may be formed simultaneously by heating. As a result, the electrode binder in the electrode paste is solidified to form the catalyst layer 13 and further the electrode 10, whereby the membrane-electrode assembly 1 is obtained.

電極用ペーストは公知の方法で塗布すれば良く、塗布方法として具体的には、ペースト法、バーコート法、スプレー法、スクリーン印刷法等が例示できる。
電極用ペーストの加熱温度は、100℃以上であることが好ましい。このようにすることで、加熱硬化が十分に進行する。また、加熱温度の上限は、膜やガス拡散層の物性が損なわれない範囲であれば特に限定されないが、通常は200℃であることが好ましい。
また、電極用ペーストの加熱時には、同時に加圧することが好ましい。このように加熱プレスすることで、触媒担持電子伝達性物質同士の密着性が向上し、電子伝達性が向上する。加圧時の圧力は、加圧方法や電極の種類に応じて適宜調整することが好ましいが、通常は、0.16kN/cm以上であることが好ましい。また圧力の上限は、電極が破壊されない範囲であれば特に限定されない。
The electrode paste may be applied by a known method, and specific examples of the application method include a paste method, a bar coating method, a spray method, and a screen printing method.
The heating temperature of the electrode paste is preferably 100 ° C. or higher. By doing in this way, heat hardening fully advances. The upper limit of the heating temperature is not particularly limited as long as the physical properties of the film and the gas diffusion layer are not impaired, but it is usually preferably 200 ° C.
Moreover, it is preferable to pressurize simultaneously when heating the electrode paste. By heating and pressing in this manner, the adhesion between the catalyst-carrying electron-transmitting substances is improved and the electron-transmitting property is improved. The pressure at the time of pressurization is preferably adjusted as appropriate according to the pressurization method and the type of the electrode, but is usually preferably 0.16 kN / cm 2 or more. The upper limit of the pressure is not particularly limited as long as the electrode is not destroyed.

さらに、電極用ペーストは対象箇所に直接塗布せずに、別の基材上に塗布して加熱硬化させた後、これを対象箇所に押圧するなどして転写しても良い。このような方法で、例えば、図1におけるガス拡散層14及び電解質膜11のいずれにも転写できる。   Further, the electrode paste may be transferred by applying it on another base material without being directly applied to the target portion, applying the heat paste to the target portion, and then pressing it on the target portion. By such a method, for example, it can be transferred to both the gas diffusion layer 14 and the electrolyte membrane 11 in FIG.

ここでは、ガス拡散層を備える電極及び膜−電極接合体の製造方法について説明したが、ガス拡散層を備えない場合には、ガス拡散層を使用しないこと以外は上記と同様の方法で、電極及び膜−電極接合体を製造すれば良い。   Here, although the manufacturing method of the electrode provided with the gas diffusion layer and the membrane-electrode assembly has been described, in the case where the gas diffusion layer is not provided, the electrode is formed in the same manner as above except that the gas diffusion layer is not used. And a membrane-electrode assembly may be manufactured.

<燃料電池、その製造方法>
本発明の燃料電池は、上記本発明の膜−電極接合体を備えたことを特徴とする。そして、本発明の燃料電池は、かかる膜−電極接合体を使用すること以外は、公知の方法で製造できる。
そして、本発明の電極は、簡便に製造でき、優れた結着性、撥水性、耐水性及び耐メタノール性を有するので、かかる電極を使用した燃料電池は、低コストで製造でき、しかも発電性能と耐久性に優れたものである。
<Fuel cell and manufacturing method thereof>
A fuel cell according to the present invention includes the membrane-electrode assembly according to the present invention. And the fuel cell of this invention can be manufactured by a well-known method except using this membrane-electrode assembly.
The electrode of the present invention can be easily manufactured and has excellent binding properties, water repellency, water resistance and methanol resistance. Therefore, a fuel cell using such an electrode can be manufactured at low cost and has power generation performance. And it has excellent durability.

以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
<電極用ペースト、電極及び膜−電極接合体の作製>
[実施例1]
(1)電極用バインダの調製
ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)(質量平均分子量2000000)(アルドリッチ社製15質量%水溶液を水で2.5質量%に希釈したもの)10.0g、テトラメトキシシラン0.25g及びイソプロピルアルコール10.0gを加え、超音波ホモジナイザーで混合した。
(2)電極用ペーストの作製
触媒担持カーボン(白金−ルテニウム担持カーボン、田中貴金属社製TEC61E54 Pt30質量% Ru23質量%)0.15gに、水0.75gを加え湿潤させた。これに前記電極用バインダ2.00g、PTFEディスパージョン(旭硝子社製、AD938L、PTFE含有量が55〜60質量%、界面活性剤濃度が3質量%であるものを質量比で4倍に希釈したもの)0.20g及びイソプロピルアルコール0.75gを加えた後、超音波分散を行った。
次いで、上記混合物を空気中にて乾燥させた後、水0.4g及びイソプロピルアルコール0.4gを加えた。
次いで、上記混合物を金属板の上に載せ、金属ヘラで3分間、室温で混練することにより、せん断力を印加し、電極用ペーストを作製した。
(3)電極の作製
作製した電極用ペーストを、ガス拡散層(TGP−H060、厚さ200μm)上に薄く均一に塗布した。塗布には治具とヘラを使用した。次いで、これを熱プレス機(新東工業社製)で120℃−1kNの条件で3分間プレスし、触媒層の厚さが約50μmであるアノード電極を作製した。アノード電極の白金量は1.0mg/cm、ルテニウム量は0.6mg/cmであった。
(4)膜−電極接合体の作製
作製したアノード電極と市販のカソード電極(パラマウントエナジー社製、GDE400−3)を2.5cm角に切断し、電解質膜であるNafion117(登録商標)(DuPont社製)と接合して、膜−電極接合体を作製した。この時の接合は、前記熱プレス機で140℃−1.5kNの条件で3分間プレスすることで行った。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
<Preparation of electrode paste, electrode, and membrane-electrode assembly>
[Example 1]
(1) Preparation of electrode binder
10.0 g poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) (mass average molecular weight 2000000) (diluted 15% by mass aqueous solution made by Aldrich to 2.5% by mass with water), 0.25 g tetramethoxysilane Then, 10.0 g of isopropyl alcohol was added and mixed with an ultrasonic homogenizer.
(2) Preparation of Electrode Paste 0.75 g of water was added to 0.15 g of catalyst-supporting carbon (platinum-ruthenium-supporting carbon, TEC61E54 Pt 30 mass% Ru 23 mass% manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and moistened. The electrode binder 2.00 g, PTFE dispersion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., AD938L, PTFE content 55-60 mass%, surfactant concentration 3 mass% diluted to 4 times by mass ratio) 1) 0.20 g and 0.75 g of isopropyl alcohol were added, followed by ultrasonic dispersion.
Next, after the mixture was dried in air, 0.4 g of water and 0.4 g of isopropyl alcohol were added.
Next, the mixture was placed on a metal plate and kneaded with a metal spatula for 3 minutes at room temperature to apply a shearing force to produce an electrode paste.
(3) Production of electrode The produced electrode paste was thinly and uniformly applied on a gas diffusion layer (TGP-H060, thickness 200 μm). A jig and a spatula were used for application. Next, this was pressed for 3 minutes with a hot press (manufactured by Shinto Kogyo Co., Ltd.) at 120 ° C. to 1 kN to produce an anode electrode having a catalyst layer thickness of about 50 μm. The platinum amount of the anode electrode was 1.0 mg / cm 2 , and the ruthenium amount was 0.6 mg / cm 2 .
(4) Production of membrane-electrode assembly The produced anode electrode and a commercially available cathode electrode (GDE400-3, manufactured by Paramount Energy Co., Ltd.) were cut into 2.5 cm square, and Nafion 117 (registered trademark) (DuPont) as an electrolyte membrane. To produce a membrane-electrode assembly. The joining at this time was performed by pressing for 3 minutes under the condition of 140 ° C.-1.5 kN with the hot press machine.

[実施例2]
「(2)電極用ペーストの作製」において、触媒担持カーボン、電極用バインダ、PTFEディスパージョン及びイソプロピルアルコールを混合した後、メノウ製乳鉢を用いてこれを混練したこと以外は、実施例1と同様に、電極用ペースト、電極及び膜−電極接合体を作製した。
[Example 2]
In “(2) Preparation of electrode paste”, the same as Example 1 except that the catalyst-supporting carbon, the electrode binder, the PTFE dispersion, and isopropyl alcohol were mixed and then kneaded using an agate mortar. In addition, an electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly were prepared.

[比較例1]
「(2)電極用ペーストの作製」において、触媒担持カーボン、電極用バインダ、PTFEディスパージョン及びイソプロピルアルコールを混合した後、混練処理を行わなかったこと以外は、実施例1と同様に、電極用ペースト、電極及び膜−電極接合体を作製した。
[Comparative Example 1]
In “(2) Preparation of electrode paste”, as in Example 1, except that the catalyst-supporting carbon, the electrode binder, the PTFE dispersion, and isopropyl alcohol were mixed and then kneading was not performed. Pastes, electrodes, and membrane-electrode assemblies were prepared.

[比較例2]
PTFEを3倍量使用したこと以外は、比較例1と同様に、電極用ペースト、電極及び膜−電極接合体を作製した。
[Comparative Example 2]
An electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly were prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that 3 times the amount of PTFE was used.

[比較例3]
スルホン化フッ素樹脂溶液をバインダとする市販のアノード電極(パラマウントエナジー社製、GDE400−4)を使用したこと以外は、実施例1と同様に、電極用ペースト、電極及び膜−電極接合体を作製した。
[Comparative Example 3]
An electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly were prepared in the same manner as in Example 1 except that a commercially available anode electrode (GDE400-4, manufactured by Paramount Energy) using a sulfonated fluororesin solution as a binder was used. did.

<電極用ペースト、電極及び膜−電極接合体の評価>
以下の手順に従って、電極用ペースト、電極及び膜−電極接合体の評価を行った。
(I)メタノール水溶液への浸漬による電極の耐久性の評価
実施例1〜2及び比較例1〜3の電極を、メタノール水溶液(4質量%、50質量%)200mLに浸漬させ、80℃のオーブンにて24時間加熱した。そして、電極のメタノール水溶液への溶出の程度、浸漬後の電極の状態を調べ、電極の重量変化及びメタノール水溶液の成分変化の観点から、電極の耐久性を以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
○・・・・溶出なし
△・・・・わずかに溶出あり
×・・・・顕著に溶出あり
<Evaluation of electrode paste, electrode and membrane-electrode assembly>
The electrode paste, electrode, and membrane-electrode assembly were evaluated according to the following procedure.
(I) Evaluation of electrode durability by immersion in aqueous methanol solution The electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 were immersed in 200 mL of an aqueous methanol solution (4 mass%, 50 mass%), and an oven at 80 ° C. For 24 hours. Then, the degree of elution of the electrode into the aqueous methanol solution and the state of the electrode after immersion were examined, and the durability of the electrode was evaluated according to the following criteria from the viewpoints of changes in the weight of the electrode and changes in the components of the aqueous methanol solution. The results are shown in Table 1.
○ ・ ・ ・ ・ No elution △ ・ ・ ・ ・ Slight elution × ・ ・ ・ ・ Remarkably elution

Figure 0005374094
Figure 0005374094

実施例1及び2の電極は、メタノール水溶液へ溶出せず、ほとんど膨潤していなかった。
比較例1の電極は、メタノール水溶液へ顕著に溶出し、激しく膨潤していた。
比較例2の電極は、比較例1の電極よりも程度は低いが、メタノール水溶液へ顕著に溶出し、激しく膨潤していた。
比較例3の電極は、4質量%のメタノール水溶液へは溶出しなかったが、50質量%のメタノール水溶液へはわずかに溶出し、膨潤していた。
The electrodes of Examples 1 and 2 did not elute into an aqueous methanol solution and were hardly swollen.
The electrode of Comparative Example 1 was remarkably eluted in a methanol aqueous solution and swollen vigorously.
The electrode of Comparative Example 2 was less extensive than the electrode of Comparative Example 1, but it eluted significantly into the aqueous methanol solution and swelled violently.
The electrode of Comparative Example 3 did not elute into the 4% by mass methanol aqueous solution, but slightly eluted into the 50% by mass methanol aqueous solution and swollen.

(II)相対出力の比較による電極の耐久性の評価
実施例1〜2及び比較例1〜3の膜−電極接合体を、燃料電池用単セル(JARI標準セル)に規定の方法でセットした。このセルを燃料電池発電評価装置(エヌエフ回路ブロック設計社製As−510)にセットし、セルの温度を35℃、メタノールの濃度を10質量%、流量を毎分0.5ml、空気の流量を毎分200mlに設定して運転し、セルのI−Vを計測して最大出力を比較した。そして、電極の耐久性を発電性能から評価するために、浸漬前の出力を100として、浸漬後の相対出力を算出した。結果を表2に示す。
(II) Evaluation of electrode durability by comparison of relative output The membrane-electrode assemblies of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 were set in a single cell for fuel cells (JARI standard cell) by a prescribed method. . This cell is set in a fuel cell power generation evaluation apparatus (NF circuit block design As-510), the cell temperature is 35 ° C., the concentration of methanol is 10 mass%, the flow rate is 0.5 ml / min, and the air flow rate is The operation was set at 200 ml per minute, and the cell's IV was measured to compare the maximum output. And in order to evaluate durability of an electrode from electric power generation performance, the output before immersion was set to 100, and the relative output after immersion was computed. The results are shown in Table 2.

Figure 0005374094
Figure 0005374094

実施例1及び2の電極は、浸漬を行っても高出力を維持しており、比較例3の電極と同等の良好な相対出力であった。
これに対して、比較例1及び2の電極は、相対出力が20%以上低下しており、PTFEをせん断しなかった場合や、PTFEを多量に使用した場合において、出力の低下を抑制できなかった。
The electrodes of Examples 1 and 2 maintained a high output even when immersed, and had a good relative output equivalent to that of the electrode of Comparative Example 3.
On the other hand, the relative outputs of the electrodes of Comparative Examples 1 and 2 were reduced by 20% or more, and when the PTFE was not sheared or when a large amount of PTFE was used, the decrease in output could not be suppressed. It was.

(III)FE−SEMによるPTFEの繊維化状態の確認
ガス拡散層へ塗布する直前の実施例1〜2及び比較例1〜3の電極用ペーストの一部を試料台にセットした。これを一昼夜乾燥した後、電解放出型走査型電子顕微鏡(FE−SEM、JEOL社製、JSM−6700F)で観察した。結果を表3に示す。
(III) Confirmation of fiberization state of PTFE by FE-SEM Part of the electrode pastes of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 immediately before application to the gas diffusion layer were set on a sample stage. After drying this all day and night, it was observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, manufactured by JEOL, JSM-6700F). The results are shown in Table 3.

Figure 0005374094
Figure 0005374094

本発明は、固体高分子型燃料電池に利用可能である。   The present invention is applicable to a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の電極と、これを備えた膜−電極接合体を例示する概略図である。It is the schematic which illustrates the electrode of this invention and a membrane-electrode assembly provided with the same.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・膜−電極接合体、10・・・電極、11・・・電解質膜、11a・・・電解質膜の一方の表面、13・・・触媒層、13a・・・電極用バインダ固化物、13b・・・触媒担持電子伝達性物質、14・・・ガス拡散層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane-electrode assembly, 10 ... Electrode, 11 ... Electrolyte membrane, 11a ... One surface of electrolyte membrane, 13 ... Catalyst layer, 13a ... Solidified binder for electrode , 13b ... catalyst-carrying electron transfer material, 14 ... gas diffusion layer

Claims (8)

触媒を担持した電子伝達性物質と、ケイ素−酸素結合による3次元架橋構造体を形成する架橋性化合物(X)と、酸基としてスルホン酸基を有する高分子材料(Y)と、せん断力の印加により繊維化するフッ素系樹脂であるポリテトラフルオロエチレンを含む水分散体(Z)と、を配合して混練し、前記フッ素系樹脂を繊維化させる工程を有することを特徴とする電極用ペーストの製造方法。 An electron transfer material carrying a catalyst, a crosslinkable compound (X) that forms a three-dimensional crosslinked structure by silicon-oxygen bonds, a polymer material (Y) having a sulfonic acid group as an acid group , and a shearing force An electrode paste comprising a step of blending and kneading an aqueous dispersion (Z) containing polytetrafluoroethylene , which is a fluororesin that is made into a fiber by application, and fiberizing the fluororesin Manufacturing method. 前記高分子材料が、スルホン酸基を含むモノマーと、スルホン酸基を含まず且つケイ素原子を含むモノマーとからなることを特徴とする請求項1記載の電極用ペーストの製造方法。 Wherein the polymeric material is a monomer containing a sulfonic acid group, a manufacturing method of electrode paste according to claim 1, characterized in that it consists of a monomer containing and silicon atoms containing no sulfonic acid group. 前記高分子材料が、重合性不飽和二重結合を有するモノマーを重合させて得られたスルホン酸基含有高分子を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の電極用ペーストの製造方法。 The method for producing an electrode paste according to claim 1 or 2 , wherein the polymer material contains a sulfonic acid group-containing polymer obtained by polymerizing a monomer having a polymerizable unsaturated double bond. . 前記架橋性化合物が、The crosslinkable compound is
1,2−ビス(トリエトキシシリル)エタン、1,6−ビス(トリメトキシシリル)ヘキサン、1,9−ビス(トリエトキシシリル)ノナン、1,8−ビス(トリエトキシシリル)オクタン、1,8−ビス(ジエトキシメチルシリル)オクタン、1,4−ビス(トリメトキシシリルエチル)ベンゼン、1,4−ビス(トリエトキシシリルエチル)ベンゼン、1,8−ビス(メチルジエトキシシリル)オクタン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、i−プロピルトリメトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン、ケイ酸、ケイ酸カリウム及びケイ酸ナトリウムからなる群から選択される何れか1以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の電極用ペーストの製造方法。1,2-bis (triethoxysilyl) ethane, 1,6-bis (trimethoxysilyl) hexane, 1,9-bis (triethoxysilyl) nonane, 1,8-bis (triethoxysilyl) octane, 8-bis (diethoxymethylsilyl) octane, 1,4-bis (trimethoxysilylethyl) benzene, 1,4-bis (triethoxysilylethyl) benzene, 1,8-bis (methyldiethoxysilyl) octane, Tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, methyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenylmethyldimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, n-propyltri Methoxysilane, i-p It is any one or more selected from the group consisting of pyrtrimethoxysilane, n-butyltrimethoxysilane, silicic acid, potassium silicate, and sodium silicate. The manufacturing method of the paste for electrodes as described in any one of.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法で製造されたことを特徴とする電極用ペースト。 An electrode paste produced by the method according to any one of claims 1 to 4. 請求項5に記載の電極用ペーストを使用したことを特徴とする電極。 An electrode using the electrode paste according to claim 5. 請求項6に記載の電極が、電解質膜の両面に配置されてなることを特徴とする膜−電極接合体。 A membrane-electrode assembly, wherein the electrode according to claim 6 is disposed on both surfaces of an electrolyte membrane. 請求項7に記載の膜−電極接合体を備えたことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 7.
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