JP5405783B2 - Fuel cell catalyst layer, fuel cell catalyst layer transfer sheet, fuel cell gas diffusion electrode, fuel cell membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

Fuel cell catalyst layer, fuel cell catalyst layer transfer sheet, fuel cell gas diffusion electrode, fuel cell membrane electrode assembly, and fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用触媒層に関するものである。   The present invention relates to a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell.

プロトン伝導性基を有する高分子電解質を使用する固体高分子形燃料電池(PEFC)は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体、家庭用コンジェネレーションシステム、および民間用小型携帯機器などへの適用が検討されており、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a polymer electrolyte having a proton-conducting group can be operated at a low temperature and can be reduced in size and weight. Application to small portable devices for private use is being considered and is expected as one of the pillars of new energy technology.

前記PEFCは、触媒層とガス拡散層とから形成されるガス拡散電極と高分子電解質膜との膜電極接合体(MEA)をガスフロープレートで両側から挟んだ構造である。そのMEAは、アノード、カソードおよびそれらを隔てる高分子電解質膜とで構成される。ガスフロープレートにはガス流路が加工されており、アノードには燃料として水素、カソードには酸化剤として酸素あるいは空気を供給し、電力を得ることができる。   The PEFC has a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) of a gas diffusion electrode and a polymer electrolyte membrane formed from a catalyst layer and a gas diffusion layer is sandwiched between gas flow plates from both sides. The MEA includes an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane that separates them. A gas flow path is processed in the gas flow plate. Electric power can be obtained by supplying hydrogen as fuel to the anode and oxygen or air as oxidant to the cathode.

しかしながら、このPEFCは、供給する燃料および酸化剤を十分に加湿しないと所望の出力を得ることができないため、加湿器等を設置しなければならない。そのために、PEFCシステム全体が大きくなるため、近年、PEFCシステムの小型化のために加湿器の小型化あるいは除去が必要不可欠であり、低加湿な燃料、および酸化剤の供給でもPEFCを稼動可能にする技術が強く求められている。前記課題を解決するために、例えば特許文献1のような、触媒層内に親水性の層を配置することによって水分保持力を向上させるという技術が公開されているが、この技術はアノード側に特化されたものであり、酸化剤の湿度の影響を大きく受けやすいカソード側に関しては何も言及されていない。
特開2007−329036
However, since this PEFC cannot obtain a desired output unless the supplied fuel and oxidant are sufficiently humidified, a humidifier or the like must be installed. For this reason, since the entire PEFC system becomes larger, it is indispensable to downsize or remove the humidifier in recent years to reduce the size of the PEFC system, and the PEFC can be operated even by supplying low-humidified fuel and oxidant. There is a strong demand for technology to do this. In order to solve the above-mentioned problem, for example, Patent Literature 1 discloses a technique for improving moisture retention by disposing a hydrophilic layer in a catalyst layer. This technique is disclosed on the anode side. Nothing is said about the cathode side, which is specialized and highly sensitive to the humidity of the oxidant.
JP2007-329036

低加湿の酸化剤を供給しても、良好なPEFCの発電特性を発現する触媒層、特にカソードに適用できる触媒層を製造することが強く望まれている。本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は低加湿な酸化剤を供給しても、良好なPEFCの発電特性を発現する燃料電池用触媒層を提供することである。   There is a strong desire to produce a catalyst layer that exhibits good PEFC power generation characteristics even when a low-humidifying oxidant is supplied, particularly a catalyst layer that can be applied to a cathode. The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell catalyst layer that exhibits good PEFC power generation characteristics even when a low-humidifying oxidant is supplied. .

本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討をおこなった結果、少なくとも、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物、および燃料電池用触媒を用いて触媒層を製作し、前記触媒層の水の接触角を0°<X<90°に制御することによって、低加湿のガス、とくに酸化剤を供給しても良好なPEFCの発電特性を発現できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor manufactured a catalyst layer using at least a polymer compound having an aromatic unit having a proton conductive group introduced therein and a fuel cell catalyst. The present invention has found that by controlling the water contact angle of the catalyst layer to 0 ° <X <90 °, good power generation characteristics of PEFC can be expressed even when a low-humidified gas, particularly an oxidizing agent is supplied. It came to complete.

すなわち本発明は、少なくとも、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物、および燃料電池用触媒を含む燃料電池用触媒層の、水の接触角が0°<X<90°であることを特徴とする燃料電池用触媒層である。   That is, according to the present invention, the contact angle of water of the catalyst layer for a fuel cell including at least the polymer compound having an aromatic unit having a proton conductive group introduced therein and the catalyst for the fuel cell is 0 ° <X <90 °. A catalyst layer for a fuel cell, characterized in that

また、前記触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Y(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)は、0.1≦Y≦1.0であることが好ましい。
また、前記触媒層が高分子のフィルム上に形成された燃料電池用触媒層転写シートであることが好ましい。
Further, the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced relative to the catalyst carrier in the catalyst layer (Y = weight of solid content of polymer compound into which the proton conductive group is introduced / weight of the catalyst carrier) is 0. It is preferable that 1 ≦ Y ≦ 1.0.
The catalyst layer is preferably a fuel cell catalyst layer transfer sheet formed on a polymer film.

また、前記触媒層が無機物のフィルム上に形成された燃料電池用触媒層転写シートであることが好ましい。
また、前記触媒層が導電性多孔質シート上に形成された燃料電池用ガス拡散電極であることが好ましい。
また、前記触媒層がカソードに用いられることが好ましく、前記触媒層がプロトン伝導性を有する高分子電解質膜に接合された燃料電池用膜電極接合体であることが好ましい。 また、前記触媒層を燃料電池に用いることが好ましい。
The catalyst layer is preferably a fuel cell catalyst layer transfer sheet formed on an inorganic film.
Moreover, it is preferable that the said catalyst layer is a gas diffusion electrode for fuel cells formed on the electroconductive porous sheet.
The catalyst layer is preferably used as a cathode, and the catalyst layer is preferably a fuel cell membrane electrode assembly bonded to a polymer electrolyte membrane having proton conductivity. The catalyst layer is preferably used for a fuel cell.

また本発明は、請求項1の燃料電池用触媒層に、少なくとも酸素を含む酸化剤および90%RH以下の水蒸気を含む気体を供給することを特徴とする発電方法である。
また本発明は、請求項1の燃料電池用触媒層に、少なくとも酸素を含む酸化剤および90%RH以下の水蒸気を含む気体を供給することを特徴とする燃料電池システムである。
According to another aspect of the present invention, there is provided a power generation method characterized in that a gas containing at least an oxidant containing oxygen and water vapor of 90% RH or less is supplied to the fuel cell catalyst layer.
According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system in which a gas containing at least an oxidizing agent containing oxygen and water vapor of 90% RH or less is supplied to the fuel cell catalyst layer.

本発明によれば、少なくとも、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物、および燃料電池用触媒を含む触媒層を作製し、前記触媒層の水の接触角を0°<X<90°に制御することによって、低加湿の燃料および酸化剤を供給しても良好なPEFCの発電特性を発現することができる。したがって、本発明の燃料電池用触媒層を用いたPEFCは、低加湿条件下でも、優れた発電特性を示した。 According to the present invention, a catalyst layer including at least a polymer compound having an aromatic unit into which a proton conductive group is introduced and a catalyst for a fuel cell is prepared, and the contact angle of water of the catalyst layer is 0 ° < By controlling X <90 °, good power generation characteristics of PEFC can be expressed even when a low-humidified fuel and an oxidant are supplied. Therefore, the PEFC using the fuel cell catalyst layer of the present invention showed excellent power generation characteristics even under low humidification conditions.

本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は、以下の説明に限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described as follows. Note that the present invention is not limited to the following description.

本発明の燃料電池用触媒層について具体的に説明する。   The fuel cell catalyst layer of the present invention will be specifically described.

本発明の燃料電池用触媒層の水の接触角Xは、0°<X<90°である。前記範囲のXの場合、低加湿の燃料、および酸化剤が供給されても、触媒層内は適度な水分量を保持することができるので、良好な発電特性を発現させることができる。   The water contact angle X of the fuel cell catalyst layer of the present invention is 0 ° <X <90 °. In the case of X in the above range, even if a low-humidified fuel and an oxidizer are supplied, an appropriate amount of water can be maintained in the catalyst layer, so that good power generation characteristics can be exhibited.

本発明における低加湿の酸化剤は、少なくとも酸素を含むことが好ましい。また本発明における低加湿の酸化剤中の水蒸気量は、通常90%RH以下、好ましくは85%RH以下、さらに好ましくは80%RH以下である。   The low-humidifying oxidant in the present invention preferably contains at least oxygen. In the present invention, the amount of water vapor in the low-humidifying oxidant is usually 90% RH or less, preferably 85% RH or less, more preferably 80% RH or less.

本発明の燃料電池用触媒層の水の接触角の制御は、「触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Y(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)」、あるいは「触媒層における触媒担体に対する前記プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物、あるいは無機化合物の含まれる割合Z(Z=プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物あるいは無機化合物の固形分重量/触媒担体の重量)」によって制御できる。燃料電池用触媒層の水の接触角Xが90°より大きい場合は、撥水性が大きすぎるために、触媒層、および高分子電解質膜プロトン伝導に必要な水分量まで系外に排出され、PEFCの発電特性が著しく低下するので好ましくない。   The control of the water contact angle of the fuel cell catalyst layer of the present invention is as follows: “the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced to the catalyst carrier in the catalyst layer (Y = a high proton conductive group introduced ratio). Solid content weight of molecular compound / weight of catalyst support) "or" a ratio of the polymer compound in which the proton conductive group is not introduced to the catalyst support in the catalyst layer or an inorganic compound Z (Z = proton conductivity) " The weight of the polymer compound or inorganic compound into which the group is not introduced / the weight of the solid content / the weight of the catalyst carrier) can be controlled. When the water contact angle X of the fuel cell catalyst layer is larger than 90 °, the water repellency is too large, and the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane are discharged out of the system up to the amount of water necessary for proton conduction. This is not preferable because the power generation characteristics are significantly deteriorated.

触媒層の接触角の測定方法は特に限定されないが、例えば、触媒層表面に一定量の脱イオン水(例:1μL〜1mL)を滴下し、一定時間(1秒〜1分)経過後、水滴の形状をCCDカメラで目視することによって測定する方法が例示される。   The method for measuring the contact angle of the catalyst layer is not particularly limited. For example, a certain amount of deionized water (eg, 1 μL to 1 mL) is dropped on the surface of the catalyst layer, and after a certain time (1 second to 1 minute) has elapsed, A method of measuring the shape by visually observing the shape with a CCD camera is exemplified.

本発明に用いる、少なくとも、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物は、高分子化合物中の芳香族単位にプロトン伝導性基を導入できるものであれば特に限定がなく、例えば、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリ1,4−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリエチレン―グラフト―ポリスチレン共重合体、スチレン―(エチレン−プロピレン)―スチレンブロック共重合体、スチレン―(エチレン−ブチレン)―スチレンブロック共重合体、スチレン―イソブチレン―スチレンブロック共重合体、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、シアン酸エステル樹脂、およびこれらの誘導体などを例示できる。また、本発明に用いる高分子化合物は、これらの化合物を1種類以上用いた共重合体でも良いし、これらの化合物をグラフト鎖に用いた化合物でも良い。また、これらの化合物の共重合体を作製するために、化合物同士をつなげる連結剤が用いられても良い。   The polymer compound having an aromatic unit having at least a proton conductive group used in the present invention is not particularly limited as long as it can introduce a proton conductive group into the aromatic unit in the polymer compound. For example, polyetherketone, polyetheretherketone, polyetherketoneketone, polyetheretherketoneketone, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyarylethersulfone, poly1,4-biphenyleneetherethersulfone, polyarylene Ether sulfone, polyparaphenylene, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polystyrene, Ndiotactic polystyrene, polyethylene-graft-polystyrene copolymer, styrene- (ethylene-propylene) -styrene block copolymer, styrene- (ethylene-butylene) -styrene block copolymer, styrene-isobutylene-styrene block copolymer Examples of the polymer include polyimide, polyetherimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, cyanate ester resin, and derivatives thereof. The polymer compound used in the present invention may be a copolymer using one or more of these compounds, or a compound using these compounds in a graft chain. Moreover, in order to produce the copolymer of these compounds, the coupling agent which connects compounds may be used.

本発明の芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物を得る方法としては、プロトン伝導性基を有するモノマーとプロトン伝導性基を有しないモノマーとを共重合する方法、芳香族単位を有する高分子化合物に対する高分子反応によりプロトン伝導性基を導入する方法など、公知の方法が適用できる。前者の例としては、例えば、必要に応じて適当な保護基を導入したプロトン伝導性基を有するモノマーとプロトン伝導性基を有しないモノマーとを共重合した後、脱保護する方法などを例示できる。また、後者の例としては、例えば、芳香族単位を有する高分子化合物を溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させる方法、濃硫酸や発煙硫酸中で反応させる方法などを例示できる。   As a method for obtaining a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit of the present invention, a monomer having a proton conductive group and a monomer having no proton conductive group are copolymerized. Known methods such as a method of introducing a proton conductive group by a polymer reaction with a polymer compound having an aromatic unit, and the like can be applied. Examples of the former include, for example, a method in which a monomer having a proton conductive group into which an appropriate protective group is introduced as necessary and a monomer having no proton conductive group are copolymerized and then deprotected. . Examples of the latter include a method of reacting a polymer compound having an aromatic unit with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent, a method of reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, and the like. .

本発明のプロトン伝導性基は、含水状態でプロトンを解離できるものであれば特に限定がなく、例えば、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、フェノール性水酸基などを例示できる。これらは単独、あるいは複数用いてもかまわない。これらのなかで、プロトン伝導性基の導入のしやすさや得られる高分子化合物のプロトン伝導性などを考慮すると、スルホン酸基であることが特に好ましい。   The proton conductive group of the present invention is not particularly limited as long as it can dissociate protons in a water-containing state, and examples thereof include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, carboxyl groups, and phenolic hydroxyl groups. These may be used alone or in combination. Among these, a sulfonic acid group is particularly preferable in view of ease of introduction of a proton conductive group and proton conductivity of the resulting polymer compound.

本発明の芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物のイオン交換容量は、0.9meq/g以上、6meq/g以下であることが好ましい。0.9meq/g未満では、PEFCの発電に要するプロトン伝導度が得られない恐れがあり、また、6meq/gより大きい場合では、前記イオン交換容量を有するための反応で、高分子化合物を分解させる恐れがある。   The ion exchange capacity of the polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit of the present invention is preferably 0.9 meq / g or more and 6 meq / g or less. If it is less than 0.9 meq / g, the proton conductivity required for PEFC power generation may not be obtained, and if it is greater than 6 meq / g, the polymer compound is decomposed by the reaction having the ion exchange capacity. There is a fear.

また、本発明に用いる高分子化合物の化学的耐久性の向上のために、架橋材が用いられても良い。前記架橋材は特に限定されないが、式(1)の官能基が1分子中に2つ以上存在することが好ましい。前記官能基が1個未満の場合、高分子化合物の架橋が進行しない恐れがあるので好ましくない。   In order to improve the chemical durability of the polymer compound used in the present invention, a crosslinking material may be used. Although the said crosslinking material is not specifically limited, It is preferable that two or more functional groups of Formula (1) exist in 1 molecule. When the number of functional groups is less than 1, it is not preferable because crosslinking of the polymer compound may not proceed.

Figure 0005405783
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また、前記架橋材1分子中に2つ以上存在する官能基のRは、水素、アルキル基またはアシル基のいずれかであれば特に限定はなく、前記官能基のRはそれぞれ独立で、互いに同一であっても異なっていてもよい。化合物の入手の容易さや前記「プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物」との反応で副生する化合物の除去の容易さなどを考慮すると、水素、メチル基あるいはアセチル基であることが好ましい。   The R of the functional group present in two or more molecules in the cross-linking material is not particularly limited as long as it is any one of hydrogen, an alkyl group, and an acyl group, and the Rs of the functional groups are independent and the same. Or different. Considering the availability of the compound and the ease of removing the compound by-produced by the reaction with the above-mentioned “polymer compound having an aromatic unit having a proton conductive group introduced”, hydrogen, methyl group or acetyl group It is preferable that

このような前記架橋材は、例えば、1,2−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、1,3−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、1,4−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、2,6−ビス(ヒドロキシメチル)フェノール、3,5−ビス(ヒドロキシメチル)フェノール、4,6−ビス(ヒドロキシメチル)−o−クレゾール、2,6−ビス(ヒドロキシメチル)−p−クレゾール、2,6−ビス(ヒドロキシメチル)−4−t−ブチルフェノール、2,2’−ビス(ヒドロキシメチル)ジフェニルエーテル、4,4’−ビス(ヒドロキシメチル)ジフェニルエーテル、1,2,4−ベンゼントリメタノール、1,3,5−ベンゼントリメタノール、4,4’−メチレンビス[2,6−ジ(ヒドロキシメチル)]フェノール、オキシビス(3,4−ジヒドロキシメチル)ベンゼン、1,2−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、1,3−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、1,4−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、2,6−ビス(メトキシメチル)−p−クレゾール、2,6−ビス(メトキシメチル)−4−t−ブチルフェノール、2,4,6−トリス[ビス(メトキシメチル)アミノ]−1,3,5−トリアジン、サイメル(登録商標、日本サイテックインダストリーズ株式会社製)、DML−PC(本州化学工業株式会社製)、TML−BPA−MF(本州化学工業株式会社製)、TML−BPAF−MF(本州化学工業株式会社製)、DML−OC(本州化学工業株式会社製)、Dimethoxymethyl p−CR(本州化学工業株式会社製)、DML−MBPC(本州化学工業株式会社製)、DML−BPC(本州化学工業株式会社製)、TML−BP(本州化学工業株式会社製)、TMOM−BP(本州化学工業株式会社製)、DML−PEP(本州化学工業株式会社製)、DML−34X(本州化学工業株式会社製)、DML−PSBP(本州化学工業株式会社製)、DML−PTBP(本州化学工業株式会社製)、DML−PCHP(本州化学工業株式会社製)、DML−POP(本州化学工業株式会社製)、DML−PFP(本州化学工業株式会社製)、DML−MBOC(本州化学工業株式会社製)、HML−TPPHBA(本州化学工業株式会社製)、HMOM−TPPHBA(本州化学工業株式会社製)、26DMPC(旭有機材工業株式会社製)、46DMOC(旭有機材工業株式会社製)、DM−BIPC−F(旭有機材工業株式会社製)、DM−BIOC−F(旭有機材工業株式会社製)、TM−BIP−A(旭有機材工業株式会社製)、ニカラック(株式会社三和ケミカル製)などを例示できるが、これらのみに限定されるものではない。また、さらに、上記と一部重複するが前記架橋材は、下記化学式に示す化合物も例示できる。すなわち下記の構造式(2)−(11)の10種類、(12)―(26)の15種類、(27)―(41)の15種類、および(42)―(45)の4種類の化合物を例示できるが、これらのみに限定されるものではない。   Examples of such a crosslinking material include 1,2-bis (hydroxymethyl) benzene, 1,3-bis (hydroxymethyl) benzene, 1,4-bis (hydroxymethyl) benzene, and 2,6-bis (hydroxy). Methyl) phenol, 3,5-bis (hydroxymethyl) phenol, 4,6-bis (hydroxymethyl) -o-cresol, 2,6-bis (hydroxymethyl) -p-cresol, 2,6-bis (hydroxy) Methyl) -4-t-butylphenol, 2,2′-bis (hydroxymethyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (hydroxymethyl) diphenyl ether, 1,2,4-benzenetrimethanol, 1,3,5-benzene Trimethanol, 4,4′-methylenebis [2,6-di (hydroxymethyl)] phenol, oxybis ( , 4-Dihydroxymethyl) benzene, 1,2-bis (methoxymethyl) benzene, 1,3-bis (methoxymethyl) benzene, 1,4-bis (methoxymethyl) benzene, 2,6-bis (methoxymethyl) -P-cresol, 2,6-bis (methoxymethyl) -4-tert-butylphenol, 2,4,6-tris [bis (methoxymethyl) amino] -1,3,5-triazine, Cymel (registered trademark, Nippon Cytec Industries Co., Ltd.), DML-PC (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TML-BPA-MF (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TML-BPAF-MF (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML- OC (manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), Dimethymethyl p-CR (manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-MBPC ( State Chemical Industry Co., Ltd.), DML-BPC (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TML-BP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TMOM-BP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PEP (Honshu Chemical Co., Ltd.) Industrial Co., Ltd.), DML-34X (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PSBP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PTBP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PCHP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.) Company), DML-POP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PFP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-MBOC (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), HML-TPPHBA (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.) ), HMOM-TPPHBA (manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), 26DMPC (manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.), 46DMOC (Asahi Organic Material Industries Co., Ltd.) ), DM-BIPC-F (Asahi Organic Material Industries Co., Ltd.), DM-BIOC-F (Asahi Organic Material Industries Co., Ltd.), TM-BIP-A (Asahi Organic Material Industries Co., Ltd.), Nikarak (Stock) (Manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) can be exemplified, but is not limited thereto. Furthermore, although partially overlapping with the above, examples of the crosslinking material include compounds represented by the following chemical formula. That is, 10 types of the following structural formulas (2)-(11), 15 types of (12)-(26), 15 types of (27)-(41), and 4 types of (42)-(45) Although a compound can be illustrated, it is not limited only to these.

Figure 0005405783
Figure 0005405783

Figure 0005405783
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Figure 0005405783
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Figure 0005405783
Figure 0005405783

これらの化合物は1種類であっても複数であってもかまわない。これらのなかで、入手の容易さや前記「プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物」との反応性、前記「プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物」との反応生成物の耐熱性や水等の液体に対する膨潤性・溶解性や透過性の抑制効果などを考慮すると、下記構造式(2)―(11)で示される10種類の化合物   These compounds may be one kind or plural. Among these, availability, reactivity with the above-mentioned “polymer compound having an aromatic unit into which a proton-conducting group is introduced”, and “polymer having an aromatic unit into which a proton-conducting group is introduced” In consideration of the heat resistance of the reaction product with the “compound” and the effect of suppressing the swelling / solubility and permeability to liquids such as water, ten types of compounds represented by the following structural formulas (2) to (11)

Figure 0005405783
からなる群から選択される少なくとも1種以上であることが特に好ましい。
Figure 0005405783
Particularly preferred is at least one selected from the group consisting of

前記「プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物」と前記架橋材との配合比率は、前記「プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物」100重量部に対して、前記架橋材1〜50重量部が好ましく、5〜40重量部がさらに好ましい。架橋材が1重量部未満であると、前記「プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物」との反応生成物の耐熱性の向上効果や水などの液体に対する膨潤性・溶解性や透過性の抑制効果が低くなる恐れがある。一方、前記架橋材が50重量部を超えると、前記「プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物」との反応生成物のプロトン伝導度や機械強度が低下する恐れがある。   The blending ratio of the “polymer compound having an aromatic unit into which a proton conductive group is introduced” and the cross-linking material is 100 wt% of the “polymer compound having an aromatic unit into which a proton conductive group is introduced”. The crosslinking material is preferably 1 to 50 parts by weight, more preferably 5 to 40 parts by weight with respect to parts. When the cross-linking material is less than 1 part by weight, the effect of improving the heat resistance of the reaction product with the “polymer compound having an aromatic unit into which a proton conductive group is introduced” and the swelling property with respect to a liquid such as water There is a risk that the effect of suppressing solubility and permeability is lowered. On the other hand, if the cross-linking material exceeds 50 parts by weight, the proton conductivity and mechanical strength of the reaction product with the “polymer compound having an aromatic unit having a proton conductive group introduced” may be lowered. .

前記高分子電解質と架橋材との反応生成物は、これらの混合物を加熱することによって得ることができる。また、この化学反応は、加熱さえすれば空気中でも十分起こりうる。加熱する温度は、通常、前記化学反応が進行する温度〜前記高分子電解質の分解温度および前記化合物Xの沸点および分解温度、の範囲である必要がある。これらの化学反応が速やかに進行し、優れた性能を発現しうる燃料電池用触媒層および燃料電池用電極を得るには、前記化学反応が進行する温度以上、300℃以下の温度で加熱することが好ましい。ここで化学反応が進行する温度としては、示差走査熱量分析装置(DSC)などによる反応前後の発生熱量の変化や、熱機械分析計(TMA)などによる機械特性の変化などで確認することができる。加熱温度が前記温度範囲よりも低い場合は、反応が生じなかったり、反応が不充分となったり、反応時間が長くなったりする恐れがある。一方、加熱温度が前記温度範囲よりも高い場合は、性能低下の要因となるような副反応や分解反応が生じたり、前記高分子電解質のプロトン伝導性基が分解、脱離する恐れがある。前記加熱条件は、好ましくは130℃以上、200℃以下であり、時間は1分間以上、180分間以下、好ましくは5分間以上、60分間以下である。このような加熱条件を選択することにより、特性および生産性の両面から優れた製造方法となる。本発明において、前記化学反応時の加熱方法は特に限定されず、例えば、通常のオーブンなどによる加熱や真空オーブンによる加熱、プレス機による加熱などが列挙できるが、これらに限定されない。また、後述の燃料電池用膜電極接合体製造時の加熱圧接時に加熱しても良い。   The reaction product of the polymer electrolyte and the crosslinking material can be obtained by heating the mixture. In addition, this chemical reaction can occur sufficiently in air as long as it is heated. The heating temperature usually needs to be in the range of the temperature at which the chemical reaction proceeds to the decomposition temperature of the polymer electrolyte and the boiling point and decomposition temperature of the compound X. In order to obtain a fuel cell catalyst layer and a fuel cell electrode in which these chemical reactions proceed rapidly and can exhibit excellent performance, heating is performed at a temperature not lower than the temperature at which the chemical reaction proceeds and not higher than 300 ° C. Is preferred. Here, the temperature at which the chemical reaction proceeds can be confirmed by a change in the amount of heat generated before and after the reaction by a differential scanning calorimeter (DSC) or a change in mechanical characteristics by a thermomechanical analyzer (TMA) or the like. . When the heating temperature is lower than the above temperature range, the reaction may not occur, the reaction may be insufficient, or the reaction time may be prolonged. On the other hand, when the heating temperature is higher than the above temperature range, there is a risk that side reactions or decomposition reactions that cause performance degradation may occur, or proton conductive groups of the polymer electrolyte may be decomposed and eliminated. The heating conditions are preferably 130 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and the time is 1 minute or longer and 180 minutes or shorter, preferably 5 minutes or longer and 60 minutes or shorter. By selecting such heating conditions, the production method is excellent in terms of both characteristics and productivity. In the present invention, the heating method at the time of the chemical reaction is not particularly limited, and examples thereof include heating by a normal oven, heating by a vacuum oven, heating by a press machine, and the like, but are not limited thereto. Moreover, you may heat at the time of the heating press-contact at the time of the membrane electrode assembly for fuel cells mentioned later.

本発明に用いる燃料電池用触媒としては特に限定がなく、燃料電池の電極反応に対して活性な触媒が使用できるもの、例えば触媒担体に触媒金属が担持されたものが好ましい。本発明の触媒担体とは、燃料電池の電極反応に対して活性な触媒を担持する部材をいうが、上記のプロトン伝導性基が導入された高分子化合物や上記のプロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物は含まない。   The fuel cell catalyst used in the present invention is not particularly limited, and a catalyst that can use an active catalyst for the electrode reaction of the fuel cell, for example, a catalyst carrier on which a catalyst metal is supported is preferable. The catalyst carrier of the present invention refers to a member that supports a catalyst that is active for the electrode reaction of a fuel cell. However, the polymer compound into which the proton conductive group is introduced or the proton conductive group is introduced. High molecular compounds not included are not included.

触媒担体としては、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどの高表面積の炭素材料、あるいは二酸化チタン、シリコン酸化物等の高表面積の無機化合物であることが好ましい。触媒金属としては、例えば、白金等が例示できる。さらに、還元能の向上、触媒金属の安定化、あるいは長寿命化のために白金と任意の触媒金属などからなる複合あるいは合金触媒なども使用できる。さらにその成分は、鉄、錫、希土類元素などを用いた3成分以上であってもよい。また、前記燃料電池用触媒に占める触媒金属の重量比は、20wt%以上、95wt%以下であることが好ましい。20wt%未満では、所望の触媒金属担時量の触媒層を作成する際、触媒層の厚みが増大し、燃料、および酸化剤の拡散性が低下するので好ましくない。また、95wt%以上では、触媒金属を細かく触媒担体表面に担時することができず、トータルでの触媒金属表面積が減少し、触媒の活性が低下するので好ましくない。   The catalyst carrier may be, for example, a high surface area carbon material such as furnace black, acetylene black, ketjen black, activated carbon, carbon nanohorn, or carbon nanotube, or a high surface area inorganic compound such as titanium dioxide or silicon oxide. preferable. Examples of the catalyst metal include platinum. Furthermore, a composite or alloy catalyst made of platinum and an arbitrary catalyst metal can be used for improving the reduction ability, stabilizing the catalyst metal, or extending the life. Further, the component may be three or more components using iron, tin, rare earth elements and the like. Further, the weight ratio of the catalyst metal to the fuel cell catalyst is preferably 20 wt% or more and 95 wt% or less. If it is less than 20 wt%, when a catalyst layer having a desired amount of catalyst metal is formed, the thickness of the catalyst layer is increased, and the diffusibility of the fuel and the oxidant is decreased. On the other hand, if it is 95 wt% or more, the catalyst metal cannot be finely supported on the surface of the catalyst carrier, and the total surface area of the catalyst metal is reduced, so that the activity of the catalyst is lowered.

本発明の触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Y(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)は、0.1≦Y≦1.0であることが好ましい。0.1未満では、触媒層内のプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の繋がりが少なくなるために、プロトン伝導経路が断絶し、PEFCの発電特性が低下するので好ましくない。また、1.0より大きい場合では、触媒層内の孔がプロトン伝導性基が導入された高分子化合物で埋まることによって、燃料および酸化剤の拡散が阻害され、PEFCの発電特性が低下するので好ましくない。   In the catalyst layer of the present invention, the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced with respect to the catalyst carrier (Y = solid content weight of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced / weight of the catalyst carrier) is 0. It is preferable that 1 ≦ Y ≦ 1.0. If it is less than 0.1, the polymer compound having a proton conductive group introduced in the catalyst layer is less connected, so that the proton conduction path is interrupted and the power generation characteristics of the PEFC are deteriorated. On the other hand, when the ratio is larger than 1.0, the pores in the catalyst layer are filled with the polymer compound into which the proton conductive group is introduced, so that the diffusion of the fuel and the oxidant is inhibited and the power generation characteristics of the PEFC are deteriorated. It is not preferable.

また、プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量とは、前記架橋材を用いない場合は前記高分子化合物のみの固形分重量のみをいう。また、前記架橋材を用いた場合では、前記高分子化合物と前記架橋材との合計固形分重量をいう。   Further, the solid content weight of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced means only the solid content weight of the polymer compound when the cross-linking material is not used. Moreover, when the said crosslinking material is used, the total solid content weight of the said high molecular compound and the said crosslinking material is said.

本発明の触媒層の接触角の角度の制御のために、前記触媒層にプロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物、あるいは無機化合物が含まれていてもよい。前記プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物は、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系高分子化合物が好ましく、無機化合物では、二酸化チタン、シリコン酸化物等の無機化合物であることが好ましい。本発明の触媒層における触媒担体に対する前記プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物、あるいは無機化合物の含まれる割合Z(Z=プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物あるいは無機化合物の固形分重量/触媒担体の重量)は、0.05以上、1.0以下であることが好ましい。0.05未満では、前記触媒層の接触角を制御することが不可能であり、1.0より大きい場合では、前記触媒層内のガスの拡散を阻害するので好ましくない。   In order to control the contact angle of the catalyst layer of the present invention, the catalyst layer may contain a polymer compound into which no proton conductive group is introduced or an inorganic compound. The polymer compound into which the proton conductive group is not introduced is preferably a fluorine-based polymer compound such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Inorganic compounds such as titanium dioxide and silicon oxide are preferred. The polymer compound in which the proton conductive group is not introduced to the catalyst carrier in the catalyst layer of the present invention, or the ratio Z in which the inorganic compound is contained (Z = polymer compound or inorganic compound in which no proton conductive group is introduced) The weight of solid content / weight of the catalyst carrier is preferably 0.05 or more and 1.0 or less. If it is less than 0.05, it is impossible to control the contact angle of the catalyst layer, and if it is more than 1.0, diffusion of gas in the catalyst layer is hindered.

本発明の燃料電池用触媒層は、少なくとも、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物と、前記燃料電池用触媒とを含む燃料電池用触媒層形成材料を基材上に塗布することによって製造される。前記触媒層形成材料には、必要に応じて、溶媒、プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物、無機化合物、分散剤、増粘剤、造孔剤等が含まれていても構わない。また、これらの添加剤は、当業者にとって従来公知のものが使用可能であり、その他の具体的な構成については、特に限定されない。   The catalyst layer for a fuel cell of the present invention comprises, on a substrate, a catalyst layer forming material for a fuel cell comprising at least a polymer compound having an aromatic unit having a proton conductive group introduced therein and the fuel cell catalyst. Manufactured by applying. The catalyst layer forming material may contain a solvent, a polymer compound into which a proton conductive group is not introduced, an inorganic compound, a dispersant, a thickener, a pore forming agent, and the like, as necessary. . In addition, those additives conventionally known to those skilled in the art can be used, and other specific configurations are not particularly limited.

前記触媒層形成材料の基材への塗布方法は、粘度や基材の種類に応じて、下記に示すような塗布方法が利用できる。前記触媒層形成材料の基材上への塗布方法としては、当業者にとって従来公知の塗布方法であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷などを利用する方法が列挙できるが、本発明に限定されるものではない。   As a method for applying the catalyst layer forming material to the base material, the following application methods can be used depending on the viscosity and the type of the base material. The method for applying the catalyst layer forming material onto the base material may be any conventionally known application method for those skilled in the art, and other specific configurations are not particularly limited. For example, methods using a knife coater, a bar coater, a spray, a dip coater, a spin coater, a roll coater, a die coater, a curtain coater, screen printing, and the like can be listed, but are not limited to the present invention.

本発明において、基材として、高分子シートおよび無機物のシートを使用した場合には燃料電池用触媒層転写シートが、導電性多孔質シートを使用した場合には燃料電池用ガス拡散電極が、それぞれ製造できる。   In the present invention, when a polymer sheet and an inorganic sheet are used as a base material, a fuel cell catalyst layer transfer sheet is used, and when a conductive porous sheet is used, a fuel cell gas diffusion electrode is used. Can be manufactured.

本発明の燃料電池用触媒層転写シートの製造方法に用いる、高分子シートは、文字通り、当業者にとって従来公知の高分子フィルムであればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。かかる高分子シートとしては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなる群から選択される少なくとも1種を含む、ことが製造工程でかかる加熱条件に耐え、工業的入手も容易であることから好ましい。   The polymer sheet used in the method for producing a fuel cell catalyst layer transfer sheet of the present invention is literally a polymer film conventionally known to those skilled in the art, and other specific configurations are not particularly limited. Such polymer sheets include polyimide, polyethylene terephthalate, polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, ethylenetetrafluoro. Selected from the group consisting of ethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Including at least one kind is preferable because it can withstand the heating conditions in the production process and is easily available industrially.

本発明の燃料電池用触媒層転写シートの製造方法に用いる、無機物のシートは、文字通り、当業者にとって従来公知の無機物のシートであればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。かかる無機物のシートとしては、チタン、ステンレス、アルミ、銅からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが、耐久性に優れること、および工業的入手も容易であることから好ましい。   The inorganic sheet used in the method for producing a catalyst layer transfer sheet for a fuel cell according to the present invention may literally be an inorganic sheet conventionally known to those skilled in the art, and the other specific configurations are not particularly limited. The inorganic sheet preferably contains at least one selected from the group consisting of titanium, stainless steel, aluminum, and copper because of excellent durability and easy industrial availability.

本発明の燃料電池用ガス拡散電極の製造方法に用いる導電性多孔質シートは、文字通り、当業者にとって従来公知の導電性多孔質シートであればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。燃料や酸化剤の拡散性や電気化学的な安定性、工業的入手の容易さなどから、本発明の燃料電池用電極の製造方法において、前記導電性多孔質シートは、カーボンペーパー、カーボンクロスおよびカーボンフエルトからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。また、前記導電性多孔質シートは、触媒層内の水分量を制御しやすいことから、撥水処理が施されていることが好ましい。また、前記導電性多孔質シートは、触媒層と導電性多孔質シートとの電気的接触の向上、水分管理を適切に実施できるといった点から、前記燃料電池用触媒層形成材料を塗布する面上に、撥水導電性材料からなる層を備えること、が好ましい。撥水導電性材料としては、カーボンブラックなどの導電性微粒子とテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系高分子化合物から構成されることが例示できるが、本発明はこれに限定されるものではない。   The conductive porous sheet used in the method for producing a gas diffusion electrode for a fuel cell of the present invention may literally be a conductive porous sheet conventionally known to those skilled in the art, and other specific configurations are particularly limited. Not. In the method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention, the conductive porous sheet includes carbon paper, carbon cloth, and the like, because of the diffusibility of fuel and oxidant, electrochemical stability, industrial availability, and the like. It is preferably at least one selected from the group consisting of carbon felt. The conductive porous sheet is preferably subjected to a water repellent treatment because it easily controls the amount of water in the catalyst layer. In addition, the conductive porous sheet is provided on the surface on which the fuel cell catalyst layer forming material is applied from the viewpoint that electrical contact between the catalyst layer and the conductive porous sheet can be improved and moisture management can be appropriately performed. It is preferable to provide a layer made of a water-repellent conductive material. Examples of the water repellent conductive material include conductive fine particles such as carbon black and a fluorine-based polymer compound such as tetrafluoroethylene (PTFE), but the present invention is not limited thereto. .

本発明の燃料電池用触媒層は、酸化剤の湿度の影響が大きいカソード側に用いられることが好ましい。前記触媒層をカソードに用いた場合、触媒層内の水分量を適度に保持できることから、カソードに供給される酸化剤の湿度を低下させること、つまりカソードの湿度の影響を低減できるので好ましい。このことによって、加湿器等を小型化、あるいは除去できるので、PEFCシステムの小型化ができる。   The catalyst layer for a fuel cell of the present invention is preferably used on the cathode side where the influence of humidity of the oxidant is large. When the catalyst layer is used for the cathode, it is preferable to reduce the humidity of the oxidant supplied to the cathode, that is, to reduce the influence of the humidity of the cathode, because the amount of water in the catalyst layer can be appropriately maintained. As a result, the humidifier or the like can be downsized or removed, and the PEFC system can be downsized.

本発明の燃料電池用膜電極接合体(MEA)は、燃料電池用触媒層、燃料電池用触媒層転写シートおよび燃料電池用ガス拡散電極を、高分子電解質膜の少なくとも一方の面に配置し、加熱圧接するものであればよく、その他の製造条件、成分、材料、配合割合等の具体的な構成については、特に限定されるものではない。   The fuel cell membrane electrode assembly (MEA) of the present invention comprises a fuel cell catalyst layer, a fuel cell catalyst layer transfer sheet, and a fuel cell gas diffusion electrode disposed on at least one surface of the polymer electrolyte membrane, What is necessary is just to be heat press-contacted, and it does not specifically limit about specific structures, such as other manufacturing conditions, a component, material, and a mixture ratio.

本発明のMEAは、前記高分子電解質膜の両面に、本発明の製造方法で得られる触媒層を配置し、前記高分子電解質膜と前記触媒層を接合した後、高分子フィルムを剥離することによって、高分子電解質膜とアノード側触媒層とカソード側触媒層とからなる3層膜電極接合体(3層MEA:Membrane Electrode Assembly、CCM:Catalyst Coating Membrane)を製造することができる。   In the MEA of the present invention, the catalyst layer obtained by the production method of the present invention is disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are joined, and then the polymer film is peeled off. Thus, a three-layer membrane electrode assembly (three-layer MEA: Membrane Electrode Assembly, CCM: Catalyst Coating Membrane) comprising a polymer electrolyte membrane, an anode-side catalyst layer, and a cathode-side catalyst layer can be produced.

また、前記触媒層の代わりに、本発明の製造方法で得られる燃料電池用ガス拡散電極を使用した場合、前記3層膜電極接合体の外側に拡散層が構成された5層膜電極接合体(5層MEA)を製造することができる。   In addition, when a gas diffusion electrode for a fuel cell obtained by the production method of the present invention is used instead of the catalyst layer, a five-layer membrane electrode assembly in which a diffusion layer is formed outside the three-layer membrane electrode assembly (5-layer MEA) can be manufactured.

さらに、拡散層と触媒層との間に、少なくとも、導電性カーボン粒子と撥水剤から構成される撥水導電性材料からなる層、を必要に応じて設けることや、拡散層周縁部の電解質膜上に1対のガスケットを配置して構成した7層膜電極接合体も本発明の範疇であることを付言しておく。   Furthermore, at least a layer made of a water repellent conductive material composed of conductive carbon particles and a water repellent agent is provided between the diffusion layer and the catalyst layer as needed, and the electrolyte at the periphery of the diffusion layer It is added that a seven-layer membrane electrode assembly formed by arranging a pair of gaskets on the membrane is also within the scope of the present invention.

本発明の燃料電池用膜電極接合体に用いる、高分子電解質膜は、文字通り、当業者にとって従来公知の高分子電解質膜であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜として、デュポン社製のナフィオン、旭硝子(株)製のフレミオン、旭化成(株)製のアシプレックス、ゴア社製のゴアセレクト、などが例示できる。また、非フッ素系の高分子電解質膜として、当業者にとって従来公知のものが使用できる。例えば、本発明で例示した高分子電解質を製膜したものや、非電解質の多孔質支持体に高分子電解質を充填した細孔フィリング膜や高分子電解質と非電解質とを複合化した複合電解質膜などを使用するのが好ましい。   The polymer electrolyte membrane used for the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention may be literally a polymer electrolyte membrane conventionally known to those skilled in the art, and other specific configurations are not particularly limited. Examples of perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes include Nafion manufactured by DuPont, Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Select manufactured by Gore. As the non-fluorine polymer electrolyte membrane, those conventionally known to those skilled in the art can be used. For example, a polymer electrolyte film exemplified in the present invention, a pore filling film in which a nonelectrolytic porous support is filled with a polymer electrolyte, or a composite electrolyte film in which a polymer electrolyte and a nonelectrolyte are combined Etc. are preferably used.

本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造において、加熱圧接の条件は、文字通り、当業者にとって従来公知の加熱圧接条件であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。最適な条件については、前記電解質膜と、アノード側触媒層およびカソード側触媒層にそれぞれ含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定する必要がある。一般的に加熱圧接の温度は、前記高分子電解質膜や前記触媒層に含まれる高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜あるいは前記触媒層に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜あるいは前記触媒層に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下で実施するのが好ましい。また、加熱圧接の加圧条件は、概ね0.1MPa以上20MPa以下の範囲であることが、高分子電解質膜と前記触媒層が充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がなく好ましい。また、前記加熱圧接の際に、前述の「前記高分子電解質と、架橋剤とを化学反応させて反応生成物を得る工程」を兼ねても良い。   In the production of the fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention, the conditions of the heat-pressure welding may literally be those conventionally known to those skilled in the art, and the other specific configurations are not particularly limited. The optimum conditions need to be set as appropriate according to the type of polymer electrolyte contained in each of the electrolyte membrane, the anode side catalyst layer, and the cathode side catalyst layer. Generally, the temperature of the heating and pressure welding is equal to or lower than the thermal deterioration or thermal decomposition temperature of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer, and the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer. It is preferable to carry out the reaction at a temperature above the glass transition point or softening point of the polymer electrolyte, or at a temperature above the glass transition point or softening point of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer. In addition, the pressurizing condition of the heat pressure contact is generally in the range of 0.1 MPa or more and 20 MPa or less, and the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are in sufficient contact with each other, and there is no deterioration in characteristics due to significant deformation of the material used. preferable. Further, at the time of the heating and pressure welding, the above-mentioned “step of obtaining a reaction product by chemically reacting the polymer electrolyte and a crosslinking agent” may be used.

本発明の燃料電池は、前記膜電極接合体を、燃料、並びに酸化剤を送り込む流路が形成された一対のセパレーターなどの間に挿入することにより、本発明の高分子電解質膜電極接合体を含む燃料電池が得られる。前記セパレーターは、特に限定されず、例えばカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, the membrane electrode assembly of the present invention is inserted between a pair of separators in which a flow path for feeding fuel and an oxidant is formed. A fuel cell containing is obtained. The separator is not particularly limited, and for example, a conductive material such as carbon graphite or stainless steel can be used. In particular, when a metal material such as stainless steel is used, it is preferable to perform a corrosion resistance treatment.

本発明の燃料電池は、アノードに燃料として、特に限定されないが水素を用いることができ、カソードに酸化剤として、特に限定されないが、酸素あるいは空気などを用いることができる。前記カソードに供給される酸化剤の湿度は、90%RH以下であることが好ましい。90%RHより高い場合は、カソードに供給される水分量が多すぎるために、フラッディング現象が起こり、発電特性が低下するので好ましくなく、また大きな加湿器を設置しなければならないので好ましくない。なお、前記湿度は、燃料電池の作動温度における飽和水蒸気量に対する加湿器の水の温度における飽和水蒸気の比から算出した値である。また、アノードに供給される燃料の湿度は、100%RH以下であることが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, hydrogen is not particularly limited as a fuel for the anode, but oxygen or air can be used for the cathode as an oxidant, although not particularly limited. The humidity of the oxidant supplied to the cathode is preferably 90% RH or less. If it is higher than 90% RH, the amount of water supplied to the cathode is too large, which is not preferable because flooding occurs and power generation characteristics deteriorate, and a large humidifier must be installed. The humidity is a value calculated from the ratio of the saturated water vapor at the temperature of the water in the humidifier to the saturated water vapor amount at the operating temperature of the fuel cell. The humidity of the fuel supplied to the anode is preferably 100% RH or less.

なお、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成して使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。   It should be noted that the polymer electrolyte fuel cells according to the present embodiment can be used alone or in a stacked manner to form a stack, or a fuel cell system incorporating them.

以下、実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the present invention is also applied to the embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means. It is included in the technical scope of the invention.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.

(実施例1)
<プロトン伝導性基が導入された芳香族高分子化合物(スルホン化PEEK)の作製>
最初に、メカニカルスターラーと還流管、および塩化カルシウム管を取り付けた反応容器に硫酸552.0gを入れ、次いで撹拌しながらPEEK450PF(ビクトレックス・エムシー社製ポリエーテルエーテルケトン)22.2gを加え、室温にて48時間撹拌した。反応溶液をイオン交換水中に滴下して反応生成物を沈殿させたあとろ過し、ろ液が中性になるまでイオン交換水にて洗浄した。得られた反応生成物を真空下、105℃にて8時間乾燥することにより、プロトン伝導性基が導入された芳香族高分子化合物(スルホン化PEEK)26.94gを得た。前記化合物のIECは2.2meq/g、プロトン伝導度は6.0×10-2S/cmであった。
Example 1
<Preparation of Aromatic Polymer Compound (Sulfonated PEEK) Introduced with Proton Conducting Group>
First, 552.0 g of sulfuric acid was placed in a reaction vessel equipped with a mechanical stirrer, a reflux pipe, and a calcium chloride pipe, and then 22.2 g of PEEK450PF (polyether ether ketone manufactured by Victorex MC) was added with stirring. For 48 hours. The reaction solution was dropped into ion-exchanged water to precipitate a reaction product, followed by filtration, and washed with ion-exchanged water until the filtrate became neutral. The obtained reaction product was dried under vacuum at 105 ° C. for 8 hours to obtain 26.94 g of an aromatic polymer compound (sulfonated PEEK) into which a proton conductive group was introduced. The compound had an IEC of 2.2 meq / g and a proton conductivity of 6.0 × 10 −2 S / cm.

<カソード触媒層が形成されたガス拡散電極の製造>
触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Y=0.1(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)のカソード側触媒層が形成されたガス拡散電極の製造は、次の手順にて作製した。なお、ここでは、プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量は、プロトン伝導性基が導入された高分子化合物と架橋材との合計重量とした。
<Manufacture of gas diffusion electrode with cathode catalyst layer>
Cathode of ratio Y = 0.1 of polymer compound having proton conductive group introduced to catalyst carrier in catalyst layer (Y = weight of solid content of polymer compound having proton conductive group introduced / weight of catalyst carrier) The gas diffusion electrode on which the side catalyst layer was formed was produced by the following procedure. Here, the solid content weight of the polymer compound into which the proton conductive group was introduced was the total weight of the polymer compound into which the proton conductive group was introduced and the cross-linking material.

最初に、燃料電池用組成物として、溶媒(メタノール、3.240g)に、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」の高分子化合物として上記スルホン化PEEK(0.300g)と、架橋材として化合物(6):“5,5’−[2,2,2−Trifluoro−1−(trifluoromethyl)ethylidene]bis[2−hydroxy−1,3−benzenedimethanol]”(以下、TML−BPAF−MF、0.060g)とを加え均一溶液を調製することによって、本実施例で使用する10wt%の高分子電解質溶液を調製した。次に、脱イオン水(2.500g)に白金担持カーボン触媒粉末(触媒に占める触媒金属の割合:50wt%、0.5g)を加えた後に、メタノール(2.500g)、前述で調製した高分子電解質溶液(10wt%、0.25g)を順に加え、マグネチックスターラーを用いて30分撹拌した。つぎに、プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物としてPTFE分散液(60wt%、0.125g)を加え、分散機を用いて触媒層形成材料を作製した。なお、触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yは0.1(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)とし、触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物の比率Zは0.3(Z=プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)とした。最後に、前記燃料電池用触媒層形成材料を、エアスプレーを用いてミクロポーラスレイヤー付カーボンペーパー(GDL24BC、SGL社製)に塗布し、最後に、送風オーブン(80℃)で1時間乾燥することによって、白金担持量0.5mgPt/cm2のカソード触媒層が形成されたガス拡散電極を製造した。 First, as a fuel cell composition, the sulfonation as a polymer compound of “a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit in a solvent (methanol, 3.240 g)”. PEEK (0.300 g) and compound (6) as a cross-linking material: “5,5 ′-[2,2,2-Trifluoro-1-ethyl (triethylene)] bis [2-hydroxy-1,3-benzenediethanol] (Hereinafter, TML-BPAF-MF, 0.060 g) was added to prepare a uniform solution, thereby preparing a 10 wt% polymer electrolyte solution used in this example. Next, after adding platinum-supported carbon catalyst powder (ratio of catalyst metal in the catalyst: 50 wt%, 0.5 g) to deionized water (2.500 g), methanol (2.500 g) was added as described above. A molecular electrolyte solution (10 wt%, 0.25 g) was added in order, and the mixture was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer. Next, PTFE dispersion (60 wt%, 0.125 g) was added as a polymer compound into which no proton conductive group was introduced, and a catalyst layer forming material was produced using a disperser. In the catalyst layer, the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced to the catalyst carrier in the catalyst layer is 0.1 (Y = weight of solid content of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced / weight of the catalyst carrier) The ratio Z of the polymer compound in which no proton conductive group is introduced to the catalyst carrier in the catalyst layer is 0.3 (Z = weight of solid content of polymer compound in which no proton conductive group is introduced / catalyst carrier weight) Weight). Finally, the fuel cell catalyst layer forming material is applied to carbon paper with a microporous layer (GDL24BC, manufactured by SGL) using air spray, and finally dried in a blowing oven (80 ° C.) for 1 hour. Thus, a gas diffusion electrode on which a cathode catalyst layer having a platinum loading of 0.5 mg Pt / cm 2 was formed was manufactured.

<アノード触媒層が形成されたガス拡散電極の製造>
最初に、燃料電池用組成物として、脱イオン水(8.330g)に白金ルテニウム合金担時カーボン触媒粉末(触媒に占める触媒合金金属の割合:55wt%、0.833g)を加えた後に、高分子電解質溶液(ナフィオン溶液、デュポン社製、5wt%、5.250g)を順に加え、マグネチックスターラーを用いて30分撹拌した。つぎに、プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物としてPTFE分散液(60wt%、0.188g)を加え、分散機を用いて触媒層形成材料を作製した。なお、触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yは0.7(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)とし、触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物の比率Zは0.3(Z=プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)とした。最後に、前記燃料電池用触媒層形成材料を、エアスプレーを用いてミクロポーラスレイヤー付カーボンペーパー(GDL24BC、SGL社製)に塗布し、最後に、送風オーブン(80℃)で1時間乾燥することによって、白金担持量0.5mgPt/cm2のアノード触媒層が形成されたガス拡散電極を製造した。
<Production of gas diffusion electrode with anode catalyst layer>
First, as a fuel cell composition, after adding platinum ruthenium alloy-supported carbon catalyst powder (ratio of catalyst alloy metal in the catalyst: 55 wt%, 0.833 g) to deionized water (8.330 g), A molecular electrolyte solution (Nafion solution, manufactured by DuPont, 5 wt%, 5.250 g) was sequentially added, and the mixture was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer. Next, PTFE dispersion (60 wt%, 0.188 g) was added as a polymer compound into which no proton conductive group was introduced, and a catalyst layer forming material was produced using a disperser. In the catalyst layer, the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced to the catalyst carrier in the catalyst layer is 0.7 (Y = weight of solid content of polymer compound into which the proton conductive group is introduced / weight of the catalyst carrier) The ratio Z of the polymer compound in which no proton conductive group is introduced to the catalyst carrier in the catalyst layer is 0.3 (Z = weight of solid content of polymer compound in which no proton conductive group is introduced / catalyst carrier weight) Weight). Finally, the fuel cell catalyst layer forming material is applied to carbon paper with a microporous layer (GDL24BC, manufactured by SGL) using air spray, and finally dried in a blowing oven (80 ° C.) for 1 hour. Thus, a gas diffusion electrode in which an anode catalyst layer having a platinum loading of 0.5 mg Pt / cm 2 was formed was produced.

<触媒層の水の接触角の測定方法>
前記カソード側ガス拡散電極を、SUS板、ポリイミドシート(100mm × 100mm × 0.05mm )、アノード側ガス拡散電極(22mm × 22mm)、ガス拡散電極部分を切り抜いたPTFEシート(100mm × 100mm × 0.2mm)、ポリイミドシート(100mm × 100mm × 0.05mm )、SUS板の順に積層し、150℃に加熱した加圧板に、設置した後に、50kgf/cm2、30 分間保持の条件で加熱処理した。この加熱処理したガス拡散電極の触媒層上に脱イオン水1μLを滴下し、その水滴の形状をCCDカメラで撮影することによって触媒層の水の接触角を測定した。
<Measurement method of water contact angle of catalyst layer>
The cathode side gas diffusion electrode was made of a SUS plate, a polyimide sheet (100 mm × 100 mm × 0.05 mm), an anode side gas diffusion electrode (22 mm × 22 mm), and a PTFE sheet (100 mm × 100 mm × 0.00 mm) cut out from the gas diffusion electrode portion. 2 mm), a polyimide sheet (100 mm × 100 mm × 0.05 mm), and a SUS plate were laminated in this order, and placed on a pressure plate heated to 150 ° C., followed by heat treatment under conditions of 50 kgf / cm 2 and holding for 30 minutes. 1 μL of deionized water was dropped on the heat-treated gas diffusion electrode catalyst layer, and the contact angle of the catalyst layer with water was measured by photographing the shape of the water drop with a CCD camera.

<膜電極接合体の製造>
膜電極接合体は、加熱圧接機(テスター産業株式会社)を用いて次の手順で製作した。最初に、SUS板、PTFEシート(100mm × 100mm × 0.05mm )、アノード側ガス拡散電極(22mm × 22mm)、ガス拡散電極部分を切り抜いたPTFEシート(100mm × 100mm × 0.2mm)、高分子電解質膜(NRE212CS、デュポン社製)触媒層部分を切り抜いたPTFEシート(100mm × 100mm × 0.2mm)、カソード側ガス拡散電極(22mm × 22mm)、PTFEシート(100mm × 100mm × 0.05mm )およびSUS板の順に積層した。この積層物を、150℃に加熱した加圧板に、設置した後に、50kgf/cm2、30 分間保持の条件で加熱圧接することによって作製した。
<Manufacture of membrane electrode assembly>
The membrane electrode assembly was manufactured by the following procedure using a heating and pressure welding machine (Tester Sangyo Co., Ltd.). First, a SUS plate, a PTFE sheet (100 mm × 100 mm × 0.05 mm), an anode side gas diffusion electrode (22 mm × 22 mm), a PTFE sheet (100 mm × 100 mm × 0.2 mm) cut out from the gas diffusion electrode, and a polymer PTFE sheet (100 mm × 100 mm × 0.2 mm), cathode side gas diffusion electrode (22 mm × 22 mm), PTFE sheet (100 mm × 100 mm × 0.05 mm) cut out from the electrolyte membrane (NRE212CS, manufactured by DuPont) catalyst layer Laminated in the order of SUS plates. After this laminate was placed on a pressure plate heated to 150 ° C., it was produced by heating and pressing under conditions of holding at 50 kgf / cm 2 for 30 minutes.

<PEFC発電特性評価>
前記膜電極接合体を用いて燃料電池単セルを組み立てた。最初に、アノード側エンドプレート、ガスフロープレート、PTFEガスケット(0.20mm)、膜電極接合体、PTFEガスケット(0.20mm)、ガスフロープレート、エンドプレートの順に積層した。つぎに、M3のボルトで2Nmで締め付けることによって、本実施例で用いる燃料電池単セルを製作した。
<PEFC power generation characteristics evaluation>
A single fuel cell was assembled using the membrane electrode assembly. First, an anode side end plate, a gas flow plate, a PTFE gasket (0.20 mm), a membrane electrode assembly, a PTFE gasket (0.20 mm), a gas flow plate, and an end plate were laminated in this order. Next, a fuel cell single cell used in this example was manufactured by tightening with M3 bolts at 2 Nm.

続いて、前記単セルを電子負荷装置(PLZ164WA、菊水電子工業社製)を搭載した評価装置に設置したのちに、セル温度80℃、燃料(水素、84ml/min、100%RH)をアノード側に供給した。また、酸化剤(空気、400ml/min、100%RH)をカソード側に供給した。つぎに、電子負荷装置を定電流モードに設定し、前記膜電極接合体を含む燃料電池の電位が0.5A/cm2で24時間保持し、PEFCのコンディショニングをおこなった。最後に、セル温度80℃、燃料(水素、84ml/min、100%RH)をアノード側に供給し、酸化剤(空気、400ml/min、80%RH、40%RH)はカソード側に供給し、0.3A/cm2での分極特性を評価した。低加湿条件下におけるPEFCの発電特性の評価は、酸化剤(空気、400ml/min、80%RH)での最大出力密度に対する、酸化剤(空気、400ml/min、40%RH)の最大出力密度の比を算出することによっておこなった。 Subsequently, after the single cell was installed in an evaluation apparatus equipped with an electronic load device (PLZ164WA, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.), the cell temperature was 80 ° C., and the fuel (hydrogen, 84 ml / min, 100% RH) was supplied to the anode side. Supplied to. Further, an oxidizing agent (air, 400 ml / min, 100% RH) was supplied to the cathode side. Next, the electronic load device was set to a constant current mode, and the potential of the fuel cell including the membrane electrode assembly was held at 0.5 A / cm 2 for 24 hours to condition the PEFC. Finally, the cell temperature is 80 ° C., the fuel (hydrogen, 84 ml / min, 100% RH) is supplied to the anode side, and the oxidant (air, 400 ml / min, 80% RH, 40% RH) is supplied to the cathode side. The polarization characteristics at 0.3 A / cm 2 were evaluated. Evaluation of power generation characteristics of PEFC under low humidification conditions is based on the maximum power density of oxidant (air, 400 ml / min, 40% RH) relative to the maximum power density of oxidant (air, 400 ml / min, 80% RH). This was done by calculating the ratio.

(実施例2)
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを0.25にしたこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 2)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group was introduced relative to the catalyst carrier in the cathode catalyst layer was 0.25.

(実施例3)
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを0.5にしたこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 3)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group was introduced with respect to the catalyst support in the cathode catalyst layer was 0.5.

(実施例4)
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを0.7にしたこと以外は実施例1と同様にした。
Example 4
The same procedure as in Example 1 was performed except that the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group was introduced to the catalyst support in the cathode catalyst layer was 0.7.

(実施例5)
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを1.0にしたこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 5)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group was introduced with respect to the catalyst support in the cathode catalyst layer was 1.0.

(比較例1)
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを0.08にしたこと以外は実施例1と同様にした。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group was introduced to the catalyst support in the cathode catalyst layer was 0.08.

(比較例2)
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを1.2にしたこと以外は実施例1と同様にした。
(Comparative Example 2)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group was introduced with respect to the catalyst support in the cathode catalyst layer was 1.2.

(比較例3)
カソード触媒層に用いるプロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物のかわりに、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有さない高分子化合物(ナフィオン溶液、デュポン社製)を用いたこと以外は実施例4と同様にした。
(Comparative Example 3)
Instead of a polymer compound having an aromatic unit into which a proton conductive group is introduced used for the cathode catalyst layer, a polymer compound having no aromatic unit into which a proton conductive group is introduced (Nafion solution, manufactured by DuPont) ) Was used in the same manner as in Example 4.

図1は、実施例1、2、3、4、5、比較例1、2、および3で製造した「カソード側触媒層の水の接触角」と、「酸化剤(空気、400ml/min、80%RH)での最大出力密度に対する、酸化剤(空気、400ml/min、40%RH)での最大出力密度の比」とをまとめたものである。この評価では、「酸化剤(空気、400ml/min、80%RH)での最大出力密度に対する、酸化剤(空気、400ml/min、40%RH)での最大出力密度の比」が0.65以上の値を低加湿条件下での発電特性に優れるとした。この結果から、実施例で作製した触媒層を有するPEFCは酸化剤が低加湿になっても発電特性の低下が小さいこと、すなわち低加湿条件下におけるPEFCの発電特性に優れることが判明した。   FIG. 1 shows the “contact angle of water on the cathode side catalyst layer” prepared in Examples 1, 2, 3, 4, 5, and Comparative Examples 1, 2, and 3, and “oxidant (air, 400 ml / min, The ratio of the maximum power density at the oxidizing agent (air, 400 ml / min, 40% RH) to the maximum power density at 80% RH) is summarized. In this evaluation, “the ratio of the maximum power density in the oxidant (air, 400 ml / min, 40% RH) to the maximum power density in the air (400 ml / min, 80% RH)” is 0.65. The above values are considered to be excellent in power generation characteristics under low humidification conditions. From this result, it was found that the PEFC having the catalyst layer produced in the example has a small decrease in power generation characteristics even when the oxidizer is low humidified, that is, the power generation characteristics of PEFC under low humidification conditions are excellent.

本発明にかかるPEFC用触媒層は、PEFCをはじめとして、様々な産業上の利用可能性がある。   The catalyst layer for PEFC according to the present invention has various industrial applicability including PEFC.

触媒層の水の接触角と最大出力密度の比Ratio of contact angle of water and maximum power density of catalyst layer

Claims (9)

少なくとも、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物と式(1)
−CH OR・・・・・(1)
(式中、Rは水素、アルキル基またはアシル基であって、複数のRはそれぞれ独立で、互いに同一であっても異なっていても良い。)
の官能基を1分子中に2つ以上有する架橋材との反応生成物、および燃料電池用触媒を含む燃料電池用触媒層の、水の接触角が0°<X<90°であって、カソードに使用されることを特徴とする燃料電池用触媒層。
At least a polymer compound having an aromatic unit having a proton conductive group introduced therein and the formula (1)
-CH 2 OR (1)
(In the formula, R is hydrogen, an alkyl group, or an acyl group, and a plurality of R's are independent and may be the same or different from each other.)
The contact angle of water of the reaction product with the cross-linking material having two or more functional groups in a molecule and the fuel cell catalyst layer containing the fuel cell catalyst is 0 ° <X <90 °, A catalyst layer for a fuel cell, which is used for a cathode.
請求項1記載の触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Y(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)が、0.1≦Y≦1.0であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用触媒層。 The ratio Y of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced with respect to the catalyst carrier in the catalyst layer according to claim 1 (Y = solid content weight of the polymer compound into which the proton conductive group is introduced / weight of the catalyst carrier) The fuel cell catalyst layer according to claim 1, wherein 0.1 ≦ Y ≦ 1.0. 請求項1または2に記載の燃料電池用触媒層が、高分子のフィルム上に形成されていることを特徴とする、燃料電池用触媒層転写シート。 3. A fuel cell catalyst layer transfer sheet, wherein the fuel cell catalyst layer according to claim 1 is formed on a polymer film. 請求項1または2に記載の燃料電池用触媒層が、無機物のフィルム上に形成されていることを特徴とする、燃料電池用触媒層転写シート。 3. A fuel cell catalyst layer transfer sheet, wherein the fuel cell catalyst layer according to claim 1 is formed on an inorganic film. 請求項1または2に記載の燃料電池用触媒層が、導電性多孔質シート上に形成されていることを特徴とする、燃料電池用ガス拡散電極。 A fuel cell gas diffusion electrode, wherein the fuel cell catalyst layer according to claim 1 or 2 is formed on a conductive porous sheet. 請求項1または2に記載の燃料電池用触媒層、請求項3または4に記載の燃料電池用触媒層転写シートから剥離された燃料電池用触媒層、もしくは、請求項5に記載の燃料電池用ガス拡散電極を備え、燃料電池用触媒層がプロトン伝導性を有する高分子電解質膜に接合されていることを特徴とする、燃料電池用膜電極接合体。 The fuel cell catalyst layer according to claim 1, the fuel cell catalyst layer peeled off from the fuel cell catalyst layer transfer sheet according to claim 3, or the fuel cell catalyst layer according to claim 5. A fuel cell membrane electrode assembly comprising a gas diffusion electrode, wherein a fuel cell catalyst layer is joined to a polymer electrolyte membrane having proton conductivity. 請求項1または2に記載の燃料電池用触媒層、請求項3または4に記載の燃料電池用触媒層転写シートから剥離された燃料電池用触媒層、請求項5に記載の燃料電池用ガス拡散電極、もしくは、請求項6に記載の燃料電池用膜電極接合体を備えた燃料電池。 The fuel cell catalyst layer according to claim 1, the fuel cell catalyst layer peeled off from the fuel cell catalyst layer transfer sheet according to claim 3, or the fuel cell gas diffusion according to claim 5. A fuel cell comprising the electrode or the membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 6. 請求項1記載の燃料電池用触媒層に、少なくとも酸素を含む酸化剤および90%RH以下の水蒸気を含む気体を供給することを特徴とする発電方法。 A power generation method comprising supplying a gas containing an oxidizing agent containing at least oxygen and water vapor of 90% RH or less to the fuel cell catalyst layer according to claim 1. 請求項1記載の燃料電池用触媒層に、少なくとも酸素を含む酸化剤および90%RH以下の水蒸気を含む気体を供給することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein a gas containing at least an oxidizing agent containing oxygen and water vapor of 90% RH or less is supplied to the fuel cell catalyst layer.
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