JP5427532B2 - Electrode paste, electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池への使用に好適な電極用ペースト、電極及び膜−電極接合体、並びにこれらを使用した燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode paste suitable for use in a fuel cell, an electrode and a membrane-electrode assembly, and a fuel cell using these.
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、固体高分子形燃料電池(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、ナフィオン(登録商標)(デュポン社製))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 sulfonated fluororesin (for example, Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont)) as a polymer material, but recently, other polymer materials (for example, hydrocarbons). A system 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、ガラス転移温度(Tg)130℃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, when the glass transition temperature (Tg) is 130 ° C. or higher, there is a problem of swelling due to poor high-temperature durability, such as degeneration in a short time, and high affinity between methanol and resin used as fuel. It was.
一方、スルホン化フッ素系樹脂以外の高分子材料を使用した電極は、該高分子材料をアルコール等の極性溶媒に溶解させた溶液を作製して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)等のフッ素系樹脂とを混合して、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を有していない場合が多く、そのため、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 a polymer material other than a sulfonated fluororesin is prepared by preparing a solution in which the polymer material is dissolved in a polar solvent such as alcohol to form a binder for an electrode, which carries a catalyst such as platinum. The obtained carbon powder is mixed with a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) that functions as a binder and a water repellent, and the resulting mixture is applied onto a gas diffusion layer such as carbon paper. It is manufactured by hot pressing.
The electrode produced in this way is excellent in high temperature durability and suppressed swelling due to methanol. However, in many cases, the conductive polymer material does not have a binding property, and therefore, there is a problem that a large amount of PTFE is required.
そこで、このような結着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。 Therefore, in order to solve such a problem of binding properties, it has been proposed to use, as a polymer material, a fluorine-based resin having a property of being fiberized by shearing. 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. Yes.
しかし、特許文献1で開示されている方法は、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。また、PTFEをせん断する必要もある。したがって、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、電極の耐メタノール性については言及されていない。このように従来は、十分な耐メタノール性を有し、しかも簡便に製造できる燃料電池用の電極は提案されていないのが実情である。 However, the method disclosed in Patent Document 1 needs to treat the kneaded product with an ion exchange resin after forming the sheet into a sheet. It is also necessary to shear PTFE. Therefore, the manufacturing process is complicated and disadvantageous in terms of process efficiency. Patent Document 1 does not mention the methanol resistance of the electrode. Thus, in the past, there has been no actual proposal of a fuel cell electrode that has sufficient methanol resistance and can be easily manufactured.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、耐メタノール性に優れ、且つ簡便に製造できる電極、該電極の製造に好適な電極用ペースト、該電極を使用した膜−電極接合体、及び該膜−電極接合体を使用した燃料電池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 has an excellent methanol resistance and can be easily manufactured, an electrode paste suitable for manufacturing the electrode, a membrane-electrode assembly using the electrode, and It is an object of the present invention to provide a fuel cell using the membrane-electrode assembly.
請求項1にかかる発明は、酸基含有高分子材料(A)としてのポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)、親水性高分子材料(B)としてのポリビニルアルコール、及び触媒を担持した電子伝達性物質(C)を配合してなる電極用ペーストであって、前記酸基含有高分子材料(A):前記親水性高分子材料(B)の配合比(質量比)が55:45〜80:20であり、前記触媒を担持した電子伝達性物質(C)100質量部に対する前記親水性高分子材料(B)の配合量が5質量部以上であることを特徴とする電極用ペーストである。
請求項2にかかる発明は、さらに、界面活性剤及びフッ素系樹脂を配合してなることを特徴とする請求項1に記載の電極用ペーストである。
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の電極用ペーストが加熱及び固化されてなることを特徴とする電極である。
請求項4にかかる発明は、前記電極用ペーストが100℃以上に加熱されることを特徴とする請求項3に記載の電極である。
請求項5にかかる発明は、請求項3又は4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6にかかる発明は、請求項5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。
The invention according to claim 1 carries poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) as the acid group-containing polymer material (A) , polyvinyl alcohol as the hydrophilic polymer material (B), and a catalyst. An electrode paste comprising the electron transfer substance (C) thus prepared, wherein the compounding ratio (mass ratio) of the acid group-containing polymer material (A): the hydrophilic polymer material (B) is 55: It is 45-80: 20, The compounding quantity of the said hydrophilic high molecular material (B) with respect to 100 mass parts of electron transport substances (C) which carry | supported the said catalyst is 5 mass parts or more, It is a paste.
The invention according to claim 2 further an electrode paste according to claim 1, characterized in that by blending a surfactant and a fluorine-based resin.
The invention according to claim 3 is an electrode characterized in that the electrode paste according to claim 1 or 2 is heated and solidified.
The invention according to claim 4 is an electrode according to claim 3, wherein the electrode paste is characterized in that it is heated to above 100 ° C..
The invention according to claim 5 is a membrane-electrode assembly in which the electrode according to claim 3 or 4 is arranged on both surfaces of the electrolyte membrane.
A sixth aspect of the present invention is a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to the fifth aspect.
本発明によれば、耐メタノール性に優れた電極を簡便に製造できる。そして、このような電極を使用することで、発電性能と耐久性に優れた燃料電池を、簡便に低コストで製造できる。 According to the present invention, an electrode excellent in methanol resistance can be easily produced. And by using such an electrode, the fuel cell excellent in power generation performance and durability can be manufactured simply and at low cost.
以下、本発明について詳しく説明する。
<電極用ペースト>
本発明の電極用ペーストは、酸基含有高分子材料(A)、該酸基含有高分子材料(A)に該当しない親水性高分子材料(B)(以下、「親水性高分子材料(B)」と略記する)、及び触媒を担持した電子伝達性物質(C)(以下、「触媒担持電子伝達性物質(C)」と略記する)を配合してなる電極用ペーストであって、前記酸基含有高分子材料(A):前記親水性高分子材料(B)の配合比(質量比)が55:45〜80:20であり、前記触媒担持電子伝達性物質(C)100質量部に対する前記親水性高分子材料(B)の配合量が5質量部以上であることを特徴とする。
The present invention will be described in detail below.
<Paste for electrodes>
The electrode paste of the present invention comprises an acid group-containing polymer material (A), a hydrophilic polymer material (B) not corresponding to the acid group-containing polymer material (A) (hereinafter referred to as “hydrophilic polymer material (B ) ", And an electron transfer material (C) supporting a catalyst (hereinafter abbreviated as" catalyst-supported electron transfer material (C) "), The mixing ratio (mass ratio) of the acid group-containing polymer material (A): the hydrophilic polymer material (B) is 55: 45-80: 20, and 100 parts by mass of the catalyst-carrying electron transfer material (C) The blending amount of the hydrophilic polymer material (B) with respect to is 5 parts by mass or more.
(酸基含有高分子材料(A))
酸基含有高分子材料(A)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、酸基含有高分子材料(A)としては、スルホン酸基を有する高分子材料が好ましい。
(Acid group-containing polymer material (A))
The acid group-containing polymer material (A) has proton conductivity and is an acid 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. Examples thereof include a polymer material having a group. 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 acid group-containing polymer material (A), a polymer material having a sulfonic acid group is preferable.
酸基含有高分子材料(A)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 acid group-containing polymer material (A) 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.
酸基含有高分子材料(A)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。
酸基含有高分子材料(A)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、酸基含有高分子材料(A)がさらに親水性基を有することで、後述する触媒担持電子伝達性物質(C)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 acid group-containing polymer material (A) may further have a hydrophilic group other than the 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 acid group-containing polymer material (A) 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.
Thus, since the acid group-containing polymer material (A) further has a hydrophilic group, the binding force between the catalyst-carrying electron transfer materials (C) described later is further improved, and the water resistance and polarity resistance of the electrode are improved. Solvent property (for example, alcohol resistance) is improved.
酸基含有高分子材料(A)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;酸基を有さないモノマーで、且つ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 acid group-containing polymer material (A) may be obtained by polymerizing only a monomer having an acid group (hereinafter abbreviated as monomer (V)), or the monomer (V) and other monomers other than that. A copolymer may be used. 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. Specific examples include a monomer having no acid group; a monomer having no acid group, and a cross-linking agent having a plurality of functional groups capable of binding to other monomers. 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有するモノマー(W)も使用できる。
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 having a silicon atom can also be used.
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.
本発明においては、一種又は複数種の酸基含有高分子材料(A)同士をさらに架橋剤で架橋したものを、酸基含有高分子材料(A)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 acid group-containing polymer materials (A) that are further crosslinked with a crosslinking agent may be used as the acid group-containing polymer material (A). 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、所望の酸基含有高分子材料(A)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 acid group-containing polymer material (A) can be easily used even with a simple polymerization controller. Is obtained.
酸基含有高分子材料(A)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、酸基含有高分子材料(A)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。
The acid group-containing polymer material (A) 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.
The mass average molecular weight of the acid group-containing polymer material (A) is preferably 1000 to 10000000, and 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.
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(A1)と、質量平均分子量が前記高分子材料(A1)よりも大きい高分子材料(A2)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(A1)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(A2)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(A1)は、後述する触媒担持電子伝達性物質(C)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(A2)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。 In the present invention, it is preferable to use a polymer material (A1) having a smaller mass average molecular weight and a polymer material (A2) having a mass average molecular weight larger than that of the polymer material (A1). More specifically, the mass average molecular weight of the polymer material (A1) is preferably 1000 to 300,000, and more preferably 5,000 to 100,000. The mass average molecular weight of the polymer material (A2) is preferably from 300,000 to 10,000,000, more preferably from 500,000 to 5,000,000. By doing so, the polymer material (A1) easily enters the secondary aggregate (agglomerate) of the catalyst-carrying electron transfer substance (C), which will be described later. Can be further improved. Furthermore, the polymer material (A2) can maintain stable power generation performance even in an environment where the temperature is relatively high and the methanol concentration is high.
(親水性高分子材料(B))
親水性高分子材料(B)は、酸基含有高分子材料(A)に該当しない高分子材料であり、酸基を有さない親水性の高分子材料である。
親水性高分子材料(B)としては、前記条件を満たすものであれば特に限定されず、親水性基又は親水性の結合を、側鎖又は主鎖に有するポリマーが例示できる。
また、親水性高分子材料(B)は、架橋性基を有していても良い。この場合、親水性基以外に架橋性基を有していても良く、親水性且つ架橋性である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、水酸基が特に好ましい。
親水性の結合としては、エーテル結合、エステル結合、アミド結合等が例示できる。
親水性高分子材料(B)は、水酸基を有する高分子材料が好ましい。
(Hydrophilic polymer material (B))
The hydrophilic polymer material (B) is a polymer material not corresponding to the acid group-containing polymer material (A), and is a hydrophilic polymer material having no acid group.
The hydrophilic polymer material (B) is not particularly limited as long as it satisfies the above conditions, and examples thereof include a polymer having a hydrophilic group or a hydrophilic bond in a side chain or main chain.
Moreover, the hydrophilic polymer material (B) may have a crosslinkable group. In this case, in addition to the hydrophilic group, it may have a crosslinkable group, or may have a hydrophilic and crosslinkable group.
As the hydrophilic group, 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 can be exemplified, and a hydroxyl group is particularly preferable.
Examples of the hydrophilic bond include an ether bond, an ester bond, and an amide bond.
The hydrophilic polymer material (B) is preferably a polymer material having a hydroxyl group.
親水性高分子材料(B)で好ましいものとしては、種々の分子量・ケン化度のポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリグリセロール等が例示できる。これら親水性高分子材料(B)は、極性基を有するため、酸基含有高分子材料(A)と、後述する触媒担持電子伝達性物質(C)との接着力の向上に大きく寄与し、これにより電極の発電性能及び耐久性が大きく向上する。 Preferred examples of the hydrophilic polymer material (B) include polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyvinyl pyrrolidone, polyethylene glycol, and polyglycerol having various molecular weights and degrees of saponification. Since these hydrophilic polymer materials (B) have polar groups, they greatly contribute to the improvement of the adhesion between the acid group-containing polymer material (A) and the catalyst-carrying electron transfer material (C) described later, Thereby, the power generation performance and durability of the electrode are greatly improved.
親水性高分子材料(B)が架橋性基を有する場合、これを架橋するために併用する架橋剤は、架橋性基の種類に応じて適宜選択すれば良く、好ましいものとして、ジヒドラジド類、トリヒドラジド類、ジカルボン酸類、トリカルボン酸類、ジアミン類、トリアミン類、ジアルデヒド類、トリアルデヒド類、ジグリシジルエーテル類、トリグリシジルエーテル類、アルコキシシラン、アルコキシチタン、アルコキシアルミニウム等が例示できる。また、ポリアクリル酸、アクリル酸−マレイン酸共重合体、アクリルアミド−アクリル酸ヒドラジド共重合体等のポリマーを架橋剤として使用しても良い。
上記の中でも、特にポリビニルアルコールは、ジカルボン酸類、トリカルボン酸類、ジアルデヒド類、トリアルデヒド類、ジグリシジルエーテル類、トリグリシジルエーテル類、アルコキシシラン、アルコキシチタン、アルコキシアルミニウム等により容易に架橋する。
親水性高分子材料(B)を架橋させることにより、電極用ペーストの加熱温度を低くしたり、加熱を省略したりしても、耐久性に優れた電極を製造できる。
In the case where the hydrophilic polymer material (B) has a crosslinkable group, the crosslinker used in combination for crosslinking may be appropriately selected according to the type of the crosslinkable group. Preferred examples include dihydrazides, trihydrides. Examples thereof include hydrazides, dicarboxylic acids, tricarboxylic acids, diamines, triamines, dialdehydes, trialdehydes, diglycidyl ethers, triglycidyl ethers, alkoxysilanes, alkoxytitaniums, and alkoxyaluminums. Further, polymers such as polyacrylic acid, acrylic acid-maleic acid copolymer, acrylamide-acrylic acid hydrazide copolymer may be used as a crosslinking agent.
Among these, in particular, polyvinyl alcohol is easily crosslinked by dicarboxylic acids, tricarboxylic acids, dialdehydes, trialdehydes, diglycidyl ethers, triglycidyl ethers, alkoxysilanes, alkoxytitaniums, alkoxyaluminums, and the like.
By crosslinking the hydrophilic polymer material (B), an electrode having excellent durability can be produced even if the heating temperature of the electrode paste is lowered or the heating is omitted.
ポリビニルアルコールは、平均重合度が1000〜5000であることが好ましく、3000〜4500であることがより好ましい。重合度が小さ過ぎると、電極が耐水性に劣り、燃料電池として使用中に出力が低下し易くなることがある。また、重合度が大き過ぎると、水溶液の粘度が高過ぎて、他の材料と十分に均一な溶液を作製できないことがある。なお、ポリビニルアルコールの質量平均分子量については、平均重合度と平均ユニット分子量との積により、おおよその値が算出できる。ここで、ポリビニルアルコールのユニットは(CH2CHOH)x(CH2CHOCOCH3)yで表され、x+y=1である。
また、ケン化度は特に限定されないが、高いほど好ましく、90%以上であることが好ましく、98%以上であることがより好ましい。ケン化度が高い方が電極の耐水性が向上する。なお、ケン化度が99.99%以上のものは入手が困難であり、入手できてもコストが上昇してしまう。前記x及びyにより、ケン化度は、x/(x+y)×100(%)で表される。
The average degree of polymerization of polyvinyl alcohol is preferably 1000 to 5000, and more preferably 3000 to 4500. If the degree of polymerization is too small, the electrode may have poor water resistance, and the output may easily decrease during use as a fuel cell. On the other hand, if the degree of polymerization is too large, the viscosity of the aqueous solution may be too high to produce a sufficiently uniform solution with other materials. In addition, about the mass average molecular weight of polyvinyl alcohol, an approximate value can be calculated by the product of the average degree of polymerization and the average unit molecular weight. Here, the unit of the polyvinyl alcohol is represented by (CH 2 CHOH) x (CH 2 CHOCOCH 3) y, a x + y = 1.
The degree of saponification is not particularly limited, but is preferably as high as possible, preferably 90% or more, and more preferably 98% or more. The higher the degree of saponification, the better the water resistance of the electrode. Note that it is difficult to obtain a saponification degree of 99.99% or more, and the cost increases even if it is available. The saponification degree is expressed by x / (x + y) × 100 (%) by the x and y.
また、ポリエチレングリコールも各種架橋剤により架橋可能な水酸基を有し、各種分子量のものが市販されており、好適に使用できる。ポリエチレングリコールの質量平均分子量は1000000以上であることが好ましく、2000000以上であることがより好ましい。分子量が大きい方が、電極の耐水性が向上する。 Polyethylene glycol also has hydroxyl groups that can be crosslinked by various crosslinking agents, and those having various molecular weights are commercially available and can be suitably used. The polyethylene glycol has a mass average molecular weight of preferably 1,000,000 or more, more preferably 2,000,000 or more. The higher the molecular weight, the better the water resistance of the electrode.
親水性高分子材料(B)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 hydrophilic polymer material (B) 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.
酸基含有高分子材料(A):親水性高分子材料(B)の配合比(質量比)は、55:45〜80:20であり、60:40〜80:20であることが好ましく、65:35〜80:20であることがより好ましい。
通常は、酸基含有高分子材料(A)の配合比が大きいと、電極の発電性能(出力)が向上し、メタノールに対する耐久性が低下する傾向にある。そして、酸基含有高分子材料(A)の配合比が小さいと、電極のメタノールに対する耐久性が向上し、発電性能(出力)が低下する傾向にある。しかし、本発明においては、後述するように、触媒担持電子伝達性物質(C)に対する親水性高分子材料(B)の配合比を特定の値以上とすることで、全く意外にも、酸基含有高分子材料(A)の配合比を大きくしても、メタノールに対する耐久性が低下することがなく、しかも電極の発電性能(出力)が一層向上する。
The compounding ratio (mass ratio) of the acid group-containing polymer material (A): hydrophilic polymer material (B) is 55: 45-80: 20, preferably 60: 40-80: 20, More preferably, it is 65: 35-80: 20.
Usually, when the compounding ratio of the acid group-containing polymer material (A) is large, the power generation performance (output) of the electrode is improved and the durability against methanol tends to be lowered. And when the compounding ratio of an acid group containing polymeric material (A) is small, the durability with respect to methanol of an electrode will improve and it exists in the tendency for electric power generation performance (output) to fall. However, in the present invention, as described later, by making the blending ratio of the hydrophilic polymer material (B) to the catalyst-carrying electron transfer substance (C) a specific value or more, it is surprisingly surprising that the acid group Even if the blending ratio of the containing polymer material (A) is increased, the durability against methanol does not decrease, and the power generation performance (output) of the electrode is further improved.
(触媒担持電子伝達性物質(C))
触媒担持電子伝達性物質(C)は、電子伝達性物質に触媒を担持させたものである。触媒が微小径である場合、そのままでは取り扱いが困難となることがあり、このような場合、電子伝達性物質に担持させることで取り扱いが良好となる。触媒が電子伝達性を有し、取り扱い上の問題が無ければ、前記電子伝達性物質を使用しないことも可能である。
(Catalyst-supported electron transfer material (C))
The catalyst-carrying electron transfer substance (C) is obtained by carrying a catalyst on an electron transfer substance. When the catalyst has a small diameter, it may be difficult to handle as it is, and in such a case, handling is improved by supporting the catalyst on an electron transfer material. If the catalyst has an electron transfer property and there is no problem in handling, it is possible not to use the electron transfer material.
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。
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.
電子伝達性物質に担持させる前記触媒は、プロトン伝導を促進するものである。具体的には、アノード側における「MeOH+H2O→CO2+6H++6e−」の反応、カソード側における「O2+4H++4e−→H2O」の反応をそれぞれ促進するものであり、燃料電池分野において公知のものを使用できる。
前記触媒として、具体的には、白金(Pt)、金(Au)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、パラジウム(Pd)等の金属、これら金属からなる群から選択される二種以上の金属からなる合金が例示できる。なかでも好ましいものとして、白金触媒、白金−ルテニウム合金触媒が例示できる。
The catalyst supported on the electron transfer substance promotes proton conduction. Specifically, the reaction of “MeOH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − ” on the anode side and the reaction of “O 2 + 4H + + 4e − → H 2 O” on the cathode side are promoted, respectively. Those known in the field can be used.
Specific examples of the catalyst include metals such as platinum (Pt), gold (Au), ruthenium (Ru), cobalt (Co), nickel (Ni), iron (Fe), palladium (Pd), and the like. An alloy made of two or more metals selected from the group can be exemplified. Of these, platinum catalysts and platinum-ruthenium alloy catalysts can be exemplified as preferable ones.
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。 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(C)中の触媒の含有量は特に限定されないが、20〜85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い。 The catalyst content in the catalyst-carrying electron transfer substance (C) is not particularly limited, but is preferably 20 to 85% by mass, and more preferably 40 to 75% by mass.
触媒担持電子伝達性物質(C)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(C)の種類が異なる」ことを指すものとする。 A catalyst carrying | support electron transfer substance (C) 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 types or shapes of at least one of the electron transfer substance and the catalyst are different from each other, it means that “the type of the catalyst-carrying electron transfer substance (C) is different”.
また、触媒担持電子伝達性物質(C)100質量部に対する親水性高分子材料(B)の配合量は、5質量部以上である。前記配合量の上限は、10質量部であることが好ましく、7.5質量部であることがより好ましい。下限値以上とすることで電極のメタノールに対する十分な耐久性が得られ。上限値以下とすることで電極の発電性能(出力)が一層向上する。 Moreover, the compounding quantity of the hydrophilic polymer material (B) with respect to 100 mass parts of catalyst carrying | support electron transfer substances (C) is 5 mass parts or more. The upper limit of the amount is preferably 10 parts by mass, and more preferably 7.5 parts by mass. Sufficient durability of the electrode with respect to methanol can be obtained by setting the lower limit value or more. By setting the upper limit value or less, the power generation performance (output) of the electrode is further improved.
(界面活性剤)
本発明の電極用ペーストは、さらに、界面活性剤が配合されたものが好ましい。
前記界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、両性界面活性剤、ノニオン性(非イオン性)界面活性剤等、公知のものが使用でき、目的に応じて任意に選択できる。なかでもノニオン性界面活性剤が好ましく、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、フッ素系等のノニオン性界面活性剤がより好ましい。
(Surfactant)
The electrode paste of the present invention preferably further contains a surfactant.
As the surfactant, known ones such as a cationic surfactant, an anionic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic (nonionic) surfactant can be used, and are arbitrarily selected according to the purpose. it can. Of these, nonionic surfactants are preferable, and polyoxyalkylene alkyl ethers, fluorine-based nonionic surfactants, and the like are more preferable.
前記界面活性剤の配合量は、その他の配合成分の種類等に応じて適宜調整すれば良いが、電極用ペースト中、0.02〜1質量%であることが好ましく、0.03〜0.7質量%であることがより好ましく、0.04〜0.4質量%であることが特に好ましい。 The blending amount of the surfactant may be adjusted as appropriate according to the type of other blending components, but is preferably 0.02 to 1% by mass in the electrode paste, and is preferably 0.03 to 0.03. It is more preferably 7% by mass, and particularly preferably 0.04 to 0.4% by mass.
界面活性剤は、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。 As the surfactant, one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.
(フッ素系樹脂)
本発明の電極用ペーストは、さらに、フッ素系樹脂が配合されたものが好ましい。
前記フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)、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)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)等が例示でき、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が好ましい。
(Fluorine resin)
The electrode paste of the present invention preferably further contains a fluorine resin.
Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), tetrafluoroethylene / perfluoroalkoxyethylene copolymer ( PFA), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) and the like, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferred.
前記フッ素系樹脂の配合量は、その他の配合成分の種類等に応じて適宜調整すれば良いが、触媒担持電子伝達性物質(C)100質量部に対する配合量が、5〜10質量部であることが好ましく、6〜8質量部であることがより好ましい。このような配合量とすることで、メタノールに対する耐久性の低下が一層抑制され、電極の発電性能(出力)が一層向上する。 The blending amount of the fluororesin may be appropriately adjusted according to the types of other blending components, but the blending amount with respect to 100 parts by weight of the catalyst-carrying electron transfer substance (C) is 5 to 10 parts by weight. It is preferably 6 to 8 parts by mass. By setting it as such a compounding quantity, the durable fall with respect to methanol is suppressed further, and the electric power generation performance (output) of an electrode improves further.
フッ素系樹脂は、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 fluorine-type resin 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.
本発明の電極用ペーストは、前記界面活性剤及びフッ素系樹脂が共に配合されたものが好ましい。 The electrode paste of the present invention preferably contains both the surfactant and the fluorine resin.
(溶媒)
電極用ペーストには、さらに配合成分を溶解又は分散させるための溶媒が配合されていることが好ましい。該溶媒としては、配合成分と反応しないものであれば任意に選択でき、一種でも良いし、二種以上でも良い。なかでも水、アルコールが好ましく、水及びアルコールを併用することがより好ましい。アルコールとしてはイソプロピルアルコールが好ましい。
(solvent)
The electrode paste preferably further contains a solvent for dissolving or dispersing the compounding components. The solvent can be arbitrarily selected as long as it does not react with the compounding components, and may be one kind or two or more kinds. Especially, water and alcohol are preferable and it is more preferable to use water and alcohol together. As the alcohol, isopropyl alcohol is preferable.
溶媒の配合量は特に限定されないが、電極用ペースト中、70〜97質量%であることが好ましく、80〜95質量%であることがより好ましい。
また、水及びアルコールを併用する場合、水:アルコールの質量比は、5:5〜9:1であることが好ましく、6:4〜8:2であることがより好ましい。
Although the compounding quantity of a solvent is not specifically limited, It is preferable that it is 70-97 mass% in an electrode paste, and it is more preferable that it is 80-95 mass%.
When water and alcohol are used in combination, the mass ratio of water: alcohol is preferably 5: 5 to 9: 1, and more preferably 6: 4 to 8: 2.
(その他の成分)
電極用ペーストには、本発明の効果を妨げない範囲内において、酸基含有高分子材料(A)、親水性高分子材料(B)、触媒担持電子伝達性物質(C)、界面活性剤、フッ素系樹脂及び溶媒以外の、その他の成分が配合されても良い。その他の成分としては、これまでに挙げた架橋剤が例示できる。
(Other ingredients)
The electrode paste includes an acid group-containing polymer material (A), a hydrophilic polymer material (B), a catalyst-carrying electron transfer substance (C), a surfactant, within a range that does not hinder the effects of the present invention. Other components other than the fluorine-based resin and the solvent may be blended. Examples of other components include the crosslinking agents listed so far.
(電極用ペーストの製造方法)
本発明の電極用ペーストは、上記各配合成分を混合することで製造できる。
酸基含有高分子材料(A)及び親水性高分子材料(B)は、いずれも溶媒、好ましくは水を添加して、溶解又は分散させてから配合することが好ましい。
また、触媒担持電子伝達性物質(C)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、前記界面活性剤及び/又はフッ素系樹脂を配合する場合、これらは溶媒、好ましくは水及び/又はアルコールを添加して、溶解又は分散させてから配合することが好ましい。
そして、上記各成分の配合時には、これら成分への溶媒添加の有無によらず、さらに別途、溶媒を配合しても良い。
(Method for producing electrode paste)
The electrode paste of the present invention can be produced by mixing the above-described blending components.
Both the acid group-containing polymer material (A) and the hydrophilic polymer material (B) are preferably blended after being dissolved or dispersed by adding a solvent, preferably water.
The catalyst-carrying electron transfer substance (C) is preferably blended after adding water and / or an organic solvent, preferably water, to wet the catalyst.
Moreover, when mix | blending the said surfactant and / or fluorine-type resin, it is preferable to mix | blend these, after adding a solvent, Preferably water and / or alcohol, and making it melt | dissolve or disperse | distribute.
And at the time of mix | blending each said component, you may mix | blend a solvent separately irrespective of the presence or absence of the solvent addition to these components.
電極用ペーストは、例えば、酸基含有高分子材料(A)と、親水性高分子材料(B)と、さらに必要に応じてこれら以外の成分を配合し、混合することで、電極用バインダを調製し、該電極用バインダに、触媒担持電子伝達性物質(C)と、さらに必要に応じてこれ以外の成分を配合することで、製造することが好ましい。 The electrode paste is prepared by mixing, for example, an acid group-containing polymer material (A), a hydrophilic polymer material (B), and components other than these as required, and mixing them. It is preferable to manufacture by preparing and mixing a catalyst-supporting electron-transmitting substance (C) and, if necessary, other components in the electrode binder.
電極用バインダは、触媒担持電子伝達性物質(C)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ものである。電極用バインダには、主に下記三つの特性が要求される。
(I)電極の構成成分に対して親和性が高い
(II)電極用ペーストとし、これを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
(III)電極用ペーストとし、これを固化して形成した触媒層に、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、上記構成により、これらすべての特性を備えており、このような電極用バインダから得られた本発明の電極用ペーストは、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なものである。
The electrode binder is used for preparing a liquid or paste electrode paste by mixing with the catalyst-carrying electron transfer substance (C). The following three characteristics are mainly required for the electrode binder.
(I) High affinity for electrode components (II) Electrode paste, high proton conductivity after solidifying this to form a catalyst layer (III) Electrode paste, The catalyst layer formed by solidification is given a strength that is not destroyed by a change in environmental temperature or a pressure increase due to inflow of gas or liquid, and the strength can be maintained for a long time. All of these characteristics are provided, and the electrode paste of the present invention obtained from such an electrode binder can realize an electrode and a fuel cell excellent in power generation performance and durability.
電極用バインダを調製する際は、必要に応じて、酸基含有高分子材料(A)と親水性高分子材料(B)への溶媒添加の有無によらず、これらの配合時に、水及び/又は有機溶媒を別途添加しても良い。この場合、水及び/又はアルコールを添加することが好ましく、水及び/又はイソプロピルアルコールを添加することがより好ましい。 When preparing an electrode binder, water and / or at the time of blending, regardless of whether or not a solvent is added to the acid group-containing polymer material (A) and the hydrophilic polymer material (B), if necessary. Alternatively, an organic solvent may be added separately. In this case, it is preferable to add water and / or alcohol, and it is more preferable to add water and / or isopropyl alcohol.
前記界面活性剤及び/又はフッ素系樹脂が配合された電極用ペーストを製造する場合には、前記界面活性剤及び/又はフッ素系樹脂は、触媒担持電子伝達性物質(C)の配合前及び配合後のいずれの段階で配合しても良い。 In the case of producing an electrode paste in which the surfactant and / or fluorine resin is blended, the surfactant and / or fluorine resin is blended before and after blending the catalyst-carrying electron transfer substance (C). You may mix | blend in any later stage.
電極用バインダにおける溶媒の配合量や、溶媒として水及びアルコールを併用する場合の、水:アルコールの質量比は、電極用ペーストとした時に、上記の範囲内となるように調整することが好ましい。 It is preferable to adjust the blending amount of the solvent in the electrode binder and the water: alcohol mass ratio when water and alcohol are used together as the solvent so that they are within the above ranges when the electrode paste is used.
電極用バインダから電極用ペーストを製造する際は、例えば、電極用バインダと、触媒担持電子伝達性物質(C)とを配合し、さらに必要に応じて、これら以外の成分を配合して、混合することで製造できる。
この時、電極用バインダは、水及び/又は有機溶媒を添加してから配合しても良い。
さらに、必要に応じて、電極用バインダと、触媒担持電子伝達性物質(C)への溶媒添加の有無によらず、これらの配合時に、溶媒を別途添加しても良い。該溶媒としては、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、水、アルコールが好ましく、二種以上の溶媒を併用しても良い。アルコールとしてはイソプロピルアルコールが好ましい。
When producing an electrode paste from an electrode binder, for example, an electrode binder and a catalyst-carrying electron transfer substance (C) are blended, and if necessary, other components are blended and mixed. Can be manufactured.
At this time, the electrode binder may be added after adding water and / or an organic solvent.
Further, if necessary, a solvent may be separately added during the blending of the electrode binder and the catalyst-carrying electron transfer substance (C) regardless of the presence or absence of the solvent. The solvent can be arbitrarily selected as long as it does not react with the compounding components, but water and alcohol are preferable, and two or more solvents may be used in combination. As the alcohol, isopropyl alcohol is preferable.
電極用ペースト又は電極用バインダを調製する際、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。
When preparing the electrode paste or the electrode binder, each component may be mixed while mixing, or all components may be mixed before mixing. 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.
本発明の電極用ペーストは、例えば、電極の結着性を向上させるために、樹脂のせん断による繊維化等を行う必要がない。したがって、せん断に必要な原材料が不要であり、しかも電極を簡便に製造できるものである。また、後述の電極の製造方法のところで説明するように、架橋剤を使用しなくても、十分に固化させることができる。そして、親水性高分子材料(B)に対する触媒担持電子伝達性物質(C)の配合比を特定の値以上とすることで、酸基含有高分子材料(A)の配合比を大きくしても、メタノールに対する耐久性が低下することがなく、しかも電極の発電性能(出力)が一層向上する。 For example, the electrode paste of the present invention does not need to be fiberized by shearing the resin in order to improve the binding property of the electrode. Therefore, raw materials necessary for shearing are not required, and the electrode can be easily manufactured. Further, as will be described later in the electrode manufacturing method, it can be sufficiently solidified without using a crosslinking agent. And even if the compounding ratio of the acid group-containing polymer material (A) is increased by setting the compounding ratio of the catalyst-carrying electron transfer substance (C) to the hydrophilic polymer material (B) to a specific value or more. Further, the durability against methanol is not lowered, and the power generation performance (output) of the electrode is further improved.
<電極、膜−電極接合体>
本発明の電極は、上記本発明の電極用ペーストが加熱及び固化されてなることを特徴とする。そして、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、これを加熱及び固化させることで製造できる。
また、本発明の膜−電極接合体は、上記本発明の電極が、電解質膜の両面に配置されてなることを特徴とする。
以下、図面を参照しながら、より詳細に説明する。
<Electrode, membrane-electrode assembly>
The electrode of the present invention is characterized in that the electrode paste of the present invention is heated and solidified. And it can manufacture by apply | coating the paste for electrodes to a predetermined location according to the structure of a desired membrane-electrode assembly, and heating and solidifying this.
The membrane-electrode assembly of the present invention is characterized in that the electrode of the present invention is disposed on both surfaces of an electrolyte membrane.
Hereinafter, it demonstrates in detail, referring drawings.
図1は本発明の電極と、これを備えた膜−電極接合体と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、ここに示すものに限定されず、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が設けられて、膜−電極接合体1が構成されている。そして、触媒層13及びガス拡散層14により、電極10が構成される。ただし、ガス拡散層14は、必須の構成要素ではなく、必要に応じて設ければ良い。したがって、触媒層13のみで電極が構成されることもある。
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。
FIG. 1 is a schematic view illustrating an electrode of the present invention and a membrane-electrode assembly provided with the electrode. In addition, it cannot be overemphasized that a part of structure can be suitably changed in the range which is not limited to what is shown here and the electrode and membrane-electrode assembly of this invention do not impair the effect of this invention.
A
In FIG. 1, only the structure on the one
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、ナフィオン(登録商標)(デュポン社製)が例示できる。
[Electrolyte membrane]
As the
[触媒層]
触媒層13は、上記本発明の電極用ペーストが、加熱及び固化されてなるものである。
そして、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。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。
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。
電極用バインダ中の親水性高分子材料(B)は、結着剤として作用し、電極用ペースト中で酸基含有高分子材料(A)と触媒担持電子伝達性物質との結着性を向上させるので、電極10は優れた耐メタノール性を有する。またその結果、触媒層13は、電解質膜11や後述するガス拡散層14との結着性に優れるものである。
[Catalyst layer]
The
The
The thickness of the
The hydrophilic polymer material (B) in the electrode binder acts as a binder and improves the binding between the acid group-containing polymer material (A) and the catalyst-carrying electron transfer substance in the electrode paste. Therefore, the
[ガス拡散層]
ガス拡散層14は、気体、あるいはメタノールや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。
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
The
The thickness of the
また、ガス拡散層14と触媒層13との間には、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10m2/g以上のものが好ましい。
Further, a conductive intermediate layer (not shown) may be further provided between the
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.
電極10及び膜−電極接合体1は、例えば、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、これを加熱して固化させることで触媒層13及び電極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(触媒層13の表面)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し、接合させることで、膜−電極接合体1が得られる。
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(露出面)をそれぞれ、ガス拡散層14上に接触させて加熱し、固化させることで触媒層13、電極10及び膜−電極接合体1を同時に形成させても良い。
The
That is, the electrode paste is applied on the
Alternatively, the electrode paste is applied to both surfaces of the
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10形成時の電極用ペーストの加熱温度は、固化が十分に進行する限り特に限定されないが、100℃以上であることが好ましい。このような温度とすることで、架橋剤を使用しなくても、十分に固化(硬化)させることができる。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。
電極10形成時の電極用ペーストの加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すれば良いが、2〜30分であることが好ましく、3〜15分であることがより好ましい。
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/cm2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 when forming the
The heating time of the electrode paste at the time of forming the
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及び固化させた後、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, heating and solidifying the paste, and then pressing it onto the target portion. By such a method, for example, it can be transferred to both the
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.
このように電極10は、本発明の電極用ペーストを使用することで、該ペーストを固化させるだけで製造でき、簡便に且つ低コストで製造できる。しかも、得られる電極10は、上記のように優れた耐メタノール性を有するものである。
Thus, the
<燃料電池>
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。
具体的には、膜−電極接合体の外側に、燃料及び空気(酸素)の通路となる一対のセパレータが設置され、さらにこれらセパレータの外側に、電流を取り出すための集電板が設置された形態のものが例示できる。
また、膜−電極接合体を単位セルとして、その外側に、燃料及び酸素(空気)の通路となる一対のセパレータが設置され、隣り合う複数の単位セルが相互に連結された形態のものが例示できる。
本発明の燃料電池は、優れた耐メタノール性を有する電極を使用するので、発電性能と耐久性に優れたものである。さらに、電極が安価なので、低コストで製造できる。
<Fuel cell>
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.
Specifically, a pair of separators serving as fuel and air (oxygen) passages were installed outside the membrane-electrode assembly, and a current collecting plate for taking out current was installed outside these separators. The thing of a form can be illustrated.
Further, the membrane-electrode assembly is used as a unit cell, and a pair of separators serving as fuel and oxygen (air) passages are provided outside the unit cell, and a plurality of adjacent unit cells are connected to each other. it can.
Since the fuel cell of the present invention uses an electrode having excellent methanol resistance, it has excellent power generation performance and durability. Furthermore, since the electrode is inexpensive, it can be manufactured at low cost.
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。
<電極用バインダ、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)3.0gに、ポリビニルアルコール(アルドリッチ社製のものに水を加えて7質量%水溶液としたもの、ポリビニルアルコールの質量平均分子量は146000〜186000、ケン化度は99%以上)2.14gと、水6.86gを加え、「ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸):ポリビニルアルコール(質量比)」が「75:25」となるように調整し、これを自公転ミキサーで混合した。
次いで、得られた混合物10.0gに、FC−4430(住友スリーエム社製のフッ素系界面活性剤に水を加えて10質量%水溶液としたもの)0.20g、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)1.00gを加え、さらに水0.80g及びIPA8.0gを加えて、自公転ミキサーで混合し、電極用バインダを得た。
(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%)0.2gに、水1.0gを加え湿潤させた。これに前記電極用バインダ2.0gを加えた後、自公転ミキサーによる混合と、超音波分散とを行い、電極用ペーストを作製した。各成分の配合比等を表1に示す。
(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。塗布面の面積は、36cm2であった。塗布には治具とヘラを使用した。次いで、これを室温で1時間乾燥し、さらに熱プレス機(新東工業社製)で120℃−1kNの条件で10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/cm2、ルテニウム量は0.6mg/cm2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、電解質膜であるナフィオン117(登録商標)(デュポン社製)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℃−1kN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 binder, electrode paste, electrode and membrane-electrode assembly>
[Example 1]
(1) Preparation of electrode binder Poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) (mass average molecular weight 2000000) (Aldrich 15% by weight aqueous solution) 3.0 g, polyvinyl alcohol (Aldrich) Water was added to form a 7% by mass aqueous solution. Polyvinyl alcohol had a mass average molecular weight of 146000 to 186000, a saponification degree of 99% or more) 2.14 g and 6.86 g of water were added, and “poly (2-acrylamide- “2-methylpropanesulfonic acid): polyvinyl alcohol (mass ratio)” was adjusted to be “75:25”, and this was mixed with a self-revolving mixer.
Next, to the obtained mixture 10.0 g, FC-4430 (water-based surfactant added by Sumitomo 3M Ltd. to make a 10% by mass aqueous solution) 0.20 g, PTFE dispersion (Asahi Glass Co., Ltd., AD938L, PTFE content 55-60 mass%, surfactant concentration 3 mass% diluted 4 times by mass ratio) 1.00 g), 0.80 g water and 8.0 g IPA In addition, it was mixed with a revolving mixer to obtain a binder for electrodes.
(2) Preparation of Electrode Paste 1.0 g of water was added to 0.2 g of catalyst-supporting carbon (platinum-ruthenium-supporting carbon, TEC61E54, Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., Pt 30 mass%, Ru 23 mass%) and moistened. After adding 2.0 g of the electrode binder to this, mixing by an auto-revolving mixer and ultrasonic dispersion were performed to prepare an electrode paste. Table 1 shows the mixing ratio of each component.
(3) Production of electrode The produced electrode paste was thinly and uniformly applied on a gas diffusion layer (TGP-H060, thickness 200 μm). Area of the coated surface was 36cm 2. A jig and a spatula were used for application. Next, this was dried at room temperature for 1 hour, and further pressed with a hot press machine (manufactured by Shinto Kogyo Co., Ltd.) at 120 ° C.-1 kN for 10 minutes 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) which is an electrolyte membrane. And a membrane-electrode assembly was produced. The joining at this time was performed by pressing for 3 minutes at 140 ° C. and 1 kN with the hot press.
[実施例2]
(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)3.0gに、ポリビニルアルコール(アルドリッチ社製のものに水を加えて7質量%水溶液としたもの、ポリビニルアルコールの質量平均分子量は146000〜186000、ケン化度は99%以上)3.47gと、水7.39gを加え、「ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸):ポリビニルアルコール(質量比)」が「65:35」となるように調整し、これを自公転ミキサーで混合した。
次いで、得られた混合物10.0gに、FC−4430(住友スリーエム社製のフッ素系界面活性剤に水を加えて10質量%水溶液としたもの)0.28g、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)1.40gを加え、さらに水5.13g及びIPA11.2gを加えて、自公転ミキサーで混合し、電極用バインダを得た。
(2)電極用ペーストの作製〜(4)膜−電極接合体の作製
前記電極用バインダ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。
[Example 2]
(1) Preparation of electrode binder Poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) (mass average molecular weight 2000000) (Aldrich 15% by weight aqueous solution) 3.0 g, polyvinyl alcohol (Aldrich) Water was added to give a 7% by weight aqueous solution, polyvinyl alcohol had a mass average molecular weight of 146000 to 186000, a saponification degree of 99% or more) 3.47 g and 7.39 g of water were added, and “poly (2-acrylamide- “2-methylpropanesulfonic acid): polyvinyl alcohol (mass ratio)” was adjusted to be “65:35”, and this was mixed with a self-revolving mixer.
Next, to the obtained mixture 10.0 g, FC-4430 (added water to a fluorosurfactant manufactured by Sumitomo 3M to make a 10% by mass aqueous solution) 0.28 g, PTFE dispersion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., AD938L, PTFE content 55-60 mass%, surfactant concentration 3 mass% diluted 4 times by mass ratio) 1.40 g, and 5.13 g water and 11.2 g IPA In addition, it was mixed with a revolving mixer to obtain a binder for electrodes.
(2) Preparation of electrode paste to (4) Preparation of membrane-electrode assembly As in Example 1, except that the electrode binder was used, an electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly were prepared. did.
[実施例3]
(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)3.0gに、ポリビニルアルコール(アルドリッチ社製のものに水を加えて7質量%水溶液としたもの、ポリビニルアルコールの質量平均分子量は146000〜186000、ケン化度は99%以上)3.47gと、水7.39gを加え、「ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸):ポリビニルアルコール(質量比)」が「65:35」となるように調整し、これを自公転ミキサーで混合した。
次いで、得られた混合物10.0gに、FC−4430(住友スリーエム社製のフッ素系界面活性剤に水を加えて10質量%水溶液としたもの)0.35g、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)1.75gを加え、さらに水8.92g及びIPA14.0gを加えて、自公転ミキサーで混合し、電極用バインダを得た。
(2)電極用ペーストの作製〜(4)膜−電極接合体の作製
前記電極用バインダ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。
[Example 3]
(1) Preparation of electrode binder Poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) (mass average molecular weight 2000000) (Aldrich 15% by weight aqueous solution) 3.0 g, polyvinyl alcohol (Aldrich) Water was added to give a 7% by weight aqueous solution, polyvinyl alcohol had a mass average molecular weight of 146000 to 186000, a saponification degree of 99% or more) 3.47 g and 7.39 g of water were added, and “poly (2-acrylamide- “2-methylpropanesulfonic acid): polyvinyl alcohol (mass ratio)” was adjusted to be “65:35”, and this was mixed with a self-revolving mixer.
Subsequently, 10.05 g of the obtained mixture was added with 0.35 g of FC-4430 (added to a fluorosurfactant manufactured by Sumitomo 3M to make a 10% by mass aqueous solution), PTFE dispersion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., AD938L, PTFE content 55-60 mass%, surfactant concentration 3 mass% diluted 4 times by mass) 1.75 g is added, and water 8.92 g and IPA 14.0 g are further added. In addition, it was mixed with a revolving mixer to obtain a binder for electrodes.
(2) Preparation of electrode paste to (4) Preparation of membrane-electrode assembly As in Example 1, except that the electrode binder was used, an electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly were prepared. did.
[実施例4]
(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)3.0gに、ポリビニルアルコール(アルドリッチ社製のものに水を加えて7質量%水溶液としたもの、ポリビニルアルコールの質量平均分子量は146000〜186000、ケン化度は99%以上)1.61gと、水2.89gを加え、「ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸):ポリビニルアルコール(質量比)」が「80:20」となるように調整し、これを自公転ミキサーで混合した。
次いで、得られた混合物10.0gに、FC−4430(住友スリーエム社製のフッ素系界面活性剤に水を加えて10質量%水溶液としたもの)0.24g、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)1.20gを加え、さらに水2.98g及びIPA9.62gを加えて、自公転ミキサーで混合し、電極用バインダを得た。
(2)電極用ペーストの作製〜(4)膜−電極接合体の作製
前記電極用バインダ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。
[Example 4]
(1) Preparation of electrode binder Poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) (mass average molecular weight 2000000) (Aldrich 15% by weight aqueous solution) 3.0 g, polyvinyl alcohol (Aldrich) Water was added to give a 7% by mass aqueous solution, and polyvinyl alcohol had a mass average molecular weight of 146000 to 186000, a saponification degree of 99% or more) and 1.61 g of water and 2.89 g of water were added, and “poly (2-acrylamide- “2-methylpropanesulfonic acid): polyvinyl alcohol (mass ratio)” was adjusted to be “80:20”, and this was mixed with a self-revolving mixer.
Next, to the obtained mixture 10.0 g, FC-4430 (added water to a fluorosurfactant manufactured by Sumitomo 3M to make a 10% by mass aqueous solution) 0.24 g, PTFE dispersion (Asahi Glass Co., Ltd., AD938L, PTFE content of 55-60 mass%, surfactant concentration of 3 mass% diluted 4 times by mass ratio) 1.20 g, and 2.98 g of water and 9.62 g of IPA In addition, it was mixed with a revolving mixer to obtain a binder for electrodes.
(2) Preparation of electrode paste to (4) Preparation of membrane-electrode assembly As in Example 1, except that the electrode binder was used, an electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly were prepared. did.
[比較例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)3.0gに、ポリビニルアルコール(アルドリッチ社製のものに水を加えて7質量%水溶液としたもの、ポリビニルアルコールの質量平均分子量は146000〜186000、ケン化度は99%以上)3.47gと、水7.39gを加え、「ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸):ポリビニルアルコール(質量比)」が「65:35」となるように調整し、これを自公転ミキサーで混合した。
次いで、得られた混合物10.0gに、FC−4430(住友スリーエム社製のフッ素系界面活性剤に水を加えて10質量%水溶液としたもの)0.4g、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)2.00gを加え、さらに水11.6g及びIPA16.0gを加えて、自公転ミキサーで混合し、電極用バインダを得た。
(2)電極用ペーストの作製〜(4)膜−電極接合体の作製
前記電極用バインダ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 1]
(1) Preparation of electrode binder Poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) (mass average molecular weight 2000000) (Aldrich 15% by weight aqueous solution) 3.0 g, polyvinyl alcohol (Aldrich) Water was added to give a 7% by weight aqueous solution, polyvinyl alcohol had a mass average molecular weight of 146000 to 186000, a saponification degree of 99% or more) 3.47 g and 7.39 g of water were added, and “poly (2-acrylamide- “2-methylpropanesulfonic acid): polyvinyl alcohol (mass ratio)” was adjusted to be “65:35”, and this was mixed with a self-revolving mixer.
Then, 10.0 g of the obtained mixture was added with 0.4 g of FC-4430 (added to a fluorosurfactant manufactured by Sumitomo 3M to make a 10 mass% aqueous solution), PTFE dispersion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., AD938L, PTFE content 55-60% by mass, surfactant concentration 3% by mass diluted 4 times by weight) 2.00 g, and 11.6 g water and 16.0 g IPA In addition, it was mixed with a revolving mixer to obtain a binder for electrodes.
(2) Preparation of electrode paste to (4) Preparation of membrane-electrode assembly As in Example 1, except that the electrode binder was used, an electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly were prepared. did.
[比較例2]
(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)3.0gに、ポリビニルアルコール(アルドリッチ社製のものに水を加えて7質量%水溶液としたもの、ポリビニルアルコールの質量平均分子量は146000〜186000、ケン化度は99%以上)6.43gと、水8.57gを加え、「ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸):ポリビニルアルコール(質量比)」が「50:50」となるように調整し、これを自公転ミキサーで混合した。
次いで、得られた混合物10.0gに、FC−4430(住友スリーエム社製のフッ素系界面活性剤に水を加えて10質量%水溶液としたもの)0.4g、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)2.00gを加え、さらに水11.6g及びIPA16.0gを加えて、自公転ミキサーで混合し、電極用バインダを得た。
(2)電極用ペーストの作製〜(4)膜−電極接合体の作製
前記電極用バインダ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 2]
(1) Preparation of electrode binder Poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) (mass average molecular weight 2000000) (Aldrich 15% by weight aqueous solution) 3.0 g, polyvinyl alcohol (Aldrich) Water was added to give a 7% by weight aqueous solution, polyvinyl alcohol had a mass average molecular weight of 146000 to 186000, a saponification degree of 99% or more) 6.43 g, and water 8.57 g were added, and “poly (2-acrylamide- “2-methylpropanesulfonic acid): polyvinyl alcohol (mass ratio)” was adjusted to be “50:50”, and this was mixed with a self-revolving mixer.
Then, 10.0 g of the obtained mixture was added with 0.4 g of FC-4430 (added to a fluorosurfactant manufactured by Sumitomo 3M to make a 10 mass% aqueous solution), PTFE dispersion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., AD938L, PTFE content 55-60% by mass, surfactant concentration 3% by mass diluted 4 times by weight) 2.00 g, and 11.6 g water and 16.0 g IPA In addition, it was mixed with a revolving mixer to obtain a binder for electrodes.
(2) Preparation of electrode paste to (4) Preparation of membrane-electrode assembly As in Example 1, except that the electrode binder was used, an electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly were prepared. did.
[比較例3]
スルホン化フッ素系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、膜−電極接合体を作製した。
[Comparative Example 3]
A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that a commercially available anode electrode (GDE400-4, manufactured by Paramount Energy Co., Ltd.) using a sulfonated fluororesin solution as a binder was used.
<電極及び膜−電極接合体の評価>
以下の手順に従って、電極及び膜−電極接合体の評価を行った。
(I)相対出力の比較による電極の初期発電性能の評価
実施例1〜3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計測した。そして、比較例3の膜−電極接合体を使用した場合の出力を100として、これに対する、実施例1〜3及び比較例1〜2の膜−電極接合体を使用した場合の相対出力を算出した。結果を表2に示す。
<Evaluation of electrode and membrane-electrode assembly>
The electrode and the membrane-electrode assembly were evaluated according to the following procedure.
(I) Evaluation of initial power generation performance of electrode by comparison of relative output The membrane-electrode assemblies of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are set in a single cell for fuel cells (JARI standard cell) by a prescribed method. did. 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 maximum output was measured by measuring the cell IV. Then, assuming that the output when the membrane-electrode assembly of Comparative Example 3 is used is 100, the relative output when the membrane-electrode assemblies of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 are used is calculated. did. The results are shown in Table 2.
(II)メタノール水溶液への浸漬による電極の耐久性−1の評価
実施例1〜3及び比較例1〜3の電極を、50質量%メタノール水溶液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2に示す。
○・・・・溶出なし
△・・・・わずかに溶出あり
×・・・・顕著に溶出あり
(II) Evaluation of electrode durability-1 by immersion in aqueous methanol solution The electrodes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were immersed in 200 mL of a 50% by weight aqueous methanol solution, and then in an oven at 80 ° C for 24 hours. Heated. 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 2.
○ ・ ・ ・ ・ No elution △ ・ ・ ・ ・ Slight elution × ・ ・ ・ ・ Remarkably elution
(III)メタノール水溶液への浸漬による電極の耐久性−2の評価
前記(II)でメタノール水溶液に浸漬させた電極について、耐久性を発電性能から評価するために、前記(I)の方法で、最大出力を計測した。そして、それぞれ浸漬前の出力を100%として、浸漬後の出力維持率(%)を算出した。結果を表2に示す。
(III) Evaluation of Durability of Electrode by Immersion in Aqueous Methanol Solution-2 For the electrode immersed in the methanol aqueous solution in (II), in order to evaluate the durability from the power generation performance, the method of (I), Maximum output was measured. And the output maintenance rate (%) after immersion was computed by making the output before immersion 100%, respectively. The results are shown in Table 2.
上記結果から明らかなように、実施例1〜4の電極は、比較例3の電極と同等以上の初期発電性能を有しており、しかも、メタノール水溶液へ溶出せず、ほとんど膨潤しておらず、比較例1〜3の電極と同等以上の優れた出力維持率を示した。そして、初期発電性能及び耐久性がいずれも高い点で、実施例1〜4の電極は、比較例1〜3の電極よりも明らかに優れていた。
また、白金−ルテニウム担持カーボンに対して、所定量以上のポリビニルアルコールが存在すれば、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)の比率が上昇しても、出力維持率が低下することなく、初期発電性能が向上することを確認できた。
As is clear from the above results, the electrodes of Examples 1 to 4 have an initial power generation performance equivalent to or higher than that of the electrode of Comparative Example 3, and do not elute into the methanol aqueous solution and hardly swell. The output maintenance factor which is equal to or better than the electrodes of Comparative Examples 1 to 3 was shown. The electrodes of Examples 1 to 4 were clearly superior to the electrodes of Comparative Examples 1 to 3 in that both the initial power generation performance and durability were high.
In addition, if a predetermined amount or more of polyvinyl alcohol is present relative to platinum-ruthenium-supported carbon, the output retention rate is lowered even if the ratio of poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) is increased. It was confirmed that the initial power generation performance was improved.
本発明は、固体高分子形燃料電池に利用可能である。 The present invention is applicable to a polymer electrolyte fuel cell.
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 (6)
前記酸基含有高分子材料(A):前記親水性高分子材料(B)の配合比(質量比)が55:45〜80:20であり、
前記触媒を担持した電子伝達性物質(C)100質量部に対する前記親水性高分子材料(B)の配合量が5質量部以上であることを特徴とする電極用ペースト。 Poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid ) as the acid group-containing polymer material (A) , polyvinyl alcohol as the hydrophilic polymer material (B), and an electron transfer material carrying a catalyst (C) An electrode paste comprising:
The mixing ratio (mass ratio) of the acid group-containing polymer material (A): the hydrophilic polymer material (B) is 55: 45-80: 20,
An electrode paste, wherein a blending amount of the hydrophilic polymer material (B) is 5 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the electron transfer material (C) carrying the catalyst.
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