JP5669201B2 - Composition for forming catalyst layer and method for producing catalyst layer - Google Patents

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Description

固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、PEFC)などの電気化学デバイス用の触媒層形成用組成物、触媒層の製造方法、並びに、これにより得られた触媒層、触媒層付電極、膜・電極接合体、電気化学デバイスに関する。   Composition for forming catalyst layer for electrochemical device such as polymer electrolyte fuel cell (PEFC), method for producing catalyst layer, and catalyst layer, electrode with catalyst layer, and membrane obtained thereby -It is related with an electrode assembly and an electrochemical device.

固体高分子形燃料電池などの電気化学デバイスの基本構成は、電気化学反応場としての負極と正極、及び負極と正極の間にある隔膜で成り立っている。   The basic structure of an electrochemical device such as a polymer electrolyte fuel cell is composed of a negative electrode and a positive electrode as an electrochemical reaction field, and a diaphragm between the negative electrode and the positive electrode.

隔膜の高分子電解質膜としては、プロトン(水素陽イオン)伝導性交換膜が一般的であるが、近年、白金触媒の使用量低減を目的として水酸化物イオンなどのアニオン伝導性交換膜を用いる研究も盛んに行われている。   Proton (hydrogen cation) conductive exchange membranes are common as polymer electrolyte membranes for diaphragms, but in recent years, anion conductive exchange membranes such as hydroxide ions have been used for the purpose of reducing the amount of platinum catalyst used. Research is also actively conducted.

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電装置なので、「負極」や「正極」は、一般電池の単純構造の電極板とは異なり、ガス拡散層の多孔性カーボンシートと、その表面に固定された触媒層とから成る反応プレートである。   Since the fuel cell is a power generation device that directly converts the chemical energy of the fuel into electrical energy, the “negative electrode” and “positive electrode” are different from the electrode plate with a simple structure of a general battery, and the porous carbon sheet of the gas diffusion layer, It is a reaction plate comprising a catalyst layer fixed on its surface.

燃料電池分野では、この様な構成の電極を一般電池の電極と区別するために「触媒層付電極」と呼称しているので、本明細書でもそれにならう。   In the fuel cell field, the electrode having such a configuration is referred to as an “electrode with a catalyst layer” in order to distinguish it from the electrode of a general cell, and therefore it is the same in this specification.

反応プレートである「触媒層付電極」を2枚用意して、高分子電解質膜を挟んで熱プレスすれば、膜・電極接合体(Membrane Electrode Assembly, MEA)と呼ばれる基本単位が得られる(例えば、特許文献1を参照)。   If you prepare two "electrodes with catalyst layers" that are reaction plates and heat-press with a polymer electrolyte membrane in between, a basic unit called a membrane-electrode assembly (MEA) can be obtained (for example, , See Patent Document 1).

また、高分子電解質膜の両面に触媒層のみが付加された構造体は、触媒層付膜(Catalyst Coated Membrane, CCM)と呼ばれている。この触媒層付膜CCMを多孔性カーボンシート2枚で挟んで熱プレスすれば、膜・電極結合体MEAが得られる。(例えば、特許文献2を参照)。   A structure in which only a catalyst layer is added to both surfaces of a polymer electrolyte membrane is called a catalyst layered membrane (CCM). The membrane / electrode assembly MEA can be obtained by hot pressing the catalyst layer-attached membrane CCM between two porous carbon sheets. (For example, see Patent Document 2).

いずれの場合にも、膜・電極接合体MEAの構成は同じである。すなわち、多孔性カーボンシート/触媒層/高分子電解質膜/触媒層/多孔性カーボンシートの順に結合されたものである。   In any case, the configuration of the membrane / electrode assembly MEA is the same. That is, they are bonded in the order of porous carbon sheet / catalyst layer / polymer electrolyte membrane / catalyst layer / porous carbon sheet.

「触媒層」の構成を細かく見ると、イオン伝導性の電解質ポリマー、電気化学反応の触媒である金属微粒子、電子伝導性で触媒を担持するカーボンブラックの3者からなる。その作製方法は、一般的に、金属微粒子を担持するカーボンブラック、電解質ポリマー溶液、アルコール溶媒などを混ぜた「触媒ペースト」を、カーボンシートや高分子フィルムに塗布、乾燥して作る。   When the structure of the “catalyst layer” is viewed in detail, it is composed of three components: an ion conductive electrolyte polymer, metal fine particles as a catalyst for electrochemical reaction, and carbon black carrying a catalyst with electronic conductivity. In general, a “catalyst paste” in which carbon black supporting metal fine particles, an electrolyte polymer solution, an alcohol solvent and the like are mixed is applied to a carbon sheet or a polymer film and dried.

近年、電池メーカー、素材メーカーのみならず多方面で、触媒層の低コスト化や高性能化に向けて様々な研究が行われている。   In recent years, various researches have been conducted to reduce the cost and performance of catalyst layers not only in battery manufacturers and material manufacturers.

触媒層の高性能化では、触媒層中に電気化学反応に必要な「三相界面」を形成することが重要である。「三相界面」とは、白金触媒などの固相に、電解質の液相、燃料ガスの気相が接触できる反応性の高い部位のことである。   In order to improve the performance of the catalyst layer, it is important to form a “three-phase interface” necessary for the electrochemical reaction in the catalyst layer. The “three-phase interface” is a highly reactive site where a liquid phase of an electrolyte and a gas phase of fuel gas can come into contact with a solid phase such as a platinum catalyst.

このため、触媒ペーストに塩化ナトリウム粉を加えて塗布・乾燥して触媒層を形成した後に、水洗で塩化ナトリウム粉を溶出除去して「三相界面」になり易い細孔を形成する方法(例えば、特許文献3を参照。)などの改良製法が研究されている。   For this reason, after adding sodium chloride powder to the catalyst paste and applying and drying to form a catalyst layer, the sodium chloride powder is eluted and removed by washing with water to form pores that tend to become “three-phase interfaces” (for example, , See Patent Document 3).

また、触媒層の高性能化では、耐久性を向上させることが重要であり、電解質ポリマー、プレポリマー、架橋助剤などを混ぜた触媒ペーストを、塗布した後、光照射で架橋固定して、流失を抑制する改良製法(例えば、特許文献4を参照。)や、フッ素系ポリマー基体の表面に、イオン伝導性基含有モノマーをグラフト重合して補強しつつ伝導性を高める方法(例えば、特許文献5〜8を参照。)などの改良製法が研究されている。   In addition, in improving the performance of the catalyst layer, it is important to improve the durability, and after applying the catalyst paste mixed with the electrolyte polymer, prepolymer, crosslinking aid, etc., it is crosslinked and fixed by light irradiation, An improved production method that suppresses the loss (for example, see Patent Document 4), and a method for enhancing conductivity while reinforcing the surface of a fluorine-based polymer substrate by graft polymerization of an ion conductive group-containing monomer (for example, Patent Document) (See 5-8.) And other improved production methods have been studied.

他方、触媒層の低コスト化に関しては、触媒機能を維持しつつ貴金属微粒子の使用量を低減させる工夫が色々と研究されている。   On the other hand, various attempts have been made to reduce the cost of the catalyst layer while reducing the amount of noble metal particles used while maintaining the catalyst function.

たとえば、電解質ポリマーと炭素担体のペーストを塗布、成形した成形体を、白金系化合物(白金アンミン錯体塩化物)の水溶液に浸漬して吸着させてから、水素ガス中で還元して、担体表面にのみ集中的に白金触媒を分布させる方法などである。(例えば、特許文献9〜10を参照。)
本発明の発明者らは、従来から放射線処理技術の産業応用に関して継続的に研究しており、近年は、上述の燃料電池用電極への応用について種々検討を重ねており、色々と研究成果を挙げている。
For example, a molded body obtained by applying and molding a paste of an electrolyte polymer and a carbon carrier is immersed in an aqueous solution of a platinum-based compound (platinum ammine complex chloride) and adsorbed, and then reduced in hydrogen gas and applied to the surface of the carrier. For example, the platinum catalyst is distributed intensively. (For example, see Patent Documents 9 to 10.)
The inventors of the present invention have been continuously researching industrial applications of radiation processing technology, and in recent years, various studies have been made on the application of the above-mentioned fuel cell electrodes, and various research results have been obtained. Cite.

昨年の研究成果は、放射線照射により金属微粒子(触媒)を必要な部位で"その場"生成する技術を確立し、上記した触媒層の形成に応用するものであった。   Last year's research result was to establish a technology to generate metal particles (catalyst) "in situ" at the required site by irradiation, and apply it to the formation of the catalyst layer described above.

具体的には、炭素担体、電解質ポリマー、金属前躯体、アルコール系溶媒、水からなる触媒層形成用組成物を炭素電極基材に塗布し、その炭素電極基材を電子線照射して、直接、触媒層付電極を簡便なプロセスで製造する方法であり、既に特許出願している。(特願2010‐001574号)
ただし、その触媒層形成用組成物には、高価で難溶解性の「パーフルオロスルホン酸系電解質ポリマー」が必須であるなど、作業性やコスト面で改良すべき点が幾つもあった。
Specifically, a catalyst layer forming composition comprising a carbon support, an electrolyte polymer, a metal precursor, an alcohol solvent, and water is applied to a carbon electrode substrate, and the carbon electrode substrate is directly irradiated with an electron beam to directly This is a method for producing an electrode with a catalyst layer by a simple process, and a patent application has already been filed. (Japanese Patent Application No. 2010-001574)
However, the composition for forming a catalyst layer had several points to be improved in terms of workability and cost, such as the necessity of an expensive and hardly soluble “perfluorosulfonic acid electrolyte polymer”.

特公昭62−61118号公報Japanese Examined Patent Publication No. 62-61118 特公平2−48632号公報Japanese Examined Patent Publication No. 2-48632 特開平6−236762号公報JP-A-6-236762 特開2009−295442号公報JP 2009-295442 A 特開2009−104967号公報JP 2009-104967 A 特開2007−528843号公報JP 2007-528843 A 特開2010−067368号公報JP 2010-067368 A 特開2005−108604号公報JP 2005-108604 A 特開2000−12040号公報JP 2000-12040 A 特開2009−212008号公報JP 2009-212008

本発明は、従来の問題点を解消して、高分子形燃料電池用の触媒層付電極の触媒層を簡便で低コストで実現するための方策を提供することを課題としている。   An object of the present invention is to solve the conventional problems and to provide a measure for realizing a catalyst layer of an electrode with a catalyst layer for a polymer fuel cell in a simple and low cost manner.

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。   The present invention is characterized by the following in order to solve the above problems.

すなわち、本発明は、電気化学デバイスの触媒層付電極の触媒層形成に用いられる触媒層形成用組成物であって、イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマー、金属微粒子の前駆体である金属化合物、及び、炭素担体を含むものであり、前記ビニルモノマーは、放射線照射により重合して、イオン伝導性ポリマーを形成するものであり、前記金属化合物は、放射線照射により還元されて、金属微粒子を形成するものである触媒層形成用組成物である。   That is, the present invention relates to a catalyst layer forming composition used for forming a catalyst layer of an electrode with a catalyst layer of an electrochemical device, a metal that can introduce ion conductivity, and a metal that is a precursor of metal fine particles. The vinyl monomer is polymerized by irradiation to form an ion conductive polymer, and the metal compound is reduced by irradiation to form metal fine particles. This is a composition for forming a catalyst layer to be formed.

そして、前記イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーは、好ましくは、スルホン酸スチレンとその誘導体、アクリル酸とその誘導体、ビニルスルホン酸とその誘導体、全フッ素化ビニルスルホン酸とその誘導体、からなるカチオン系ビニルモノマー群の中から選択される1種類または2種類以上のビニルモノマーである。   The vinyl monomer capable of introducing ion conductivity is preferably composed of styrene styrene and its derivatives, acrylic acid and its derivatives, vinyl sulfonic acid and its derivatives, perfluorinated vinyl sulfonic acid and its derivatives. One or more vinyl monomers selected from the group of cationic vinyl monomers.

また、前記イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーは、好ましくは、トリメチルアンモニウムメチルスチレンクロライド、トリエチルアンモニウムスチレンクロライド、ジメチルビニルベンジルアミン、メタクリル酸2−(ジメチルアミン)エチル、アンモニウム基を有するスチレン誘導体、2級または3級アミン基を有するスチレン誘導体、2級または3級アミン基を有するアクリル酸誘導体、からなるアニオン系ビニルモノマー群の中から選択される1種類または2種類以上のビニルモノマーである。   The vinyl monomer capable of introducing ion conductivity is preferably trimethylammonium methylstyrene chloride, triethylammonium styrene chloride, dimethylvinylbenzylamine, 2- (dimethylamine) ethyl methacrylate, or a styrene derivative having an ammonium group. One or more vinyl monomers selected from the group of anionic vinyl monomers consisting of a styrene derivative having a secondary or tertiary amine group, and an acrylic acid derivative having a secondary or tertiary amine group .

さらに、本発明は、電気化学デバイスの触媒層付電極の触媒層の製造方法であって、前記した触媒層形成用組成物を、基材表面に塗布してから放射線を照射して、基材表面に、前記触媒層形成用組成物に含まれるビニルモノマーからイオン伝導性ポリマーを形成し、また、金属化合物から金属微粒子を形成して触媒層を製造する、電気化学デバイスの触媒層付電極の触媒層の製造方法である。   Furthermore, the present invention is a method for producing a catalyst layer of an electrode with a catalyst layer of an electrochemical device, wherein the above-described catalyst layer forming composition is applied to the surface of a substrate, and then irradiated with radiation, An electrode with an electrode for a catalyst layer of an electrochemical device in which an ion conductive polymer is formed on a surface from a vinyl monomer contained in the composition for forming a catalyst layer, and metal particles are formed from a metal compound to produce a catalyst layer. It is a manufacturing method of a catalyst layer.

また、前記した基材は、好ましくは、多孔性カーボンシート、あるいは、高分子フィルムである。
また、本発明は、前記した製造方法により得られた触媒層、触媒層が少なくともその構成の一部とされている、電気化学デバイス用の触媒層付電極である。
Moreover, the above-described base material is preferably a porous carbon sheet or a polymer film.
Further, the present invention is an electrode with a catalyst layer for an electrochemical device, wherein the catalyst layer and the catalyst layer obtained by the production method described above are at least a part of the configuration.

また、本発明は、前記した触媒層付電極が少なくともその構成の一部とされている電気化学デバイスである。   Further, the present invention is an electrochemical device in which the above-mentioned electrode with a catalyst layer is at least a part of its configuration.

さらに、本発明は、前記した製造方法で得られた触媒層付多孔性カーボンシートを電極として、高分子電解質膜の両面に接合してなる膜・電極接合体である。   Furthermore, the present invention is a membrane / electrode assembly obtained by bonding the porous carbon sheet with a catalyst layer obtained by the above-described production method as an electrode to both surfaces of a polymer electrolyte membrane.

また、本発明は、前記した製造方法で得られた触媒層付高分子フィルムを高分子電解質膜の両面に転写して触媒層を形成した触媒層付高分子電解質膜である。また、本発明は、前記した製造方法で得られた触媒層付高分子電解質膜の両面に多孔性カーボンシートを接合してなる膜・電極接合体である。   Moreover, this invention is a polymer electrolyte membrane with a catalyst layer which transferred the polymer film with a catalyst layer obtained by the above-mentioned manufacturing method to both surfaces of a polymer electrolyte membrane, and formed the catalyst layer. Further, the present invention is a membrane / electrode assembly obtained by bonding a porous carbon sheet to both surfaces of a polymer electrolyte membrane with a catalyst layer obtained by the production method described above.

また、本発明は、前記した膜・電極接合体を含む高分子形燃料電池である。   The present invention also relates to a polymer fuel cell including the membrane / electrode assembly described above.

本発明は、高価で難溶解性のパーフルオロスルホン酸系電解質ポリマー、触媒の金属微粒子などは主材料として使用せずに、イオン伝導性基を持つビニルモノマーと触媒の前駆体の金属化合物を原料とする触媒層形成用組成物を構成していること、また、それを使用して、基材に塗布した後に放射線照射して、“その場”で、イオン伝導性基を持つビニルポリマー、および、触媒として機能する金属微粒子を形成して、触媒層とすることから、触媒層を簡便で低コストな手段で得られる。 The present invention uses a vinyl monomer having an ion conductive group and a metal compound of a catalyst precursor as raw materials without using expensive and hardly soluble perfluorosulfonic acid electrolyte polymers, catalyst fine metal particles, and the like as main materials. And a vinyl polymer having an ion conductive group “in-situ” after being applied to a substrate and then irradiated with radiation. Since the metal fine particles functioning as a catalyst are formed to form a catalyst layer, the catalyst layer can be obtained by a simple and low-cost means .

本発明の、電気化学デバイスの触媒層付電極の触媒層形成に用いられる触媒層形成用組成物は、イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマー、金属微粒子の前駆体である金属化合物、及び、炭素担体を含むものである。   The composition for forming a catalyst layer used for forming a catalyst layer of an electrode with a catalyst layer of an electrochemical device of the present invention includes a vinyl monomer capable of introducing ion conductivity, a metal compound that is a precursor of metal fine particles, and It contains a carbon support.

前記ビニルモノマーは、放射線照射により重合して、イオン伝導性ポリマーを形成するものであり、前記金属化合物は、放射線照射により還元されて、金属微粒子を形成するものである。   The vinyl monomer is polymerized by irradiation to form an ion conductive polymer, and the metal compound is reduced by irradiation to form metal fine particles.

そして、本発明の触媒層の製造方法では、触媒層形成用組成物を基材に塗工した後に、放射線照射することで、簡便に、金属微粒子の触媒がイオン伝導性ポリマーで炭素担体上に固着された触媒層とする。
<触媒層形成用組成物とその調整>
触媒層形成用組成物の構成は、イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマー、金属微粒子の前駆体である金属化合物、並びに炭素担体を必須としている。
And in the manufacturing method of the catalyst layer of this invention, after applying the composition for catalyst layer formation to a base material, it irradiates with a radiation, and the catalyst of a metal microparticle is simply an ion conductive polymer on a carbon support | carrier. A fixed catalyst layer is used.
<Composition for catalyst layer formation and preparation thereof>
The composition of the composition for forming a catalyst layer essentially includes a vinyl monomer capable of introducing ion conductivity, a metal compound that is a precursor of metal fine particles, and a carbon support.

また、分散溶媒及びその他添加剤の配合が適宜に考慮される。なお、組成物に、金属化合物のみならず金属微粒子を同時に配合することもできる。   Further, the mixing of the dispersion solvent and other additives is appropriately considered. In addition, not only a metal compound but a metal microparticle can also be simultaneously mix | blended with a composition.

ビニルモノマーは、放射線照射にともなう“その場”重合で、電解質ポリマーになる。電解質ポリマーは、触媒層のイオン伝導性とバインダー性の役割を担う。   Vinyl monomers become electrolyte polymers by “in situ” polymerization upon irradiation. The electrolyte polymer plays a role of ionic conductivity and binder property of the catalyst layer.

組成物の金属化合物から生成した金属微粒子は、触媒層の触媒として働く。   Metal fine particles generated from the metal compound of the composition serve as a catalyst for the catalyst layer.

炭素担体は金属微粒子を担持するために使用される。また、炭素担体は、触媒層の電子伝導性を担う。
(イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマー)
イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーは、公知のカチオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーとして、スルホン酸スチレンとその誘導体、アクリル酸とその誘導体、ビニルスルホン酸とその誘導体、パーフルオロビニルスルホン酸とその誘導体などが挙げられる。その中から1種類または2種類以上が使用できる。好ましくは、スルホン酸スチレンとその誘導体である。
The carbon support is used for supporting metal fine particles. Moreover, the carbon support bears the electronic conductivity of the catalyst layer.
(Vinyl monomer capable of introducing ion conductivity)
Vinyl monomers capable of introducing ionic conductivity include styrene sulfonate and derivatives thereof, acrylic acid and derivatives thereof, vinyl sulfonic acid and derivatives thereof, and perfluorovinylsulfone as known vinyl monomers capable of introducing cation conductivity. Examples include acids and their derivatives. Among them, one or more types can be used. Preferred are styrene sulfonate and its derivatives.

また、イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーは、公知のアニオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーとして、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド、ビニルベンジルトリエチルアンモニウムクロライド、トリメチルアンモニウムメチルスチレンクロライド、トリエチルアンモニウムスチレンクロライド、ジメチルビニルベンジルアミン、メタクリル酸2−(ジメチルアミン)エチル、アンモニウム基を有するスチレン誘導体、2級または3級アミン基を有するスチレン誘導体、2級または3級アミン基を有するアクリル酸誘導体、などが挙げられる。その中から1種類または2種類以上が使用できる。好ましくは、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライドとその誘導体である。   Also, vinyl monomers capable of introducing ion conductivity are known vinyl monomers capable of introducing anion conductivity such as vinyl benzyl trimethyl ammonium chloride, vinyl benzyl triethyl ammonium chloride, trimethyl ammonium methyl styrene chloride, triethyl ammonium styrene chloride. Dimethylvinylbenzylamine, 2- (dimethylamine) ethyl methacrylate, styrene derivatives having an ammonium group, styrene derivatives having a secondary or tertiary amine group, acrylic acid derivatives having a secondary or tertiary amine group, etc. Can be mentioned. Among them, one or more types can be used. Preferred are vinylbenzyltrimethylammonium chloride and its derivatives.

水素イオン(H+)伝導性、又は、水酸化物イオン(OH-)伝導性を有するビニルモノマーは、放射線重合後に、簡単な処理操作で、目標のカチオン電解質ポリマー又はアニオン電解質ポリマーとすることができる。そのほかのビニルモノマーも、加水分解性やイオン交換性があれば、触媒層用組成物に配合して使用でき、触媒層を形成した後に、公知の化学変換で、簡単に目標の電解質ポリマーに変換できる。 A vinyl monomer having hydrogen ion (H + ) conductivity or hydroxide ion (OH ) conductivity may be converted into a target cation electrolyte polymer or anion electrolyte polymer by a simple processing operation after radiation polymerization. it can. Other vinyl monomers can be used in the catalyst layer composition as long as they are hydrolyzable and ion-exchangeable. After forming the catalyst layer, it can be easily converted to the target electrolyte polymer by known chemical conversion. it can.

触媒層形成用組成物における、イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーの配合量は、触媒層固形分となるものの総量の10〜60質量%、好ましくは25〜40質量%の範囲である。   The compounding quantity of the vinyl monomer which can introduce | transduce ion conductivity in the composition for catalyst layer formation is 10-60 mass% of the total amount of what becomes a catalyst layer solid content, Preferably it is the range of 25-40 mass%.

配合量が10質量%未満では、生成した電解質ポリマーのイオン伝導性及びバインダー性が十分に機能しにくくなり安定な触媒層が形成されにくい。一方、60質量%を超えると、多数の金属微粒子及び炭素担体が、電解質ポリマーで被覆されて、触媒能が働きにくくなり、電子伝導性が低くなる恐れがある。
(金属微粒子の前駆体である金属化合物)
金属微粒子の前駆体である金属化合物としては、白金、ルテニウム、オスミウム、パラジウム、イリジウム、ロジウム、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、ガリウム、アルミニウム、金、鉄、鉛、銅、コバルト、ニッケルなどの公知の塩化物、硝酸化物、錯体などが例示される。
If the blending amount is less than 10% by mass, the ion conductivity and binder property of the produced electrolyte polymer are not sufficiently functioned, and a stable catalyst layer is hardly formed. On the other hand, if it exceeds 60% by mass, a large number of fine metal particles and carbon support are coated with the electrolyte polymer, and the catalytic ability becomes difficult to work and the electron conductivity may be lowered.
(Metal compounds that are precursors of fine metal particles)
Known metal compounds that are precursors of fine metal particles include platinum, ruthenium, osmium, palladium, iridium, rhodium, chromium, nickel, manganese, molybdenum, gallium, aluminum, gold, iron, lead, copper, cobalt, nickel, etc. Examples thereof include chlorides, nitrates, complexes and the like.

例えば、白金の塩化物、硝酸化物、錯体としては、塩化白金酸H2PtC16、硝酸テトラアミン白金Pt(NH34(NO32、ヘキサクロロ白金酸カリウムK2PtCl6、等を挙げることができる。これら金属化合物は1種単独でも、若しくは2種以上を併用して用いてもよい。 For example, examples of platinum chloride, nitrate and complex include chloroplatinic acid H 2 PtC1 6 , tetraamineplatinum nitrate Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 , potassium hexachloroplatinate K 2 PtCl 6 , and the like. Can do. These metal compounds may be used alone or in combination of two or more.

金属化合物の配合量は、触媒層中に配合しようとする金属微粒子の量から逆算される。すなわち、触媒層形成用組成物に配合されるべき金属微粒子の量は、触媒層固形分となるものの総量の2〜60質量%、好ましくは10〜50質量%の範囲である。もっとも好ましいのは20〜40質量%の範囲である。配合量が2質量%未満では、触媒性能が働きにくくなる恐れがある。60質量%を超えると、触媒機能の向上の程度に対して高コストになりやすく、性能/コストが低くなる傾向にある。   The blending amount of the metal compound is calculated backward from the amount of metal fine particles to be blended in the catalyst layer. That is, the amount of the metal fine particles to be blended in the catalyst layer forming composition is in the range of 2 to 60% by mass, preferably 10 to 50% by mass, based on the total amount of the catalyst layer solid content. The most preferable range is 20 to 40% by mass. If the blending amount is less than 2% by mass, the catalyst performance may be difficult to work. When it exceeds 60% by mass, the cost tends to be high with respect to the degree of improvement of the catalyst function, and the performance / cost tends to be low.

金属微粒子の粒径は、大きすぎると、触媒の表面積が小さいので、単位質量あたりの触媒能が低下する。逆に小さすぎる場合は、触媒の安定性が低下する。粒径1.0〜15nmが、好ましく、更に好ましくは1.5〜5.0nmである。   If the particle size of the metal fine particles is too large, the catalyst surface area is small, and the catalytic performance per unit mass is reduced. Conversely, when too small, the stability of a catalyst will fall. The particle size is preferably 1.0 to 15 nm, more preferably 1.5 to 5.0 nm.

前駆体の金属化合物を触媒層形成用組成物に配合・分散する程度や量、組成物の溶媒系の種類や組み合わせ、放射線照射量などによって、還元析出する金属微粒子の粒径なども制御できる。   Depending on the degree and amount of the precursor metal compound blended and dispersed in the composition for forming the catalyst layer, the type and combination of the solvent system of the composition, the amount of radiation irradiation, etc., the particle size of the metal fine particles to be reduced and precipitated can be controlled.

(金属微粒子)
触媒層形成用組成物には、前駆体の金属化合物のみならず、許容される範囲内で金属微粒子も同時に配合できる。その配合割合は、上記の前駆体由来のものと併せて、触媒層固形分となるものの総量の2〜60質量%、好ましくは10〜50質量%の範囲である。もっとも好ましいのは20〜40質量%の範囲である。
(Metal fine particles)
In the catalyst layer forming composition, not only the precursor metal compound but also metal fine particles can be blended simultaneously within an allowable range. The blending ratio is in the range of 2 to 60% by weight, preferably 10 to 50% by weight, based on the total amount of the catalyst layer solid content together with the precursor-derived one. The most preferable range is 20 to 40% by mass.

金属微粒子としては、白金、ルテニウム、オスミウム、パラジウム、イリジウム、ロジウム、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、ガリウム、アルミニウム、金、鉄、鉛、銅、コバルト、ニッケル等が挙げられる。   Examples of the metal fine particles include platinum, ruthenium, osmium, palladium, iridium, rhodium, chromium, nickel, manganese, molybdenum, gallium, aluminum, gold, iron, lead, copper, cobalt, nickel and the like.

なお、近年、「触媒能のある金属微粒子を担持させた炭素担体」が、商品形態の一つとして市場化されている。これらの金属微粒子担持炭素担体、例えば、白金担持カーボンブラック(田中貴金属工業株式会社製)を、触媒層形成用組成物の塗布対象として使用すれば、より高機能の触媒層が形成でき、好ましい。
(炭素担体)
炭素担体としては、公知の電子伝導性を有する炭素材料であれば限定することなく用いることができ、このようなものとしては、例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノワイヤー、カーボンナノホーン、気相成長炭素繊維等を用いることができる。これらの炭素担体は、1種単独でも、若しくは2種以上を併用して用いてもよい。これらの中では、特に、カーボンブラックが好ましい。その配合割合は、触媒層固形分となるものの総量に対して、2〜60質量%、好ましくは10〜50質量%の範囲である。もっとも好ましいのは20〜40質量%の範囲である。配合量が2質量%未満では、触媒の保持が不充分になる恐れがある。60質量%を超えると、触媒層が機能に比してかさ高になり好ましくない。
In recent years, “a carbon support carrying metal fine particles having catalytic ability” has been put on the market as one of the product forms. It is preferable that these metal fine particle-supported carbon carriers, for example, platinum-supported carbon black (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) can be used as a coating target for the composition for forming a catalyst layer, because a higher-performance catalyst layer can be formed.
(Carbon support)
The carbon carrier can be used without limitation as long as it is a carbon material having a known electronic conductivity. Examples of such a carbon carrier include carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon nanotube, and carbon nanofiber. Carbon nanowires, carbon nanohorns, vapor grown carbon fibers, and the like can be used. These carbon carriers may be used alone or in combination of two or more. Among these, carbon black is particularly preferable. The blending ratio is 2 to 60% by mass, preferably 10 to 50% by mass, based on the total amount of the catalyst layer solid content. The most preferable range is 20 to 40% by mass. If the blending amount is less than 2% by mass, the catalyst may be insufficiently retained. If it exceeds 60% by mass, the catalyst layer becomes undesirably bulky as compared with the function.

(分散溶媒)
上記触媒層形成用組成物を分散して触媒ペーストを作製するために用いられる溶媒としては、前記のビニルモノマーを溶解することができる溶媒であれば、特に制限なく用いることができる。
(Dispersion solvent)
Any solvent that can dissolve the vinyl monomer can be used as the solvent used for dispersing the above-mentioned catalyst layer forming composition to prepare a catalyst paste.

金属微粒子の前駆体として金属化合物を使う場合、溶媒としては、水とアルコール溶媒との混合溶媒系が、金属化合物の還元、金属微粒子の生成に特に好適である。また、水とアルコールとの混合溶媒系は、入手しやすく、安価で、操作しやすい点でも好ましい。アルコール溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコールなどが挙げられる。   When a metal compound is used as the precursor of the metal fine particles, a mixed solvent system of water and an alcohol solvent is particularly suitable for the reduction of the metal compound and the production of metal fine particles. Also, a mixed solvent system of water and alcohol is preferable because it is easily available, inexpensive, and easy to operate. Examples of the alcohol solvent include methanol, ethanol, 1-propyl alcohol, and 2-propyl alcohol.

(その他添加剤)
本発明の触媒層形成用組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、さらに他の成分を添加することができる。
(Other additives)
Other components can be added to the composition for forming a catalyst layer of the present invention within a range not impairing the effects of the present invention.

これらのものとしては、例えば、イオン伝導性を増強するパーフルオロビニルスルホン酸系ポリマー(デュポン社製、「nafion」(登録商標)など)、触媒層のガス流路を確保するポリテトラフロオロエチレン多孔体、触媒層に多孔構造を形成する炭酸カルシウム無機塩、組成物を安定化する界面活性剤などが挙げられる。   These include, for example, perfluorovinylsulfonic acid polymers that enhance ionic conductivity (such as “nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont), and polytetrafluoroethylene that secures the gas flow path of the catalyst layer. Examples thereof include a porous body, a calcium carbonate inorganic salt that forms a porous structure in the catalyst layer, and a surfactant that stabilizes the composition.

上記添加物は、触媒層の機能を妨げないものであればよく、水、または酸水溶液中に浸漬するだけで簡易に除去できるものや、揮発性を有し乾燥により除去できるものであれば好ましい。また、触媒層にイオン伝導性、電子伝導性、ガス拡散性等の機能をもたらし、除去の必要無いものがより好ましい。
(触媒層形成用組成物の調整)
本発明に用いる触媒層形成用組成物を調整するには、各成分を充分均一に分散させることが必要である。分散方法として、撹拌、超音場分散、剛球ミール、ミキサ分散等の方法を用いることができ、特に限定されるものではない。
The additive is not particularly limited as long as it does not interfere with the function of the catalyst layer, and can be easily removed by simply immersing it in water or an aqueous acid solution, or can be removed by drying. . Further, it is more preferable that the catalyst layer has functions such as ion conductivity, electron conductivity, gas diffusibility and the like and does not need to be removed.
(Preparation of catalyst layer forming composition)
In order to adjust the composition for forming a catalyst layer used in the present invention, it is necessary to disperse each component sufficiently uniformly. As a dispersion method, methods such as stirring, supersonic field dispersion, hard sphere meal, and mixer dispersion can be used, and the dispersion method is not particularly limited.

調製した触媒層形成用組成物のペーストは、直接多孔性カーボンシートまたは高分子フィルムに塗布可能な粘度があれば良い。分散溶媒の使用量や配合成分の粒径などから粘度が調製できる。
<触媒層の製造>
調整された前記の触媒層形成用組成物は、基材に塗布し、次いで、放射線照射する。このプロセスによって触媒層を製造する。
The prepared paste of the catalyst layer forming composition only needs to have a viscosity that can be directly applied to the porous carbon sheet or polymer film. The viscosity can be adjusted based on the amount of the dispersion solvent used and the particle size of the blended components.
<Manufacture of catalyst layer>
The prepared composition for forming a catalyst layer is applied to a substrate and then irradiated with radiation. A catalyst layer is produced by this process.

(基材)
触媒層形成用組成物を塗布することになる基材であるが、電気化学デバイスの触媒層の支持体として、反応物流路と触媒層の間に介在して、触媒層への反応物の輸送、触媒層外部への電子の輸送を担う役割が求められるため、電子伝導性を持つ多孔体が好適であり、たとえば、多孔性カーボンシート等が例示できる。
(Base material)
The substrate on which the composition for forming the catalyst layer is to be applied, but as a support for the catalyst layer of the electrochemical device, the reactant is transported to the catalyst layer by interposing between the reactant channel and the catalyst layer. Since a role for transporting electrons to the outside of the catalyst layer is required, a porous body having electron conductivity is suitable, and examples thereof include a porous carbon sheet.

多孔性カーボンシートの具体例としては、カーボンペーパー、カーボンクロース、炭素フェルト等を適宜用いることができる。これらのものとしては、例えば、東レ(株)製カーボンペーパーTGPシリーズ、E‐TEK社製カーボンクロース等を挙げることができる。   As specific examples of the porous carbon sheet, carbon paper, carbon cloth, carbon felt and the like can be used as appropriate. Examples of these include carbon paper TGP series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, and the like.

また、前記した多孔性カーボンシートとしては、その表面に疎水性、親水性等の機能を付与したものであってもよい。これらのものとしては、例えば、フッ素系ポリマーで疎水処理されたカーボンペーパーや、フッ素系ポリマーと炭素粒子からなる微細気孔層を堆積させたカーボンペーパー等を挙げることができる。   Further, the porous carbon sheet described above may have a surface provided with functions such as hydrophobicity and hydrophilicity. Examples of these include carbon paper that has been hydrophobically treated with a fluoropolymer, and carbon paper on which a microporous layer made of a fluoropolymer and carbon particles is deposited.

なお、上記した多孔性カーボンシートとは別の高分子フィルムも、触媒層の形成過程で、広義の「基材」として使用されることがある。   A polymer film other than the above-described porous carbon sheet may be used as a “base material” in a broad sense in the process of forming the catalyst layer.

その場合、高分子フィルムは、燃料電池などの電気化学デバイスの構成要素ではなく、触媒層を形成するために必要な道具として一時的に使用される。触媒層は高分子フィルムの表面で形成され、つぎに高分子電解質膜の両面に熱プレスで「転写」することで高分子フィルムが外され、触媒層は高分子電解質膜の両面に頑固に固定される。燃料電池分野では、このプロセスを「転写」という。   In that case, the polymer film is not a component of an electrochemical device such as a fuel cell, but is temporarily used as a tool necessary to form a catalyst layer. The catalyst layer is formed on the surface of the polymer film, and then the polymer film is removed by “transfer” to both sides of the polymer electrolyte membrane by hot pressing, and the catalyst layer is firmly fixed on both sides of the polymer electrolyte membrane. Is done. In the fuel cell field, this process is called “transcription”.

高分子フィルムとしては、離型性が良く化学安定性の高いポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ化エチレン・ポリプロピレン共重合体(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルコキシビニルエーテル(PFA)等のフッ素系フィルムやポリイミド、ポリエステル、ポリエチレン等のフィルムが使用でき、厚みは25〜250μm程度のものが望ましい。
(塗布)
塗布方法として、触媒層形成用組成物の粘度等により塗布方法を選択することができる。これらの塗布方法は、均一に塗布できれば、特に限定されるものではなく、例えば、スプレー塗布、ロールコーター、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ディップコーター、スピンコーター、ダイコーター、カーテンコーター、ドクターブレード法、スクリーン印刷、グラビアコーター、インクジェット法等の一般的な方法が挙げられる。
Polymer films include polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and ethylene / polypropylene copolymer with good releasability and high chemical stability. Fluorine films such as coalescence (FEP), polytetrafluoroethylene / perfluoroalkoxy vinyl ether (PFA), and films such as polyimide, polyester, and polyethylene can be used, and the thickness is preferably about 25 to 250 μm.
(Application)
As a coating method, a coating method can be selected according to the viscosity of the composition for forming a catalyst layer. These coating methods are not particularly limited as long as they can be uniformly applied, for example, spray coating, roll coater, brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, dip coater, spin coater, die coater, General methods such as curtain coater, doctor blade method, screen printing, gravure coater, ink jet method and the like can be mentioned.

触媒層形成用組成物の塗布厚さは特に制限されるものではないが、5〜150μm、好ましくは15〜50μmの厚さである。5μm未満の場合には、触媒層の量が不十分となり、150μmを超える場合には反応物質の輸送経路が十分に確保できなくなるので好ましくない。
(放射線照射)
放射線照射は、触媒層形成用組成物が塗布直後で、湿潤状態または未乾燥状態であるときに実施することが望ましい。乾燥状態では、ビニルモノマーが揮発してしまったり、金属化合物の還元反応に必要な助剤が散逸してしまう恐れがある。また、触媒層が三相界面のできやすい多孔構造に形成できなくなる恐れがある。
The coating thickness of the catalyst layer forming composition is not particularly limited, but is 5 to 150 μm, preferably 15 to 50 μm. If it is less than 5 μm, the amount of the catalyst layer is insufficient, and if it exceeds 150 μm, it is not preferable because a sufficient transport route for the reactant cannot be secured.
(Radiation irradiation)
The radiation irradiation is desirably performed when the composition for forming a catalyst layer is immediately after coating and is wet or undried. In the dry state, the vinyl monomer may volatilize or the auxiliary agent necessary for the reduction reaction of the metal compound may be lost. Moreover, there is a possibility that the catalyst layer cannot be formed into a porous structure where a three-phase interface is easily formed.

放射線照射で、多孔性カーボンシート又は高分子フィルム上に塗布したペースト中、イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーを触媒層中で“その場”重合させるとともに、重合したポリマーを架橋できる。   By irradiation, a vinyl monomer capable of introducing ion conductivity can be polymerized “in situ” in the catalyst layer in the paste applied on the porous carbon sheet or polymer film, and the polymerized polymer can be crosslinked.

また、前駆体の金属化合物は、放射線照射で還元作用を受けて、“その場”で金属微粒子になると共に、炭素担体の表面に担持される。   In addition, the precursor metal compound is subjected to a reducing action by radiation irradiation to become metal fine particles “in situ” and is supported on the surface of the carbon support.

放射線(照射)重合は、概念的に良く知られている割に、実施形態の留意点や工夫点などは殆ど知られておらず、適当な公知文献も乏しい。 たとえば、放射線(照射)重合では、アルコール系溶媒や水溶媒など溶媒系の選択で、重合/架橋の割合がコントロールでき、任意の架橋ポリマーが調製できること等は、本発明者らが見出したもので、公知文献にも記載がない。本発明の触媒層の製造方法では、この知見が有効に活用されている。   Although radiation (irradiation) polymerization is well known conceptually, there are few known points or contrivances of the embodiment, and there are few appropriate known documents. For example, in radiation (irradiation) polymerization, the inventors have found that the ratio of polymerization / crosslinking can be controlled by selecting a solvent system such as an alcohol solvent or an aqueous solvent, and an arbitrary crosslinked polymer can be prepared. There is no description in publicly known literature. This knowledge is effectively utilized in the method for producing a catalyst layer of the present invention.

形成した架橋ポリマーは、必要に応じて簡単な化学変換により、架橋電解質ポリマーとして、触媒層に必要なイオン伝導性およびバインダー性を示す。   The formed crosslinked polymer exhibits ionic conductivity and binder properties required for the catalyst layer as a crosslinked electrolyte polymer by a simple chemical conversion as required.

また、触媒層形成用組成物の中の水は放射線照射することにより水和電子を発生させる。さらに、触媒層形成用組成物中のアルコール系溶媒は水和電子に対する捕捉作用があり、水和電子を効率的に生成させる役目を持っている。生成した水和電子は強い還元作用を有するため、速やかに触媒層形成用組成物の中の金属化合物を金属微粒子に還元することができる。   Moreover, the water in the catalyst layer forming composition generates hydrated electrons when irradiated with radiation. Furthermore, the alcohol solvent in the composition for forming a catalyst layer has a trapping action for hydrated electrons and has a role of efficiently generating hydrated electrons. Since the produced hydrated electrons have a strong reducing action, the metal compound in the catalyst layer forming composition can be quickly reduced to metal fine particles.

また、放射線としては、ガンマ線と電子線が好ましい。電子線は、ガンマ線より1000倍以上の線量率が得られるため、電子線照射がより好ましい。   As the radiation, gamma rays and electron beams are preferable. An electron beam is more preferably irradiated with an electron beam because a dose rate 1000 times or more than that of a gamma ray can be obtained.

放射線の照射線量は、触媒層の組成物中のビニルモノマー、及びまたは金属化合物の特性を決める。ビニルモノマーの重合及び金属化合物の還元に必要な線量は、通常1〜200kGyである。照射線量が少ないと、ビニルモノマーの重合が不十分で、あるいは金属前駆体が十分に還元されないため、一部のビニルモノマーまたは金属前駆体が無駄になる恐れがある。また、放射線の線量が多すぎると、線量が無駄になると共に、触媒層にダメージを与える可能性がある。   The radiation dose determines the properties of the vinyl monomer and / or metal compound in the composition of the catalyst layer. The dose required for the polymerization of the vinyl monomer and the reduction of the metal compound is usually 1 to 200 kGy. If the irradiation dose is small, polymerization of the vinyl monomer is insufficient, or the metal precursor is not sufficiently reduced, so that some vinyl monomer or metal precursor may be wasted. Further, if the radiation dose is too large, the dose is wasted and the catalyst layer may be damaged.

放射線照射条件として、不活性ガス置換雰囲気中で行うのが好ましい。   As irradiation conditions, it is preferable to carry out in inert gas substitution atmosphere.

放射線照射時の温度条件は特に限定はない。通常、室温(常温)下で実施されるのが普通であるが、0〜100℃の範囲の冷却及び加温条件を採用することもできる。
(化学変換・乾燥処理)
触媒層の組成物中のビニルモノマーとして水素イオン伝導性又は水酸物イオン伝導性ビニルモノマーを用いた場合には、重合した電解質ポリマーはこのままで化学変換しなくてもよい。
一方、それ以外のビニルモノマーを使用する場合は、重合したポリマーを公知の加水分解またはイオン交換反応などの化学変換を経て、触媒層中での役割を持つ電解質ポリマーに変換することが必要である。このような化学変換処理のタイミングは、照射後に実施することが好ましい。また、乾燥処理または膜・電極接合工程の後に行うこともできる。
There are no particular limitations on the temperature conditions during radiation irradiation. Usually, it is carried out at room temperature (ordinary temperature), but cooling and heating conditions in the range of 0 to 100 ° C. can also be adopted.
(Chemical conversion / drying treatment)
When a hydrogen ion conductive or hydroxide ion conductive vinyl monomer is used as the vinyl monomer in the composition of the catalyst layer, the polymerized electrolyte polymer may not be chemically converted as it is.
On the other hand, when other vinyl monomers are used, it is necessary to convert the polymerized polymer into an electrolyte polymer having a role in the catalyst layer through chemical conversion such as known hydrolysis or ion exchange reaction. . The timing of such chemical conversion treatment is preferably performed after irradiation. Moreover, it can also carry out after a drying process or a membrane-electrode joining process.

加水分解などの浴処理の段階で、金属微粒子の前駆体のままであった過剰の金属化合物も除去されるので、白金などの貴金属の化合物は回収、再利用できる点でも、本発明の触媒層の製造方法はメリットがある。   At the stage of the bath treatment such as hydrolysis, the excess metal compound which remains the precursor of the metal fine particles is also removed, so that the noble metal compound such as platinum can be recovered and reused. This manufacturing method has advantages.

その後、形成された触媒層中の分散溶媒などを除去するために、公知の乾燥を行う。乾燥することで、触媒層が多孔性カーボンシート又は高分子フィルムにしっかり固定される。
(熱プレス)
触媒層付多孔性カーボンシートを用いた場合には、それを電極として2枚用意して、予め準備した1枚の高分子電解質膜を挟んで、公知の熱プレス法で膜・電極接合体を製造する。
Then, in order to remove the dispersion solvent etc. in the formed catalyst layer, well-known drying is performed. By drying, the catalyst layer is firmly fixed to the porous carbon sheet or polymer film.
(Heat press)
When a porous carbon sheet with a catalyst layer is used, prepare two sheets as electrodes, sandwich one polymer electrolyte membrane prepared in advance, and form a membrane-electrode assembly by a known hot press method. To manufacture.

触媒層付高分子フィルムを用いた場合には、公知の転写法で、2枚の該触媒層付高分子フィルムで、別途用意した1枚の高分子電解質膜を挟んで、熱プレスを実施することで、高分子電解質膜の両面に触媒層を付着させた後、高分子フィルムを剥がす。次に、得られた触媒層付高分子電解質膜を2枚の予め準備した多孔性カーボンシートで、挟んで、公知の熱プレス法で膜・電極接合体を製造する。   When a polymer film with a catalyst layer is used, hot pressing is carried out by sandwiching one separately prepared polymer electrolyte membrane between two polymer films with a catalyst layer by a known transfer method. Thus, after the catalyst layers are attached to both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the polymer film is peeled off. Next, the obtained polymer electrolyte membrane with a catalyst layer is sandwiched between two porous carbon sheets prepared in advance, and a membrane / electrode assembly is produced by a known hot press method.

(高分子電解質膜)
上記予め準備する高分子電解質膜は、公知のカチオン交換膜、又はアニオン交換膜を用いることができる。カチオン交換膜としては、デュポン社製のナフィオン「Nafion」(登録商標)、ゴア社製の「Gore−Select」(登録商標)等の全フッ素系高分子電解質膜、スルホン化した芳香族炭化水素系高分子電解質膜、フッ素系フィルムにグラフト重合及び/または化学変換反応によりスルホン酸基を導入した高分子電解質膜等が挙げられる。アニオン交換膜としては、3級又は4級アミン基を有する強塩基性アニオン交換膜が好ましい。
(Polymer electrolyte membrane)
As the polymer electrolyte membrane prepared in advance, a known cation exchange membrane or anion exchange membrane can be used. Cation exchange membranes include perfluorinated polymer electrolyte membranes such as Nafion “Nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont and “Gore-Select” (registered trademark) manufactured by Gore, and sulfonated aromatic hydrocarbons. Examples thereof include a polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte membrane in which a sulfonic acid group is introduced into a fluorine-based film by graft polymerization and / or chemical conversion reaction. As the anion exchange membrane, a strongly basic anion exchange membrane having a tertiary or quaternary amine group is preferable.

触媒層にカチオン伝導性を有する電解質ポリマーを形成させた場合には、膜・電極接合体に使用する高分子電解質膜はカチオン交換膜が好ましい。   When an electrolyte polymer having cation conductivity is formed on the catalyst layer, the polymer electrolyte membrane used for the membrane / electrode assembly is preferably a cation exchange membrane.

触媒層にアニオン伝導性を有する電解質ポリマーを形成させた場合には、膜・電極接合体に使用する高分子電解質膜はアニオン交換膜が好ましい。   When an electrolyte polymer having anion conductivity is formed on the catalyst layer, the polymer electrolyte membrane used for the membrane / electrode assembly is preferably an anion exchange membrane.

高分子電解質膜は、触媒層中の電解質ポリマーと同じ高分子構造があれば、接合性が向上することが期待できるので、より好ましい。   If the polymer electrolyte membrane has the same polymer structure as that of the electrolyte polymer in the catalyst layer, it can be expected that the bonding property is improved, and thus the polymer electrolyte membrane is more preferable.

高分子電解質膜の膜厚は通常10〜250μm程度、好ましくは20〜150μm程度である。
(本発明の触媒層形成用組成物の特長)
a)高価なパーフルオロスルホン酸系電解質ポリマーを使用しない。
b)パーフルオロスルホン酸系電解質ポリマーの複雑で高価な溶媒系を必要としない。
c)ビニルモノマーを溶解することができる溶媒であれば、特に制限なく、水とアルコール溶媒との混合溶媒系など入手しやすく、安価で、操作しやすいものを用いることができる。
The thickness of the polymer electrolyte membrane is usually about 10 to 250 μm, preferably about 20 to 150 μm.
(Features of the catalyst layer forming composition of the present invention)
a) An expensive perfluorosulfonic acid electrolyte polymer is not used.
b) No complicated and expensive solvent system of perfluorosulfonic acid based electrolyte polymer is required.
c) Any solvent that can dissolve the vinyl monomer can be used without limitation, and can be a readily available solvent solvent system such as a mixed solvent system of water and an alcohol solvent.

金属微粒子の前駆体として金属化合物を使う場合、溶媒としては、とアルコール溶媒との混合溶媒系が特に効果的である。
d)触媒として機能する金属微粒子を直接配合して使用せず、前駆体の金属化合物を配合しておき、触媒層形成の“その場"で放射線照射により金属微粒子に還元して触媒とするので、余分な金属化合物は回収でき、使用量を大幅に節約できる。触媒層形成用組成物で使用する溶媒系も、上記した水とアルコール溶媒との混合溶媒系など入手しやすく、安価で、操作しやすいもので、問題ない。
When a metal compound is used as the precursor of the metal fine particles, a mixed solvent system of and an alcohol solvent is particularly effective as the solvent.
d) Since the metal fine particles functioning as a catalyst are not directly blended and used, the precursor metal compound is blended and reduced to metal fine particles by irradiation on the spot in the catalyst layer formation to form a catalyst. The excess metal compound can be recovered, and the amount used can be saved greatly. The solvent system used in the composition for forming a catalyst layer is also easy to obtain, such as the above-described mixed solvent system of water and alcohol solvent, is inexpensive and easy to operate, and there is no problem.

モノマーが、放射線照射により重合して電解質ポリマーになると同時に、架橋も進んで、電解質ポリマーが触媒層で固着しつつ、架橋した電解質ポリマーがその場に他の触媒層成分を固定するので、高活性で長寿命の触媒層が得られる。
f)ビニルモノマーの重合による電解質ポリマーの生成、及び、金属化合物の還元・触媒の形成の両方が、放射線照射によって、同時に起こせるので、触媒層形成プロセスが単一工程で完結し、製造の手間とコストが大きく低減できる。
g)触媒層形成用組成物に、水とアルコールを配合しておくと、放射線照射を契機に両成分の協働作用により生成する水和電子が、金属化合物の還元・触媒の形成を担うので、きわめて効率的に金属微粒子の触媒が生成でき、副次的なトラブルが無い。
h)触媒層自体が、低コストで、高活性で、長寿命である。
<燃料電池などの電気化学デバイス>
本発明によれば、高分子形燃料電池、レッドクス電池、ガスセンサーなどの電気デバイス、および水電解システム、ハロゲン化水素酸電解システム、食塩電解システムなどが構成できる。
Monomer is polymerized by irradiation to become an electrolyte polymer, and at the same time, cross-linking also progresses, and while the electrolyte polymer is fixed on the catalyst layer, the cross-linked electrolyte polymer fixes other catalyst layer components in place, so it is highly active A long-life catalyst layer can be obtained.
f) Since both the formation of the electrolyte polymer by polymerization of the vinyl monomer and the reduction of the metal compound and the formation of the catalyst can occur simultaneously by irradiation, the catalyst layer formation process is completed in a single step, and the production effort is reduced. Cost can be greatly reduced.
g) When water and alcohol are blended in the composition for forming a catalyst layer, hydrated electrons generated by the cooperative action of both components triggered by radiation irradiation are responsible for reduction of the metal compound and formation of the catalyst. The catalyst of metal fine particles can be generated very efficiently, and there is no secondary trouble.
h) The catalyst layer itself is low-cost, highly active, and has a long life.
<Electrochemical devices such as fuel cells>
According to the present invention, an electric device such as a polymer fuel cell, a redox battery, and a gas sensor, a water electrolysis system, a hydrohalic acid electrolysis system, a salt electrolysis system, and the like can be configured.

本発明の固体高分子形燃料電池は、前記本発明の製造方法により製造した膜・電極接合体を含むことを特徴とする。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a membrane-electrode assembly produced by the production method of the present invention.

固体高分子形燃料電池は、負極に燃料、例えば水素ガス、メタノール溶液などを供給し、正極には酸素又は空気を供給する。それぞれの電極で電気化学反応が起こり、発電することができる。   In the polymer electrolyte fuel cell, fuel such as hydrogen gas or methanol solution is supplied to the negative electrode, and oxygen or air is supplied to the positive electrode. An electrochemical reaction occurs at each electrode, and power can be generated.

触媒層の電解質ポリマー及び高分子電解質膜にカチオン伝導性を持つ燃料電池は、プロトン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)と呼ばれる。水素を燃料とする電気化学反応は次のように示される。   A fuel cell having cation conductivity in the electrolyte polymer and polymer electrolyte membrane of the catalyst layer is called a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The electrochemical reaction using hydrogen as fuel is shown as follows.

負極:2H2 → 4H+ + 4e-
正極:O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
トータル反応:2H2 + O2 → 2H2O
触媒層の電解質ポリマー及び高分子電解質膜にアニオン伝導性を持つ燃料電池は、アルカリ形燃料電池であり、アニオン交換膜燃料電池(Anion Exchange Membrane Fuel Cell, AEMFC)とも呼ばれる。水素を燃料とする電気化学反応は次のように示される。
Anode: 2H 2 → 4H + + 4e -
Cathode: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
Total reaction: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
A fuel cell having anion conductivity in the electrolyte polymer and polymer electrolyte membrane of the catalyst layer is an alkaline fuel cell and is also called an anion exchange membrane fuel cell (AEMFC). The electrochemical reaction using hydrogen as fuel is shown as follows.

負極:2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
正極:O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
トータル反応:2H2 + O2 → 2H2O
電池の性能は、公知の方法で評価される。たとえば、同一の電流密度なら、電圧の高い方が高性能と評価される。一般的に同一電流密度で電圧が高いほど、電池性能が高いことになる。また、燃料電池の効率は電圧に依存する。電圧が高ければ燃料電池効率も高くなる。
Anode: 2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -
The positive electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4OH -
Total reaction: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
The performance of the battery is evaluated by a known method. For example, if the current density is the same, the higher voltage is evaluated as higher performance. In general, the higher the voltage at the same current density, the higher the battery performance. Also, the efficiency of the fuel cell depends on the voltage. The higher the voltage, the higher the fuel cell efficiency.

本発明の触媒層形成用組成物、及び、それを用いた触媒層の製造方法によれば、以下のごとく、固体高分子形燃料電池用の機能部材が簡単に製造できる。   According to the composition for forming a catalyst layer of the present invention and the method for producing a catalyst layer using the composition, a functional member for a polymer electrolyte fuel cell can be easily produced as follows.

多孔性カーボンシート上で触媒層を形成した場合は、触媒層付電極が得られる。次いで、2枚の触媒層付電極の間に、高分子電解質膜を挟んで、熱プレスすれば膜・電極接合体MEAが簡単に得られる。   When a catalyst layer is formed on a porous carbon sheet, an electrode with a catalyst layer is obtained. Subsequently, a membrane / electrode assembly MEA can be easily obtained by sandwiching a polymer electrolyte membrane between two electrodes with a catalyst layer and performing hot pressing.

他方、高分子フィルム上で触媒層を形成した場合は、触媒層付高分子フィルムが得られる。転写法で、該触媒層付高分子フィルムを高分子電解質膜の両面に熱プレスで転写すれば、触媒層付高分子電解質膜CCMが簡単に得られる。さらに、その触媒層付高分子電解質膜CCMを2枚の多孔性カーボンシートで挟んで、熱プレスすれば膜・電極接合体MEAが得られる。   On the other hand, when a catalyst layer is formed on a polymer film, a polymer film with a catalyst layer is obtained. If the polymer film with a catalyst layer is transferred onto both sides of the polymer electrolyte membrane by hot pressing by a transfer method, a polymer electrolyte membrane with a catalyst layer CCM can be easily obtained. Further, when the polymer electrolyte membrane CCM with catalyst layer is sandwiched between two porous carbon sheets and hot-pressed, a membrane / electrode assembly MEA can be obtained.

得られた膜・電極接合体MEAは、固体高分子形燃料電池、レドックス電池、ガスセンサーなどの電気化学デバイスおよび水電解システム、ハロゲン化水素酸電解システム、食塩電解システムなどに使用可能である。   The obtained membrane-electrode assembly MEA can be used for electrochemical devices such as solid polymer fuel cells, redox cells, gas sensors, water electrolysis systems, hydrohalic acid electrolysis systems, salt electrolysis systems, and the like.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples at all.

以下の実施例及び比較例には、以下に示すものを用いた。
・カチオン伝導性ビニルモノマー:スチレンスルホン酸ナトリウム、東ソー有
機化学社製、商品名、NaSS;
・アニオン伝導性ビニルモノマー:ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド、AGCセイミケミカル株式会社製、商品名、QBm;
・白金担持カーボンブラック(田中貴金属工業社製、TEC10E50E、白金含有量50%);
・炭素担体:カーボンブラック(カボット・コーポレイテッド社製VULCAN(登録商標)XC‐72);
・金属化合物:塩化白金酸錯体(H2PtC16・6H20、分子量517.9、白金原子含有量37.5%、一般市販品);
・アルコール系溶媒:イソプロピルアルコール(iPrOH)、一般市販品;
・多孔性カーボンシート:SGLカーボンジャパン社製、商品名、GDL25BC;
・高分子フィルム:ポリテトラフロオロエチレン(PTFE)、50ミクロセンチメータル厚、一般市販品;
・プロトン交換型高分子電解膜:ナフィオン212(登録商標)(デュポン社製)。
・アニオン交換型高分子電解質膜:ネオセプタAHA(商品名、トクヤマ社製)アニオン炭化水素膜
<予備実験例1>
第1の調製工程としては、スチレンスルホン酸ナトリウム0.5g、白金担持カーボンブラック1.0g、イソプロピルアルコール 10.0g、水10.0gをガラス瓶に入れ、マグネチックスターラを用いて、500rpmの回転数で1時間撹絆し、さらに、超音波で30分間分散させた。
第2の塗布工程では、得られたペーストを筆で多孔性カーボンシート表面に均一に塗布した。多孔性カーボンシートは長さ100cm、幅10cmで、面積1000cm2とした。
In the following examples and comparative examples, those shown below were used.
Cation conductive vinyl monomer: sodium styrenesulfonate, manufactured by Tosoh Organic Chemical Co., Ltd., trade name, NaSS;
Anion conductive vinyl monomer: vinyl benzyl trimethyl ammonium chloride, manufactured by AGC Seimi Chemical Co., Ltd., trade name, QBm;
Platinum-supported carbon black (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, platinum content 50%);
Carbon support: carbon black (VULCAN (registered trademark) XC-72 manufactured by Cabot Corp.);
Metal compound: Chloroplatinic acid complex (H 2 PtC 1 6 · 6H 2 0, molecular weight 517.9, platinum atom content 37.5%, general commercial product);
・ Alcohol solvent: isopropyl alcohol (iPrOH), general commercial product;
-Porous carbon sheet: SGL Carbon Japan, trade name, GDL25BC;
-Polymer film: Polytetrafluoroethylene (PTFE), 50 microcentimeters thick, general commercial product;
Proton exchange type polymer electrolyte membrane: Nafion 212 (registered trademark) (manufactured by DuPont).
Anion exchange type polymer electrolyte membrane: Neocepta AHA (trade name, manufactured by Tokuyama) anion hydrocarbon membrane <Preliminary Experiment Example 1>
As the first preparation step, 0.5 g of sodium styrenesulfonate, 1.0 g of platinum-supported carbon black, 10.0 g of isopropyl alcohol, and 10.0 g of water are put in a glass bottle, and a rotational speed of 500 rpm is used with a magnetic stirrer. The mixture was stirred for 1 hour, and further dispersed with ultrasonic waves for 30 minutes.
In the second application step, the obtained paste was uniformly applied to the surface of the porous carbon sheet with a brush. The porous carbon sheet had a length of 100 cm, a width of 10 cm, and an area of 1000 cm 2 .

第3の照射工程としては、塗布した多孔性カーボンシートをビニル袋に封じ、電子線照射装置〔日新電機(株)製〕のコンベアに乗せて、2m/minの速度で搬送しながら、電子線を照射した。電子線照射は、加速電圧1MV、加速電流6mAの条件下で行い、照射線量を30kGyとした。この時、スチレンスルホン酸ナトリウムは放射線照射により重合し、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Poly(NaSS))になった。   In the third irradiation step, the coated porous carbon sheet is sealed in a vinyl bag, placed on a conveyor of an electron beam irradiation apparatus (manufactured by Nissin Electric Co., Ltd.), and conveyed at a speed of 2 m / min. Irradiated with rays. The electron beam irradiation was performed under the conditions of an acceleration voltage of 1 MV and an acceleration current of 6 mA, and the irradiation dose was 30 kGy. At this time, sodium styrene sulfonate polymerized by irradiation to become sodium polystyrene sulfonate (Poly (NaSS)).

第4の化学変換・乾燥処理工程としては、1M HCl溶液で24時間の室温処理によりイオン交換することで、生成したポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Poly(NaSS))をポリスチレンスルホン酸(Poly(SS))に変換した。その後、40℃、24時間乾燥して、触媒層付多孔性カーボンシート、すなわち電極を得た。
第5の熱プレス工程として、製造した電極を5cm×5cmの大きさに切断し、10cm×10cmの大きさのプロトンイオン交換型高分子電解質膜の両面につけ、ホットプレス装置により、140℃、0.5MPaで1分間保持した後、同温度で5MPa、1分間熱圧着し、膜・電極接合体を得た。
As the fourth chemical conversion / drying process step, the sodium polystyrene sulfonate (Poly (NaSS)) produced by ion exchange with 1M HCl solution at room temperature for 24 hours is converted to polystyrene sulfonic acid (Poly (SS)). Converted to. Then, it dried at 40 degreeC for 24 hours, and obtained the porous carbon sheet with a catalyst layer, ie, an electrode.
In the fifth hot pressing step, the manufactured electrode was cut into a size of 5 cm × 5 cm, attached to both sides of a proton ion exchange polymer electrolyte membrane having a size of 10 cm × 10 cm, and heated at 140 ° C. at 0 ° C. with a hot press device. After holding at 5 MPa for 1 minute, thermocompression bonding was carried out at the same temperature for 5 MPa for 1 minute to obtain a membrane / electrode assembly.

前記膜・電極接合体を燃料電池(東陽製、25cm2)に組み込み、負極へ水素、正極へ酸素を供給して燃料電池を評価した。電池電圧は表1に示した。
<実施例1>
予備実験例1の第1の調製工程において、白金担持カーボンブラック1.0gに代わり、カーボンブラック0.5gおよび塩化白金酸錯体1.3gを使用して触媒ペーストを調製した。
The membrane / electrode assembly was incorporated into a fuel cell (Toyo, 25 cm 2 ), and the fuel cell was evaluated by supplying hydrogen to the negative electrode and oxygen to the positive electrode. The battery voltage is shown in Table 1.
<Example 1>
In the first preparation step of Preliminary Experimental Example 1, a catalyst paste was prepared using 0.5 g of carbon black and 1.3 g of chloroplatinic acid complex instead of 1.0 g of platinum-supported carbon black.

予備実験例1と同じ条件で第2の塗布工程、第3の照射工程、第4の化学変換・乾燥処理工程及び第5の熱プレス工程を経て、膜・電極接合体を得た。
なお、照射工程において、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Poly(NaSS))をポリスチレンスルホン酸(Poly(SS))に変換した。塩化白金酸錯体は放射線照射により白金微粒子に還元され、カーボンブラックに担持された。
予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表1に示した。
<予備実験例2>
予備実験例1の第1の調製工程で得られた触媒層ペーストを、第2の塗布工程として、PTFEフィルム表面に均一に塗布した。PTFEフィルムは長さ100cm、幅10cmで、面積1000cm2とした。
A membrane / electrode assembly was obtained through the second coating step, the third irradiation step, the fourth chemical conversion / drying step, and the fifth hot press step under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1.
In the irradiation step, sodium polystyrene sulfonate (Poly (NaSS)) was converted to polystyrene sulfonic acid (Poly (SS)). The chloroplatinic acid complex was reduced to platinum fine particles by irradiation and supported on carbon black.
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 1.
<Preliminary Experiment Example 2>
The catalyst layer paste obtained in the first preparation step of Preliminary Experimental Example 1 was uniformly applied to the PTFE film surface as a second application step. The PTFE film had a length of 100 cm, a width of 10 cm, and an area of 1000 cm 2 .

予備実験例1と同じ条件で第3の照射工程及び第4の化学変換・乾燥処理工程を経て、触媒層付高分子フィルムを得た。   A polymer film with a catalyst layer was obtained through the third irradiation step and the fourth chemical conversion / drying treatment step under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1.

第5の熱プレス工程として、製造した触媒層付高分子フィルムを5cm×5cmの大きさに切断し、10cm×10cmの大きさのプロトンイオン交換型高分子電解質膜の両面につけ、ホットプレス装置により、140℃、0.5MPaで1分間保持した後、同温度で5MPa、1分間熱圧着した後、PTFEフィルムを外し、触媒層を高分子電解質膜の両面に転写した。次に、触媒層付高分子電解質膜の両面にそれぞれ多孔性カーボンシート(5cm×5cm)を挟んで、ホットプレス装置により、140℃、0.5MPaで1分間保持した後、同温度で5MPa、1分間熱圧着し、膜・電極接合体を得た。   In the fifth hot pressing step, the produced polymer film with a catalyst layer is cut into a size of 5 cm × 5 cm, attached to both sides of a proton ion exchange type polymer electrolyte membrane having a size of 10 cm × 10 cm, and a hot press apparatus. After holding at 140 ° C. and 0.5 MPa for 1 minute, and thermocompression bonding at 5 MPa for 1 minute at the same temperature, the PTFE film was removed, and the catalyst layer was transferred to both surfaces of the polymer electrolyte membrane. Next, a porous carbon sheet (5 cm × 5 cm) is sandwiched between both surfaces of the polymer electrolyte membrane with a catalyst layer and held at 140 ° C. and 0.5 MPa for 1 minute by a hot press apparatus, and then at the same temperature, 5 MPa, A membrane-electrode assembly was obtained by thermocompression bonding for 1 minute.

予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表1に示した。
<実施例2>
実施例1の第1の調製工程で得られた触媒層ペーストを、予備実験例2と同じ条件で第2の塗布工程、第3の照射工程、第4の化学変換・乾燥処理工程及び第5の熱プレス工程を経て、膜・電極接合体を得た。
予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表1に示した。
<比較例1>
ポリスチレンスルホン酸0.5g、白金担持カーボンブラック1.0g、イソプロピルアルコール10.0g、水10.0gをガラス瓶中混ぜ、マグネチックスターラを用いて、500rpmの回転数で1時間撹絆し、さらに、超音波で30分間分散した。得られた触媒ペーストを、予備実験例1の第2の塗布工程と同じ条件で、多孔性カーボンシート表面に均一塗布した。塗布した多孔性カーボンシートを40℃、24時間乾燥して、触媒層付多孔性カーボンシート、すなわち電極を得た。
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 1.
<Example 2>
The catalyst layer paste obtained in the first preparation process of Example 1 is subjected to the second coating process, the third irradiation process, the fourth chemical conversion / drying process process, and the fifth process under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 2. Through the hot pressing step, a membrane / electrode assembly was obtained.
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 1.
<Comparative Example 1>
Polystyrene sulfonic acid 0.5 g, platinum-supported carbon black 1.0 g, isopropyl alcohol 10.0 g, and water 10.0 g were mixed in a glass bottle, and stirred using a magnetic stirrer at 500 rpm for 1 hour. Dispersed with ultrasound for 30 minutes. The obtained catalyst paste was uniformly applied to the surface of the porous carbon sheet under the same conditions as in the second application step of Preliminary Experimental Example 1. The applied porous carbon sheet was dried at 40 ° C. for 24 hours to obtain a porous carbon sheet with a catalyst layer, that is, an electrode.

製造した電極は予備実験例1の第5の熱プレス工程を経て膜・電極接合体を得た。   The manufactured electrode was subjected to the fifth hot pressing process of Preliminary Experimental Example 1 to obtain a membrane / electrode assembly.

予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表1に示した。
<予備実験例3>
予備実験例1の第1の調製工程において、スチレンスルホン酸ナトリウム(SSNa)0.5gに代わり、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド(QBm)0.7gを使用して触媒層ペーストを調製した。
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 1.
<Preliminary Experiment Example 3>
In the first preparation step of Preliminary Experimental Example 1, a catalyst layer paste was prepared using 0.7 g of vinylbenzyltrimethylammonium chloride (QBm) instead of 0.5 g of sodium styrenesulfonate (SSNa).

予備実験例1と同じ条件で第2の塗布工程、第3の照射工程を行った。なお、照射工程においては、照射線量を10kGyとした。この時、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド(QBm)は放射線照射により重合し、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド(Poly(QBm))になった。   The second coating step and the third irradiation step were performed under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. In the irradiation process, the irradiation dose was set to 10 kGy. At this time, vinylbenzyltrimethylammonium chloride (QBm) was polymerized by irradiation to form polyvinylbenzyltrimethylammonium chloride (Poly (QBm)).

第4の化学変換・乾燥処理工程では、第3の照射工程で得られた多孔層カーボンシートを1MのKOH溶液で24時間の室温処理によりイオン交換することで、生成したポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド(Poly(QBm))をポリ(ビニルベンジルトリメチルアンモニウム水酸物)(Poly(QBOH))に変換した。その後、40℃、24時間乾燥して、触媒層付多孔性カーボンシート、すなわち電極を得た。
第5の熱プレス工程として、製造した電極を5cm×5cmの大きさに切断し、10cm×10cmの大きさのアニオン交換型高分子電解質膜の両面につけ、ホットプレス装置により、140℃、0.5MPaで1分間保持した後、同温度で5MPa、1分間熱圧着し、膜・電極接合体を得た。
In the fourth chemical conversion / drying treatment step, the porous layer carbon sheet obtained in the third irradiation step was ion-exchanged with a 1M KOH solution by a room temperature treatment for 24 hours to produce polyvinylbenzyltrimethylammonium chloride ( Poly (QBm)) was converted to poly (vinylbenzyltrimethylammonium hydroxide) (Poly (QBOH)). Then, it dried at 40 degreeC for 24 hours, and obtained the porous carbon sheet with a catalyst layer, ie, an electrode.
As a fifth hot pressing step, the manufactured electrode was cut into a size of 5 cm × 5 cm, attached to both surfaces of an anion exchange type polymer electrolyte membrane having a size of 10 cm × 10 cm, and a hot press apparatus at 140 ° C. After holding at 5 MPa for 1 minute, thermocompression bonding was performed at the same temperature for 5 MPa for 1 minute to obtain a membrane / electrode assembly.

予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表2に示した。
<実施例3>
予備実験例3の第1の調製工程において、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド(QBm)0.7g、塩化白金酸錯体1.3g、イソプロピルアルコール10.0g、水10.0gをガラス瓶にいれて触媒層形成用組成物を調製する。
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 2.
<Example 3>
In the first preparation step of Preliminary Experimental Example 3, 0.7 g of vinylbenzyltrimethylammonium chloride (QBm), 1.3 g of chloroplatinic acid complex, 10.0 g of isopropyl alcohol, and 10.0 g of water are placed in a glass bottle to form a catalyst layer. A composition is prepared.

予備実験例3と同じ条件で第2の塗布工程、第3の放射線照射工程、第4の化学変換・乾燥処理工程及び第5の熱プレス工程を経て、膜・電極接合体を得た。
なお、照射工程において、照射線量を30kGyとした。この時、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド(Poly(QBm))を生成するとともに、塩化白金酸錯体は放射線照射により白金微粒子に還元され、カーボンブラックに担持された。
予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表2に示した。
<予備実験例4>
予備実験例3の第1の調製工程と同じ条件で触媒層ペーストを調製した。
A membrane / electrode assembly was obtained through the second coating step, the third radiation irradiation step, the fourth chemical conversion / drying treatment step, and the fifth hot pressing step under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 3.
In the irradiation process, the irradiation dose was set to 30 kGy. At this time, polyvinylbenzyltrimethylammonium chloride (Poly (QBm)) was produced, and the chloroplatinic acid complex was reduced to platinum fine particles by irradiation and supported on carbon black.
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 2.
<Preliminary Experiment Example 4>
A catalyst layer paste was prepared under the same conditions as in the first preparation step of Preliminary Experimental Example 3.

予備実験例2の第2の塗布工程、予備実験例3の第3の照射工程及び第4の化学変換・乾燥処理工程を経て、触媒層付高分子フィルムを得た。
第5の熱プレス固定として、製造した触媒層付高分子フィルムを5cm×5cmの大きさに切断し、10cm×10cmの大きさのアニオン交換型高分子電解質膜の両面につけ、ホットプレス装置により、140℃、0.5Mpaで1分間保持した後、同温度で5Mpa、1分間熱圧着した後、PTFEフィルムを外し、触媒層を高分子電解質膜の両面に転写した。次に、触媒層付高分子電解質膜の両面にそれぞれ多孔性カーボンシート(5cm×5cm)を挟んで、ホットプレス装置により、140℃、0.5Mpaで1分間保持した後、同温度で5Mpa、1分間熱圧着し、膜・電極接合体を得た。
The polymer film with a catalyst layer was obtained through the 2nd application | coating process of the preliminary experiment example 2, the 3rd irradiation process of the preliminary experiment example 3, and the 4th chemical conversion and drying process process.
As the fifth heat press fixation, the produced polymer film with a catalyst layer was cut into a size of 5 cm × 5 cm, attached to both sides of an anion exchange type polymer electrolyte membrane having a size of 10 cm × 10 cm, and a hot press apparatus. After holding at 140 ° C. and 0.5 MPa for 1 minute, and thermocompression bonding at 5 MPa for 1 minute at the same temperature, the PTFE film was removed, and the catalyst layer was transferred to both surfaces of the polymer electrolyte membrane. Next, a porous carbon sheet (5 cm × 5 cm) is sandwiched between both surfaces of the polymer electrolyte membrane with a catalyst layer, and held at 140 ° C. and 0.5 MPa for 1 minute by a hot press apparatus, and then 5 MPa at the same temperature. A membrane-electrode assembly was obtained by thermocompression bonding for 1 minute.

予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表2に示した。
<実施例4>
実施例3の第1の調製工程で触媒層形成用組成物を調製した。
予備実験例4と同じ塗布工程、照射工程、化学変換・処理工程および熱プレス工程を経て、膜・電極接合体を得た。
なお、照射工程において、照射線量を30kGyとした。この時、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド(Poly(QBm))を生成するとともに、塩化白金酸錯体は放射線照射により白金微粒子に還元され、カーボンブラックに担持された。
予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表2に示した。
<比較例2>
ポリ(ビニルベンジルトリメチルアンモニウム水酸物)0.7g、白金担持カーボンブラック1.0g、イソプロピルアルコール10.0g、水10.0gをガラス瓶中に入れ、マグネチックスターラを用いて、500rpmの回転数で1時間撹絆し、さらに、超音波で30分間分散させた。得られた触媒ペーストを、予備実験例3の第2の塗布工程と同じ条件で、多孔性カーボンシート表面に均一塗布した。塗布した多孔性カーボンシートを40℃、24時間乾燥して、触媒層付多孔性カーボンシート、すなわち電極を得た。
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 2.
<Example 4>
In the first preparation step of Example 3, a composition for forming a catalyst layer was prepared.
Through the same coating process, irradiation process, chemical conversion / treatment process, and hot press process as in Preliminary Experimental Example 4, a membrane / electrode assembly was obtained.
In the irradiation process, the irradiation dose was 30 kGy. At this time, polyvinylbenzyltrimethylammonium chloride (Poly (QBm)) was produced, and the chloroplatinic acid complex was reduced to platinum fine particles by irradiation and supported on carbon black.
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 2.
<Comparative example 2>
0.7 g of poly (vinylbenzyltrimethylammonium hydroxide), 1.0 g of platinum-supported carbon black, 10.0 g of isopropyl alcohol, and 10.0 g of water are placed in a glass bottle and are rotated at 500 rpm using a magnetic stirrer. The mixture was stirred for 1 hour and further dispersed with ultrasonic waves for 30 minutes. The obtained catalyst paste was uniformly coated on the surface of the porous carbon sheet under the same conditions as in the second coating step of Preliminary Experimental Example 3. The applied porous carbon sheet was dried at 40 ° C. for 24 hours to obtain a porous carbon sheet with a catalyst layer, that is, an electrode.

製造した電極は予備実験例3と同じ熱プレス工程を経て膜・電極接合体を得た。
予備実験例1と同じ条件で燃料電池を評価した。電池電圧は表2に示した。
The manufactured electrode was subjected to the same hot pressing process as in Preliminary Experimental Example 3 to obtain a membrane / electrode assembly.
The fuel cell was evaluated under the same conditions as in Preliminary Experimental Example 1. The battery voltage is shown in Table 2.

Figure 0005669201
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表1のプロトン交換膜燃料電池の電池電圧から明らかなように、実施例の電池電圧は比較例の電池電圧より、遥かに高いことがわかった。これは、電解質ポリマーを“その場”生成したことで、電気化学反応に必要な三相界面を大きく確保できたことが要因として挙げられる。また、電解質ポリマー又は触媒である金属微粒子を“その場”生成することで、触媒層の製造コストを大きく低減できる可能性もある。表2から、アニオン交換膜燃料電池においても、本発明の有意性は明らかである。   As apparent from the cell voltage of the proton exchange membrane fuel cell in Table 1, it was found that the cell voltage of the example was much higher than the cell voltage of the comparative example. This is because a large three-phase interface required for the electrochemical reaction can be secured by generating the electrolyte polymer “in situ”. Moreover, there is a possibility that the production cost of the catalyst layer can be greatly reduced by generating “in-situ” the metal fine particles that are the electrolyte polymer or the catalyst. From Table 2, the significance of the present invention is apparent also in the anion exchange membrane fuel cell.

今後の検討課題としては、アニオン交換膜燃料電池に関して、プロトン交換膜形燃料電池と同様に各種のプロセス条件や組成などを検討して諸性能を改良することである。いずれにしても、本発明の触媒層形成用組成物、触媒層の製造方法は、触媒層の低コスト化と高性能化を両立させることが明らかである。   As a future study subject, regarding the anion exchange membrane fuel cell, it is to improve various performances by examining various process conditions and compositions in the same manner as the proton exchange membrane fuel cell. In any case, it is clear that the catalyst layer forming composition and the catalyst layer manufacturing method of the present invention can achieve both cost reduction and high performance of the catalyst layer.

Claims (13)

電気化学デバイス用の触媒層付電極の触媒層形成に用いられ、基材に塗布した後に放射線照射して、“その場”で、イオン伝導性基を持つビニルポリマーであるイオン伝導性ポリマー、及び、触媒として機能する金属微粒子を形成して触媒層とするための触媒層形成用組成物であって、イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマー、前記金属微粒子の前駆体である金属化合物、炭素担体、及び、分散溶媒を含むものであり、
前記ビニルモノマーは、前記放射線照射により重合して、前記イオン伝導性ポリマーを形成するものであり、
前記金属化合物は、前記放射線照射により還元されて、前記金属微粒子を形成するものであり、
前記分散溶媒は、水とアルコールとの混合溶媒である
ことを特徴とする触媒層形成用組成物。
Used for forming a catalyst layer of an electrode with a catalyst layer for an electrochemical device, and after being applied to a substrate, irradiated with radiation, "in situ", an ion conductive polymer that is a vinyl polymer having an ion conductive group, and , by forming a fine metal particles functioning as a catalyst a composition for forming a catalyst layer for a catalyst layer, a vinyl monomer capable of introducing the ion-conductive metal compound which is a precursor of the metal fine particles, carbon Including a carrier and a dispersion solvent ,
The vinyl monomer is polymerized by the irradiation, it is intended to form the ion-conducting polymer,
The metal compound may be reduced by the irradiation, which forms the metal fine particles,
The catalyst layer forming composition , wherein the dispersion solvent is a mixed solvent of water and alcohol .
前記イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーは、スルホン酸スチレンとその誘導体、アクリル酸とその誘導体、ビニルスルホン酸とその誘導体、全フッ素化ビニルスルホン酸とその誘導体、からなるカチオン系ビニルモノマー群の中から選択される1種類または2種類以上のビニルモノマーであることを特徴とする請求項1に記載の触媒層形成用組成物。   The vinyl monomer capable of introducing ion conductivity is a cationic vinyl monomer group consisting of styrene sulfonate and its derivatives, acrylic acid and its derivatives, vinyl sulfonic acid and its derivatives, perfluorinated vinyl sulfonic acid and its derivatives. The composition for forming a catalyst layer according to claim 1, wherein the composition is one or two or more types of vinyl monomers selected from among the above. 前記イオン伝導性の導入が可能なビニルモノマーは、トリメチルアンモニウムメチルスチレンクロライド、トリエチルアンモニウムスチレンクロライド、ジメチルビニルベンジルアミン、メタクリル酸2−(ジメチルアミン)エチル、アンモニウム基を有するスチレン誘導体、2級または3級アミン基を有するスチレン誘導体、2級または3級アミン基を有するアクリル酸誘導体、からなるアニオン系ビニルモノマー群の中から選択される1種類または2種類以上のビニルモノマーであることを特徴とする請求項1に記載の触媒層形成用組成物。   The vinyl monomer capable of introducing ion conductivity is trimethylammonium methylstyrene chloride, triethylammonium styrene chloride, dimethylvinylbenzylamine, 2- (dimethylamine) ethyl methacrylate, a styrene derivative having an ammonium group, secondary or 3 One or more vinyl monomers selected from the group of anionic vinyl monomers consisting of a styrene derivative having a secondary amine group, an acrylic acid derivative having a secondary or tertiary amine group, The composition for forming a catalyst layer according to claim 1. 電気化学デバイス用の触媒層付電極の触媒層の製造方法であって、請求項1から3のうちのいずれか一項に記載の触媒層形成用組成物を、基材表面に塗布してから放射線を照射して、基材表面に、前記触媒層形成用組成物に含まれるビニルモノマーからイオン伝導性ポリマーを形成し、また、金属化合物から金属微粒子を形成して触媒層を製造することを特徴とする触媒層の製造方法。   It is a manufacturing method of the catalyst layer of the electrode with a catalyst layer for electrochemical devices, Comprising: After apply | coating the composition for catalyst layer formation as described in any one of Claim 1 to 3 to the base-material surface Irradiating with radiation to form an ion conductive polymer from the vinyl monomer contained in the catalyst layer forming composition on the substrate surface, and forming metal fine particles from the metal compound to produce a catalyst layer; A method for producing a catalyst layer. 基材が多孔性カーボンシートであることを特徴とする請求項4に記載の触媒層の製造方法。   The method for producing a catalyst layer according to claim 4, wherein the substrate is a porous carbon sheet. 基材が高分子フィルムであることを特徴とする請求項4に記載の触媒層の製造方法。   The method for producing a catalyst layer according to claim 4, wherein the substrate is a polymer film. 請求項4から6のうちのいずれか一項に記載の製造方法により得られたものであることを特徴とする触媒層。   A catalyst layer obtained by the production method according to any one of claims 4 to 6. 請求項7に記載の触媒層が少なくともその構成の一部とされていることを特徴とする電気化学デバイス用の触媒層付電極。   An electrode with a catalyst layer for an electrochemical device, wherein the catalyst layer according to claim 7 is at least a part of the structure. 請求項8に記載の触媒層付電極が少なくともその構成の一部とされていることを特徴とする電気化学デバイス。   9. An electrochemical device, wherein the electrode with a catalyst layer according to claim 8 is at least a part of its configuration. 請求項5の製造方法で得られた触媒層付多孔性カーボンシートを電極として、高分子電解質膜の両面に接合してなることを特徴とする膜・電極接合体。   6. A membrane / electrode assembly comprising a porous carbon sheet with a catalyst layer obtained by the production method of claim 5 as an electrode and bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane. 請求項6の製造方法で得られた触媒層付高分子フィルムを高分子電解質膜の両面に転写して触媒層を転写することで形成されたことを特徴とする触媒層付高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane with a catalyst layer, which is formed by transferring the catalyst layer-attached polymer film obtained by the production method of claim 6 onto both sides of the polymer electrolyte membrane and transferring the catalyst layer. 請求項11の触媒層付高分子電解質膜の両面に多孔性カーボンシートを接合してなることを特徴とする膜・電極接合体。   A membrane / electrode assembly comprising a porous carbon sheet bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane with a catalyst layer according to claim 11. 請求項10または12の膜・電極接合体を含むことを特徴とする高分子形燃料電池。   A polymer fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 10 or 12.
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