JPH06342666A - Solid high molecular type fuel cell - Google Patents

Solid high molecular type fuel cell

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JPH06342666A
JPH06342666A JP6050581A JP5058194A JPH06342666A JP H06342666 A JPH06342666 A JP H06342666A JP 6050581 A JP6050581 A JP 6050581A JP 5058194 A JP5058194 A JP 5058194A JP H06342666 A JPH06342666 A JP H06342666A
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JP
Japan
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functional group
core material
fuel cell
membrane
component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP6050581A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Okuyama
和雄 奥山
Yoshio Suzuki
良雄 鈴木
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH06342666A publication Critical patent/JPH06342666A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PURPOSE:To provide a solid high molecular fuel cell, of which output performance is improved remarkably. CONSTITUTION:An ion exchange membrane, which is made of the composition of fluorine-retaining high molecular component having functional group and the fluorine-retaining compound core material at 70-95% of hole factor before the composition, at 10-100mum of thickness before forming a junction and at 0.9-2mm equivalent/g of exchange capacity is used for the electrolyte of a solid high molecular fuel cell.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高分子電解質型燃料電
池(以下、PEFCという。)に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC).

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、低公害性と高効率性という特徴に
より、燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水素
やメタノール等の燃料を酸素または空気を用いて電気化
学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電
気エネルギーに変換して取り出すものである。
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have been attracting attention due to their characteristics of low pollution and high efficiency. A fuel cell is a cell in which a fuel such as hydrogen or methanol is electrochemically oxidized using oxygen or air to convert the chemical energy of the fuel into electric energy and to extract it.

【0003】このような燃料電池は、用いる電解質の種
類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型お
よび高分子電解質型等に分類される。このうち、陽イオ
ン交換膜を電解質として用いるPEFCは、低温におけ
る作動性がよいことと出力密度が高いことから、最近特
に注目されている。このPEFC本体の基本構造は、図
2に示すように、陽イオン交換膜からなる電解質膜1
と、その両面に接合された正負の各ガス拡散電極2、3
とで構成される。ガス拡散電極2、3の少なくとも電解
質膜1側には触媒が担持してあり、このガス拡散電極
2、3における触媒層と電解質膜1との界面において電
池反応が生じる。
Such fuel cells are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, polymer electrolyte type and the like depending on the type of electrolyte used. Among them, PEFC using a cation exchange membrane as an electrolyte has recently been particularly attracting attention because it has good operability at low temperatures and high output density. As shown in FIG. 2, the basic structure of this PEFC main body is an electrolyte membrane 1 composed of a cation exchange membrane.
And each of the positive and negative gas diffusion electrodes 2 and 3 bonded to both sides thereof.
Composed of and. A catalyst is supported on at least the electrolyte membrane 1 side of the gas diffusion electrodes 2 and 3, and a battery reaction occurs at the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane 1 of the gas diffusion electrodes 2 and 3.

【0004】そして、ガス拡散電極2には例えば水素ガ
スを、ガス拡散電極3には例えば酸素ガスをそれぞれ供
給し、ガス拡散電極2、3間に外部負荷回路を接続する
と、ガス拡散電極2の触媒層と電解質膜1との界面で、
2H2 →4H+ +4e- の反応が起きる。この反応によ
り生じたH+ (プロトン)は電解質膜1を通って、e-
(電子)は負荷回路を通ってそれぞれ対極のガス拡散電
極3に移動し、電解質膜1とガス拡散電極3の触媒層と
の界面で、O2 +4H+ +4e- →2H2 Oの反応が起
きて、水が生じると同時に電気エネルギーが得られる。
Then, for example, hydrogen gas is supplied to the gas diffusion electrode 2, oxygen gas is supplied to the gas diffusion electrode 3, and an external load circuit is connected between the gas diffusion electrodes 2 and 3, respectively. At the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane 1,
The reaction of 2H 2 → 4H + + 4e occurs. H + (proton) generated by this reaction passes through the electrolyte membrane 1 and e
The (electrons) move to the opposite gas diffusion electrode 3 through the load circuit, and the reaction of O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O occurs at the interface between the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer of the gas diffusion electrode 3. As a result, electric energy is obtained at the same time as water is generated.

【0005】電解質膜としては、PEFC用高分子膜で
あるナフィオン(商標)やダウ膜などのパーフルオロカ
ーボンスルフォン酸膜が一般的に使われている。また、
PEFC用に限定されない電解質膜として超高分子量ポ
リエチレン多孔膜の空孔中にイオン交換膜を充填した物
(特開昭64−22932号公報)や超高分子量ポリエ
チレン多孔膜の表面を界面活性剤で処理して親水化しそ
の後イオン交換樹脂溶液を含ませる方法で得られた膜
(特開平4−204522号公報)も知られている。
As the electrolyte membrane, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane such as Nafion (trademark) or Dow membrane which is a polymer membrane for PEFC is generally used. Also,
As an electrolyte membrane not limited to PEFC, an ultra high molecular weight polyethylene porous membrane having pores filled with an ion exchange membrane (Japanese Patent Laid-Open No. 64-22932) or a surface of the ultra high molecular weight polyethylene porous membrane with a surfactant is used. A membrane (Japanese Patent Laid-Open No. 4-204522) obtained by a method of making it hydrophilic and then including an ion-exchange resin solution is also known.

【0006】しかしながら、従来の方法によっても用途
によってはその出力性能が不十分となることがあるた
め、出力性能のより高いPEFCの出現が切望されてい
た。
However, even if the conventional method is used, the output performance may be insufficient depending on the application. Therefore, it has been earnestly desired to develop a PEFC having higher output performance.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高い出力性
能を備えたPEFCを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a PEFC having high output performance.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に鋭意検討した結果、電解質膜として用いる官能基を有
する成分の厚さが、PEFCの出力特性に対して、その
厚さの変化から予想される抵抗値の変化に起因する影響
以上の影響を及ぼすこと、また、膜厚が薄くなると強度
低下のため実用的でなくなるが、芯材を複合させること
により実用的になること、更には芯材に含フッ素高分子
を用いると同時に電解質成分に含フッ素化合物を用いる
ことにより耐久性が大幅に向上することを見いだし、本
発明に至った。
Means for Solving the Problems As a result of extensive studies to achieve the above object, the thickness of a component having a functional group used as an electrolyte membrane is predicted from the change in the PEFC output characteristics. It is not practical due to the decrease in strength when the film thickness is thin, but it becomes practical when the core material is compounded. It was found that the durability is significantly improved by using a fluorine-containing polymer as the electrolyte component at the same time as using the fluorine-containing polymer as the material, and the present invention has been accomplished.

【0009】すなわち、本発明は、電解質となるイオン
交換膜と、触媒層を有するガス拡散電極とを有する高分
子電解質型燃料電池において、上記イオン交換膜が官能
基を有する成分と含フッ素高分子から成る芯材との複合
物であり、該官能基を有する成分が含フッ素化合物であ
って、その交換容量が0.9〜2ミリ当量/gで、かつ
接合体形成前の厚みが10〜100μmであり、上記芯
材の複合前における空孔率が70〜95%であることを
特徴とする固体高分子型燃料電池である。
That is, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell having an ion exchange membrane serving as an electrolyte and a gas diffusion electrode having a catalyst layer, wherein the ion exchange membrane has a functional group-containing component and a fluoropolymer. And a functional group-containing component is a fluorine-containing compound, the exchange capacity is 0.9 to 2 meq / g, and the thickness before formation of the bonded body is 10 to 10. The polymer electrolyte fuel cell has a porosity of 100 to 100 μm and a porosity of 70 to 95% before the composite of the core material.

【0010】本発明のPEFCにおいて、電解質となる
イオン交換膜の官能基を有する成分としては、含フッ素
高分子を骨格とし、官能基として、スルホン酸基、カル
ボン酸基、リン酸基およびホスホン酸基のいずれか一つ
または複数を有するものが挙げられる。このような官能
基を有する成分としては、例えば、下記(1)式で表さ
れるモノマーの一種以上を必須成分とし、これに後述の
モノマー群から選ばれた一種類または二種類以上のモノ
マーとの共重合体がある。
In the PEFC of the present invention, a component having a functional group of an ion exchange membrane as an electrolyte has a fluorinated polymer as a skeleton, and a functional group includes a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group and a phosphonic acid. Those having any one or a plurality of groups are included. As the component having such a functional group, for example, one or more monomers represented by the following formula (1) are essential components, and one or more monomers selected from the monomer group described later There is a copolymer of.

【0011】[0011]

【化1】 [Chemical 1]

【0012】(式中、−Yは、−SO3 H、−SO
2 F、−SO2 NH2 、−SO3 NH4 、−COOH、
−CN、−COF、−COOR(Rは炭素数1〜10の
アルキル基)、−PO3 2 または−PO3 Hである。
aは0〜6の整数、bは0〜6の整数、cは0または1
であり、且つa+b+c≠0であり、nは0〜6の整数
である。Xは、n≧1のときCl、BrおよびFのいず
れか一種または複数種の組合せである。Rt および
t ′は独立に、F、C1、1〜10個の炭素原子を有
するパーフルオロアルキル基および1〜10個の炭素原
子を有するフルオロクロロアルキル基から選択されるも
のである。)そして、これに共重合させるモノマー群と
しては、テトラフルオロエチレン、トリフルオロモノク
ロロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデ
ン、1,1−ジフルオロ−2,2−ジクロロエチレン、
1,1−ジフルオロ−2−クロロエチレン、ヘキサフル
オロプロピレン、1,1,1,3,3−ペンタフルオロ
プピレン、オクタフルオロイソブチレン、エチレン、塩
化ビニルおよびアルキルビニルエステル等が挙げられ
る。
(In the formula, -Y is -SO 3 H, -SO
2 F, -SO 2 NH 2, -SO 3 NH 4, -COOH,
-CN, -COF, -COOR (R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms), - a PO 3 H 2 or -PO 3 H.
a is an integer of 0 to 6, b is an integer of 0 to 6, and c is 0 or 1.
And a + b + c ≠ 0, and n is an integer of 0 to 6. X is a combination of one or more of Cl, Br and F when n ≧ 1. R t and R t ′ are independently selected from F, C1, a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms and a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms. ) And, as a monomer group to be copolymerized with this, tetrafluoroethylene, trifluoromonochloroethylene, trifluoroethylene, vinylidene fluoride, 1,1-difluoro-2,2-dichloroethylene,
Examples include 1,1-difluoro-2-chloroethylene, hexafluoropropylene, 1,1,1,3,3-pentafluoropropylene, octafluoroisobutylene, ethylene, vinyl chloride and alkyl vinyl ester.

【0013】共重合後、必要であれば例えば加水分解等
の後処理にてプロトン移動性の官能基へと変換させる。
官能基を有する成分の交換容量は、1g当たりの官能基
のモル数で定義され、通常、滴定法により測定される。
本発明の官能基を有する成分の交換容量は、0.9〜2
ミリ当量/gであり、好ましくは1〜2ミリ当量/g、
より好ましくは1.11〜2ミリ当量/gである。0.
9ミリ当量/gより小さいと抵抗が大きくなり性能が低
下する。また、2ミリ当量/gより大きいと、膜の構造
物としての強度低下が大きくなる。
After the copolymerization, if necessary, it is converted into a proton-migrating functional group by a post-treatment such as hydrolysis.
The exchange capacity of a component having a functional group is defined as the number of moles of the functional group per gram, and is usually measured by a titration method.
The exchange capacity of the component having a functional group of the present invention is 0.9 to 2
Milliequivalent / g, preferably 1-2 meq / g,
More preferably, it is 1.11-2 meq / g. 0.
If it is less than 9 meq / g, the resistance increases and the performance decreases. On the other hand, when it is more than 2 meq / g, the strength of the film as a structural member is greatly reduced.

【0014】前記した共重合体に、官能基を有する低分
子量化合物を混合して本発明のイオン交換膜の官能基を
有する成分を形成する方法は、交換容量を制御するのに
有効である。特に、一般的に行われている共重合法では
困難であるような高い交換容量物でも、低分子量化合物
を混合する方法では容易に達成できる。低分子量化合物
の混合量は特に制限はないが、好ましくは50重量%以
下であり、50重量%より多いと燃料電池運転中に低分
子量化合物が除去される場合がある。
The method of forming a component having a functional group of the ion exchange membrane of the present invention by mixing a low molecular weight compound having a functional group with the above-mentioned copolymer is effective for controlling the exchange capacity. In particular, even a high exchange capacity material, which is difficult in a commonly used copolymerization method, can be easily achieved by a method of mixing a low molecular weight compound. The mixing amount of the low molecular weight compound is not particularly limited, but is preferably 50% by weight or less, and if it is more than 50% by weight, the low molecular weight compound may be removed during the fuel cell operation.

【0015】低分子量化合物としては、プロトンを伝導
できる官能基を有する化合物であればいずれのものでも
よいが、含フッ素化合物を骨格とし、プロトンを伝導で
きる官能基として、スルホン酸基、カルボキシル基、リ
ン酸基およびホスホン酸基のいずれか一つまたは複数を
有するものが好ましい。例えば、上記官能基を有する前
記(1)式で表されるモノマーなどが挙げられる。
The low molecular weight compound may be any compound as long as it has a functional group capable of conducting a proton, but a fluorine-containing compound is a skeleton and a functional group capable of conducting a proton is a sulfonic acid group, a carboxyl group, Those having one or more of a phosphoric acid group and a phosphonic acid group are preferable. For example, the monomer represented by the above formula (1) having the above functional group may be mentioned.

【0016】本発明のイオン交換膜における官能基を有
する成分の厚みとは、接合体作製前の乾燥したイオン交
換膜断面を走査型電子顕微鏡(JSM−T20 日本電
子(株)製)により観察した時、官能基を有する成分の
存在する膜部分の最大厚さとする。その厚みは10〜1
00μmであることが必要であり、好ましくは10〜8
0μmである。燃料電池出力特性に対する官能基を有す
る成分の厚さ変化の影響は単に抵抗の変化によるもので
ないことが本発明者らの研究の結果明かとなった。PE
FCにおいて電解質膜中をH+ が移動する時には、膜中
に存在する水を同伴する。換言すると膜中に水が存在し
ないとH+ は移動できない。H+ に同伴する水は水素極
から酸素極へ移動することになり、結果として水素極で
は水が不足し、一方、酸素極では生成水も含めて水が過
剰な状態となる。このため出力性能が低下する。ところ
が、官能基を有する成分の厚みが100μm以下では、
酸素極側にある水の水素極側への、この官能基を有する
成分を通した拡散量が急激に増大することを見いだし
た。図3にはパーフルオロカーボンスルフォン酸膜であ
るアシプレックス膜(旭化成工業(株)製、商標、交換
容量1.00ミリ当量/g)を用いた80℃での結果を
示す。
The thickness of the component having a functional group in the ion exchange membrane of the present invention means the cross section of the dried ion exchange membrane before the production of the joined body was observed by a scanning electron microscope (JSM-T20 manufactured by JEOL Ltd.). At this time, the maximum thickness of the film portion where the component having a functional group is present. Its thickness is 10-1
It is necessary that the thickness is 00 μm, and preferably 10 to 8
It is 0 μm. As a result of the studies by the present inventors, it was revealed that the influence of the change in the thickness of the component having a functional group on the output characteristics of the fuel cell is not simply due to the change in the resistance. PE
When H + moves through the electrolyte membrane in FC, it entrains water present in the membrane. In other words, H + cannot move unless water is present in the film. The water that accompanies H + moves from the hydrogen electrode to the oxygen electrode, and as a result, the hydrogen electrode lacks water, while the oxygen electrode has an excessive amount of water including the produced water. Therefore, the output performance is reduced. However, when the thickness of the component having a functional group is 100 μm or less,
It was found that the amount of diffusion of the water on the oxygen electrode side to the hydrogen electrode side through the component having this functional group increases rapidly. FIG. 3 shows the results at 80 ° C. using an aciplex membrane (trade name, manufactured by Asahi Chemical Industry Co., Ltd., exchange capacity: 1.00 meq / g) which is a perfluorocarbon sulfonic acid membrane.

【0017】電解質膜の厚みが薄くなると、実用上強度
の低下につながる。燃料電池として使用している時や製
造工程での膜の破れは、安全上及び膜のコスト上好まし
くない。電解質膜自体の強度を向上させるためには、芯
材と前述の官能基を有する成分を複合させることが有効
である。また、燃料電池用途に用いる場合にはガス拡散
電極2枚と接合した状態とするため、電解質膜自体の強
度の実用的な許容範囲は広くなる。つまり、電解質膜自
体は実用的な強度はなくとも接合体とすることで使用で
きる。
When the thickness of the electrolyte membrane is reduced, the strength is practically reduced. Breakage of the membrane during use as a fuel cell or in the manufacturing process is not preferable in terms of safety and membrane cost. In order to improve the strength of the electrolyte membrane itself, it is effective to combine the core material and the above-mentioned component having a functional group. Further, when used for a fuel cell application, since the two gas diffusion electrodes are joined together, the practical allowable range of the strength of the electrolyte membrane itself is widened. That is, even if the electrolyte membrane itself does not have practical strength, it can be used by forming a joined body.

【0018】芯材の空孔率は出力性能に直接影響する。
ここで空孔率とは芯材体積に対する空孔の体積の割合で
ある。本発明の芯材の空孔率は70〜95%であること
が必要であり、好ましくは80〜95%、より好ましく
は80〜90%である。70%より小さいと出力性能の
低下が激しくなり、95%より大きいと複合した膜の強
度が不十分となる。
The porosity of the core material directly affects the output performance.
Here, the porosity is the ratio of the volume of voids to the volume of the core material. The porosity of the core material of the present invention needs to be 70 to 95%, preferably 80 to 95%, and more preferably 80 to 90%. When it is less than 70%, the output performance is seriously deteriorated, and when it is more than 95%, the strength of the composite film becomes insufficient.

【0019】芯材用材料としては、含フッ素高分子が用
いられるが、燃料電池の使用温度以上の融点、150℃
以上の物が好ましい。例えば、ポリテトラフルオロエチ
レン、テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルキル
ビニールエーテルの共重合体、テトラフルオロエチレン
とヘキサフルオロプロピレンの共重合体等がある。ま
た、芯材表面にイオン交換膜と同様な官能基を有するこ
とは、芯材と膜の接着状態を良好にする上で有効であ
り、例えば芯材の表面に前述の官能基を有する化合物、
例えばフルオロアルキル(C2 〜C10)カルボン酸、パ
ーフルオロカーボン(C4 〜C12)スルフォン酸等の水
溶液で処理してコーテイングする方法がある。空孔を有
する芯材の作り方には特に限定はないが、例えば芯材用
材料のファイバーを撚糸した後織っても良いし、薄膜状
にした芯材用材料を延伸させても良い。芯材の厚さを小
さくするためホットプレスする方法は有効である。
A fluorine-containing polymer is used as the material for the core material, and has a melting point above the operating temperature of the fuel cell, 150 ° C.
The above items are preferable. Examples include polytetrafluoroethylene, copolymers of tetrafluoroethylene and perfluoroalkyl vinyl ether, copolymers of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene, and the like. Further, having a functional group similar to the ion exchange membrane on the surface of the core material is effective in improving the adhesion state of the core material and the membrane, for example, a compound having the above-mentioned functional group on the surface of the core material,
For example, there is a method of treating with an aqueous solution of fluoroalkyl (C 2 -C 10 ) carboxylic acid, perfluorocarbon (C 4 -C 12 ) sulfonic acid, etc. and coating. The method for producing the core material having pores is not particularly limited. For example, fibers of the core material may be twisted and then woven, or a thin film core material may be stretched. The hot pressing method is effective for reducing the thickness of the core material.

【0020】本発明のイオン交換膜となる、官能基を有
する成分と芯材とを複合する方法について、特に限定さ
れないが、例えば官能基を有する成分の薄膜と芯材を重
ね合わせ加温加圧する方法がある。この場合、薄膜と芯
材の間の気体を除去するために、減圧状態下で実施する
ことが有効である。また、官能基を有する成分を、メタ
ノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等のア
ルコール類、N,N′−ジメチルアセトアミド、ジメチ
ルスルホシキド、スルホラン等の極性溶媒、テトラヒド
ロフラン等の環状エーテル類などの親水性溶媒から選ば
れた一種以上の溶媒、またはこれらの溶媒と水との混合
溶媒に溶解したものを、芯材に含浸させた後乾燥する方
法などがある。含浸させる方法は特に限定されないが、
たとえば上述の溶液に芯材を浸漬した後引き上げたり、
また、芯材に上述の溶液を塗布あるいはスプレーする方
法などがある。
The method of combining the component having a functional group and the core material, which is the ion exchange membrane of the present invention, is not particularly limited. For example, the thin film of the component having a functional group and the core material are superposed and heated and pressurized. There is a way. In this case, in order to remove the gas between the thin film and the core material, it is effective to carry out under a reduced pressure. Further, the component having a functional group is treated with an alcohol such as methanol, ethanol, propanol, butanol, a polar solvent such as N, N'-dimethylacetamide, dimethylsulfosydide, sulfolane, or a cyclic ether such as tetrahydrofuran. There is a method in which a core material is impregnated with one or more solvents selected from solvents or a mixture of these solvents and water and then dried, and the like. The method of impregnation is not particularly limited,
For example, after immersing the core material in the above solution, pulling up,
Further, there is a method of applying or spraying the above-mentioned solution on the core material.

【0021】本発明におけるガス拡散電極は、触媒金属
の微粒子を担持した導電材により構成される触媒層を含
むものであり、触媒層には必要に応じてプロトン伝導材
や撥水剤や結着剤が含まれていてもよい。また、触媒を
担持していない導電材および必要に応じて撥水剤や結着
剤が含まれる層が、触媒層の外側(電解質膜に接しない
側)に形成してあるものでもよい。
The gas diffusion electrode in the present invention includes a catalyst layer made of a conductive material carrying fine particles of a catalytic metal, and the catalyst layer may include a proton conductive material, a water repellent agent, and a binder as needed. Agents may be included. Further, a layer containing a conductive material not supporting a catalyst and optionally a water repellent or a binder may be formed outside the catalyst layer (on the side not in contact with the electrolyte membrane).

【0022】触媒層の空孔率は好ましくは65〜90%
であり、より好ましくは70〜85%である。空孔率が
65%より小さいと反応ガス供給が不十分となり、一方
90%より大きいと導電性が低下し、結果として電解質
膜の厚さを薄くした効果が相殺されてしまう。このガス
拡散電極に使用される触媒金属としては、水素の酸化反
応および酸素の還元反応を促進する金属であればいずれ
のものでもよく、例えば、鉛、鉄、マンガン、コバル
ト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ル
テニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウム又
はそれらの合金が挙げられる。また、炭化タングステン
も用いることができる。
The porosity of the catalyst layer is preferably 65 to 90%.
And more preferably 70 to 85%. When the porosity is less than 65%, the reaction gas supply becomes insufficient, while when it is more than 90%, the conductivity decreases, and as a result, the effect of reducing the thickness of the electrolyte membrane is offset. The catalyst metal used for the gas diffusion electrode may be any metal as long as it promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, and examples thereof include lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, and vanadium. , Tungsten, ruthenium, iridium, palladium, platinum, rhodium or alloys thereof. Further, tungsten carbide can also be used.

【0023】触媒となる金属の粒径は10〜300Åが
好ましい。粒径が小さいほど触媒性能は高くなるが、1
0Å未満のものは現実的に作製が困難であり、300Å
より大きいと必要な触媒性能が得られない。さらに好ま
しい触媒金属の粒径は15〜100Åである。触媒の担
持量は、電極が成形された状態で0.01〜10mg/
cm2 が好ましい。0.01mg/cm2 未満では触媒
の性能が発揮されず、10mg/cm 2 を越えるとコス
トが大きくなる。さらに好ましくは0.1〜0.5mg
/cm 2 である。
The particle size of the metal serving as the catalyst is 10 to 300Å
preferable. The smaller the particle size, the higher the catalytic performance, but 1
If it is less than 0Å, it is difficult to make it realistically.
If it is larger, the required catalyst performance cannot be obtained. More preferred
The particle size of the new catalytic metal is 15 to 100Å. Support for catalyst
The holding amount is 0.01 to 10 mg / when the electrode is molded.
cm2Is preferred. 0.01 mg / cm2Less than catalyst
Performance is not demonstrated, 10 mg / cm 2When you go over
The size becomes larger. More preferably 0.1-0.5 mg
/ Cm 2Is.

【0024】導電材としては、電気導伝性物質であれば
いずれのものでもよく、例えば各種金属や炭素材料など
が挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネス
ブラック、チャンネルブラックおよびアセチレンブラッ
ク等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛、カーボンファ
イバー等が挙げられ、これらが単独であるいは混合して
使用される。
The conductive material may be any material as long as it is an electrically conductive material, and examples thereof include various metals and carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black and acetylene black, activated carbon, graphite, carbon fiber and the like, and these may be used alone or in combination.

【0025】撥水剤としては、例えばフッ素化カーボン
等が使用される。結着剤としては各種樹脂が用いられる
が、撥水性をも有するフッ素樹脂が好ましい。そして、
フッ素樹脂のうちでも融点が400℃以下のものがより
好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テト
ラフルオロエチレンとパーフルオロアルキルビニルエー
テルの共重合体が挙げられる。これらを用いる場合、撥
水剤と結着剤を兼ねる。
As the water repellent, for example, fluorinated carbon or the like is used. Various resins are used as the binder, but a fluororesin that also has water repellency is preferable. And
Among the fluororesins, those having a melting point of 400 ° C. or lower are more preferable, and examples thereof include polytetrafluoroethylene and a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoroalkyl vinyl ether. When these are used, they also serve as a water repellent and a binder.

【0026】プロトン伝導材としては、プロトンを伝導
できる官能基を有する化合物であればいずれのものでも
よいが、含フッ素高分子を骨格とし、プロトンを伝導で
きる官能基として、スルホン酸基、カルボン酸基、リン
酸基およびホスホン酸基のいずれか一つまたは複数を有
するものが好ましい。このようなプロトン伝導材として
は、例えば、前記(1)式で表されるモノマーの一種類
以上を必須成分とし、これに前述のモノマー群から選ば
れた一種類または二種類以上のモノマーを組み合わせた
構造の共重合体等がある。
The proton conductive material may be any compound as long as it has a functional group capable of conducting a proton, but a fluorinated polymer is used as a skeleton, and a functional group capable of conducting a proton is a sulfonic acid group or a carboxylic acid. Those having one or more of a group, a phosphoric acid group and a phosphonic acid group are preferable. As such a proton conductive material, for example, one or more kinds of monomers represented by the above formula (1) are used as essential components, and one kind or two or more kinds of monomers selected from the above-mentioned monomer group are combined therewith. There are copolymers having different structures.

【0027】プロトン伝導材を触媒層に存在させる方法
としては、前記プロトン伝導材を溶液状態または粉末状
態で、触媒層をなす原料粉末と混合し、これを成形して
触媒層を形成してもよいし、予め形成されたガス拡散電
極の触媒層に、プロトン伝導材の溶液を含浸させてもよ
い。電解質であるイオン交換膜とガス拡散電極との接合
は、加温、加圧できる装置を用いて実施される。一般的
には、例えばホットプレス機、ロールプレス機等により
行われる。その際のプレス温度は特に制限がないが、好
ましくは120〜250℃である。プレス圧力は、使用
するガス拡散電極の固さに依存するが、例えば5〜20
0kg/cm2 とする。5kg/cm2 未満ではイオン
交換膜と電極との接合が不十分となり、200kg/c
2 を越えるとガス拡散電極の空孔が少なくなりすぎ
る。プレス圧力の好ましい値は20〜100kg/cm
2 である。
As a method for allowing the proton conductive material to exist in the catalyst layer, the proton conductive material may be mixed with the raw material powder forming the catalyst layer in a solution state or a powder state, and the mixture may be molded to form the catalyst layer. Alternatively, the catalyst layer of the gas diffusion electrode formed in advance may be impregnated with the solution of the proton conductive material. The bonding between the ion exchange membrane, which is the electrolyte, and the gas diffusion electrode is carried out using a device capable of heating and pressurizing. Generally, for example, a hot press machine, a roll press machine or the like is used. The pressing temperature at that time is not particularly limited, but is preferably 120 to 250 ° C. The pressing pressure depends on the hardness of the gas diffusion electrode used, but is, for example, 5 to 20.
It is set to 0 kg / cm 2 . If it is less than 5 kg / cm 2 , the bonding between the ion exchange membrane and the electrode becomes insufficient, and 200 kg / c
If it exceeds m 2 , the gas diffusion electrode has too few pores. The preferred value of pressing pressure is 20 to 100 kg / cm
Is 2 .

【0028】なお、ホットプレス時に電極の厚さよりわ
ずかに薄いスペーサを入れると、ガス拡散電極の空孔が
少なくなることを防止できることから好ましい。また、
水や溶媒等でイオン交換膜を湿潤させた状態でホットプ
レスすると、出力性能が向上するため好ましい。この理
由は明確ではないが、イオン交換膜内の含水率が増加す
るためであると考えられる。
It is preferable to insert a spacer slightly thinner than the thickness of the electrode at the time of hot pressing because it is possible to prevent the number of holes in the gas diffusion electrode from decreasing. Also,
Hot pressing with the ion exchange membrane moistened with water, a solvent or the like is preferable because the output performance is improved. The reason for this is not clear, but it is considered that the water content in the ion-exchange membrane increases.

【0029】また、必要であれば接合時にガス拡散電極
の片面若しくはイオン交換膜の面又は両者にプロトン伝
導材を塗布してから塗布した面で接合してもよい。これ
により、膜と電極の間の接触が良好になるためか燃料電
池出力性能が向上する。反応ガスとしては、メタノー
ル、天然ガス、ナフサ等を改質した水素主体のガスある
いは水素そのものを燃料として、また、空気あるいは酸
素そのものを酸化剤として用いる。両ガスは必要に応じ
て、水の添加や水中へのガス吹き込み等の方法を用いて
加湿する。
Further, if necessary, one side of the gas diffusion electrode or the side of the ion exchange membrane or both sides may be coated with a proton conductive material at the time of joining, and then the surfaces may be joined. This improves the fuel cell output performance probably because the contact between the membrane and the electrode is good. As the reaction gas, hydrogen-based gas obtained by reforming methanol, natural gas, naphtha or the like or hydrogen itself is used as a fuel, and air or oxygen itself is used as an oxidant. Both gases are humidified, if necessary, by adding water or blowing gas into water.

【0030】[0030]

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples.

【0031】[0031]

【実施例1】カーボンブラック(東海ブラック#550
0 東海カーボン(株)製 商品名)18g、ポリオキ
シエチレン(10)オクチルフェニルエーテル(トリト
ンX−100 和光純薬(株)製 商品名)1.25g
を水450gに加え、室温で30分間撹拌混合した。次
にこの混合物にポリテトラフルオロエチレン分散水溶液
(ポリフロンD−2 ダイキン(株)製 商品名)1
2.9gとシリカゲル(スノーテックス50 日産化学
(株)製 商品名)41.5gを添加し、30分間撹拌
混合した。この混合物を熱風乾燥器中100℃、2日間
乾燥した。得られた粉末をミルにて細粉し、その中から
5g秤量した。これにソルベントナフサ(キシダ化学
(株)製)16ml加え、混合後成膜した。この膜を熱
風乾燥器中で250℃、1時間、更に350℃、5分間
焼成した。この膜を、0.8mol/lの水酸化ナトリ
ウム溶液(水:エタノール=50:50容積%)を用い
て洗浄処理した。その後水洗し、中性であることを確認
して乾燥した。得られた膜に塩化白金酸(和光純薬
(株)製 特級)とエタノール(和光純薬(株)製 特
級)から調整した12重量%溶液を含浸させた後乾燥
し、更に、水素雰囲気下、150℃にて還元反応を行っ
た。白金担時量は3.0mg/cm2 であった。この触
媒層の空孔率を細孔分布測定装置ポアサイザー9320
((株)島津製作所製)にて測定したところ76%であ
った。この触媒層から10cm2 を切り出し重量を測定
したところ0.191gであった。この触媒層片側から
全面に、5重量%のパーフルオロカーボンスルフォン酸
溶液(ナフィオン溶液 アルドリッチ社製商品名)を1
0重量%に濃縮した溶液0.24ml含浸させ、乾燥し
て電極を作製した。この電極の重量を測定したところ
0.215gであった。
[Example 1] Carbon black (Tokai Black # 550
0 Tokai Carbon Co., Ltd. product name) 18 g, polyoxyethylene (10) octyl phenyl ether (Triton X-100 Wako Pure Chemical Industries, Ltd. product name) 1.25 g
Was added to 450 g of water, and the mixture was stirred and mixed at room temperature for 30 minutes. Next, an aqueous polytetrafluoroethylene dispersion solution (Polyflon D-2 manufactured by Daikin Co., Ltd.) 1 was added to this mixture.
2.9 g and silica gel (Snowtex 50, trade name of Nissan Kagaku Co., Ltd.) 41.5 g were added, and the mixture was stirred and mixed for 30 minutes. The mixture was dried in a hot air drier at 100 ° C. for 2 days. The obtained powder was finely divided by a mill and 5 g was weighed from the fine powder. To this, 16 ml of solvent naphtha (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was added and mixed to form a film. This film was baked in a hot air dryer at 250 ° C. for 1 hour and further at 350 ° C. for 5 minutes. The membrane was washed with a 0.8 mol / l sodium hydroxide solution (water: ethanol = 50: 50% by volume). Then, it was washed with water, and after confirming that it was neutral, it was dried. The obtained film was impregnated with a 12 wt% solution prepared from chloroplatinic acid (special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and ethanol (special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), then dried, and further under a hydrogen atmosphere. The reduction reaction was performed at 150 ° C. The amount of platinum carried was 3.0 mg / cm 2 . The porosity of this catalyst layer is measured by a pore size distribution measuring device Poisizer 9320.
It was 76% when measured by (manufactured by Shimadzu Corporation). When 10 cm 2 was cut out from this catalyst layer and the weight was measured, it was 0.191 g. 1% of a 5% by weight perfluorocarbon sulfonic acid solution (Nafion solution manufactured by Aldrich Co., Ltd.) was applied to the entire surface from one side of the catalyst layer.
An electrode was prepared by impregnating with 0.24 ml of a solution concentrated to 0% by weight and drying. The weight of this electrode was measured and found to be 0.215 g.

【0032】一方、パーフルオロカーボンスルフォン酸
膜の官能基前駆体としてCF2 =CF2 とCF2 =CF
OCF2 CF(CF3 )O(CF2 3 SO2 Fとの共
重合体からなる厚さ60μmの膜と、膜厚10μm、空
孔率95%であるポリテトラフルオロエチレンフィルム
(米国GORE−TEX社製)とを重ね合わせ、250
℃、100kg/cm2 にて一体化を行った。その後、
水55重量%、ジメチルスルホキシド30重量%、水酸
化カルシウム15重量%の混合液中に90℃で浸漬し、
その後塩酸水溶液に浸漬しスルホン酸基を有する成分
(交換容量1.00ミリ当量/g)と芯材の複合膜を得
た。乾燥後断面を走査型電子顕微鏡JSM−T20(日
本電子(株)製)で観察したところ、膜厚さは芯材を含
んだ状態で65μm、官能基を有する成分の存在する一
番厚い膜厚は60μmであった。この膜を36cm2
大きさに切断し、5重量%の過酸化水素水中80℃、1
時間浸漬し、その後蒸留水中80℃、1時間、更に0.
5mol/l硫酸中80℃、1時間、蒸留水中80℃、
1時間浸漬した。得られた膜を上述の2枚の電極で挟ん
でホットプレス器にて140℃、80kg/cm2 にて
90秒間接合処理を行った。
On the other hand, CF 2 ═CF 2 and CF 2 ═CF are used as the functional group precursors of the perfluorocarbon sulfonic acid film.
A film having a thickness of 60 μm made of a copolymer with OCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 3 SO 2 F and a polytetrafluoroethylene film having a film thickness of 10 μm and a porosity of 95% (US GORE- 250 made by TEX)
Integration was performed at 100 ° C. and 100 kg / cm 2 . afterwards,
Immerse in a mixed solution of 55% by weight of water, 30% by weight of dimethyl sulfoxide and 15% by weight of calcium hydroxide at 90 ° C.,
Then, it was immersed in a hydrochloric acid aqueous solution to obtain a composite film of a component having a sulfonic acid group (exchange capacity of 1.00 meq / g) and a core material. When the cross section after drying was observed with a scanning electron microscope JSM-T20 (manufactured by JEOL Ltd.), the film thickness was 65 μm with the core material included, and the thickest film thickness in which a component having a functional group was present. Was 60 μm. This film was cut into a size of 36 cm 2 , and was cut in 5% by weight hydrogen peroxide water at 80 ° C. for 1 hour.
Soak for 1 hour, then in distilled water at 80 ° C. for 1 hour, and then add to 0.
80 ° C. in 5 mol / l sulfuric acid for 1 hour, 80 ° C. in distilled water,
It was immersed for 1 hour. The obtained film was sandwiched between the above-mentioned two electrodes, and a hot press machine was used to perform a joining treatment at 140 ° C. and 80 kg / cm 2 for 90 seconds.

【0033】得られた接合体を用いて、図4に示す評価
装置にて出力評価を行った。圧力3気圧、セル温度95
℃、加湿温度95℃、反応ガスは酸素、水素を用い、流
量は各々100ml/min、200ml/minの測
定条件で行った。得られた電流密度対電圧曲線を図1に
示す。
Using the obtained bonded body, output evaluation was performed by the evaluation device shown in FIG. Pressure 3 atm, cell temperature 95
C., humidification temperature 95.degree. C., oxygen and hydrogen were used as reaction gases, and the flow rates were 100 ml / min and 200 ml / min, respectively. The obtained current density vs. voltage curve is shown in FIG.

【0034】[0034]

【比較例1】CF2 =CF2 とCF2 =CFOCF2
F(CF3 )O(CF2 3 SO2Fとの共重合体から
なる厚さ120μmの膜を、実施例1と同じく水55重
量%、ジメチルスルホキシド30重量%、水酸化カルシ
ウム15重量%の混合液中に浸漬し、その後酸水溶液に
浸漬してスルホン酸基を有する膜とした。得られた膜の
厚さは125μmであった。交換容量は1.00ミリ当
量/gであった。この膜を36cm2 の大きさに切断
し、実施例1と同じく、膜洗浄処理を行った後、実施例
1と同様のガス拡散電極との接合を同じ条件下で行っ
た。得られた接合体を用いて、実施例1と同様に出力評
価を行い、結果を図1に示す。
Comparative Example 1 CF 2 = CF 2 and CF 2 = CFOCF 2 C
F (CF 3) O (CF 2) 3 the thickness 120μm film comprising a copolymer of SO 2 F, also 55% by weight of water as in Example 1, dimethyl sulfoxide 30 wt%, calcium hydroxide 15 wt% It was dipped in the mixed solution of and then dipped in an aqueous acid solution to obtain a film having a sulfonic acid group. The thickness of the obtained film was 125 μm. The exchange capacity was 1.00 meq / g. The membrane was cut into a size of 36 cm 2 , and the membrane cleaning treatment was performed in the same manner as in Example 1, and then the same bonding with the gas diffusion electrode as in Example 1 was performed under the same conditions. Output evaluation was performed in the same manner as in Example 1 using the obtained joined body, and the results are shown in FIG.

【0035】[0035]

【実施例2】パーフルオロカーボンスルホン酸膜(アシ
プレックス 旭化成工業(株)製交換容量1.00ミリ
当量/g 商標 )をエタノールと水の重量で50対5
0混合溶媒に溶解し、5重量%の溶液とした。一方、芯
材として用いた膜厚15μm、空孔率90%の多孔性ポ
リテトラフルオロエチレンフィルム(MICRO−TE
X−NTF1033 日東電工(株)製 商品名)を内
径100mmφのポリスチレン製の円形ワクに固定し、
これを上記パーフルオロカーボンスルフォン酸溶液に浸
漬し、室温中で2時間放置した。その後、液中より芯材
を引き上げ、過剰な溶液を除き、風乾した。この操作を
10回繰り返すことにより、官能基を有する成分と芯材
との複合物を得た。この複合物を円形ワクより取りはず
し、テトラフルオロエチレンテープ(ナフロン ニチア
ス(株)製 商標)にはさみ、400kg/cm2 、1
40℃で5分間プレスした。ナフロン(商標)より取り
出した複合物膜の厚さは10μmであった。実施例1と
同様に走査型顕微鏡で観察したところイオン交換基を有
する成分の厚みは同じく10μmであった。この複合物
膜を純水中80℃1時間保持した。
Example 2 A perfluorocarbon sulfonic acid membrane (Aciplex, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd. with an exchange capacity of 1.00 meq / g trademark) was used at a weight ratio of 50: 5 with ethanol and water.
It was dissolved in 0 mixed solvent to obtain a 5 wt% solution. On the other hand, a porous polytetrafluoroethylene film (MICRO-TE) having a film thickness of 15 μm and a porosity of 90% used as a core material.
X-NTF1033 Nitto Denko Co., Ltd. product name) is fixed to a polystyrene circular ring with an inner diameter of 100 mmφ,
This was immersed in the perfluorocarbon sulfonic acid solution and left at room temperature for 2 hours. Then, the core material was pulled up from the liquid, the excess solution was removed, and air-dried. By repeating this operation 10 times, a composite of a component having a functional group and a core material was obtained. The composite was removed from the circular stick and pinched with tetrafluoroethylene tape (trademark of Naflon Nichias Co., Ltd.), 400 kg / cm 2 , 1
Pressed at 40 ° C for 5 minutes. The thickness of the composite film taken out from Naflon (trademark) was 10 μm. Observation with a scanning microscope in the same manner as in Example 1 revealed that the thickness of the component having an ion exchange group was 10 μm. This composite film was kept in pure water at 80 ° C. for 1 hour.

【0036】本実施例で使用したガス拡散電極(米国E
−TEK Inc.社製 合金担持量0.40mg/c
2 )は、触媒層とカーボンファイバー織布部から成っ
ており、触媒層のみの空孔率が74%であることを細孔
分布測定装置ポアサイザー9320((株)島津製作所
製)にて測定した。この電極から10cm2 を切り出
し、上述の5重量%アシプレックス溶液を0.162m
l含浸させ減圧下70℃で2時間乾燥した。作製した2
枚の電極に複合物膜をはさんで卓上プレス器(テスター
産業(株)製)にて140℃、80Kg/cm2 、90
秒間接合処理を行った。
The gas diffusion electrode used in this example (US E
-TEK Inc. Company-made alloy carrying amount 0.40 mg / c
m 2 ) is composed of a catalyst layer and a carbon fiber woven fabric part, and the porosity of only the catalyst layer is 74%, which is measured with a pore distribution measuring device Poisizer 9320 (manufactured by Shimadzu Corporation). did. 10 cm 2 was cut out from this electrode, and 0.15 m of the above 5 wt% aciplex solution was cut out.
The solution was impregnated with 1 and dried under reduced pressure at 70 ° C. for 2 hours. Made 2
A composite film is sandwiched between one electrode and a tabletop press (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) at 140 ° C., 80 Kg / cm 2 , 90
Bonding treatment was performed for a second.

【0037】[0037]

【実施例3】多孔性ポリテトラフルオロエチレンフィル
ム(MICRO−TEX NTF1033 日東電工
(株)製 商品名)を、0.5重量%のフッ素系界面活
性剤(EF−101 三菱マテリアル(株)製 商品
名)のエタノール溶液に1晩浸漬した後、引き上げ風乾
した。得られたフィルムを芯材に用いた。
[Example 3] Porous polytetrafluoroethylene film (MICRO-TEX NTF1033, product name of Nitto Denko Corporation) was added to 0.5% by weight of a fluorine-based surfactant (EF-101, product of Mitsubishi Materials Corporation). It was immersed in an ethanol solution of (N.E.) for one night and then lifted and air-dried. The obtained film was used as a core material.

【0038】次にこの芯材を、パーフルオロカーボンス
ルホン酸膜(アシプレックス 旭化成工業(株)製 商
標 交換容量1.00ミリ当量/g)をエタノールと水
の重量で50対50混合溶媒に溶解して得られた5重量
%溶液に30分間浸漬した後、芯材を引き上げ、過剰な
液を除き、風乾した。この操作を10回繰り返し、官能
基を有する成分と芯材との複合物を得た。この複合物を
テトラフルオロエチレンテープナフロンにはさみ、40
0Kg/cm2 、140℃で5分間プレスした。ナフロ
ンより取り出した複合物膜の厚さは11μmであった。
走査型顕微鏡で観察したところ官能基を有する成分の厚
みも11μmであった。この複合物膜を純水中80℃で
1時間保持した。実施例2と同じガス拡散電極(米国
E−TEK社製)10cm2 に上述の5重量%アシプレ
ックス溶液を0.162ml含浸させ乾燥した。作製し
た2枚の電極に複合物膜をはさんで卓上プレス器(テス
ター産業(株)製)にて140℃、80Kg/cm2
90秒間接合処理を行った。
Next, the core material was dissolved in a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (trade name: Aciplex, manufactured by Asahi Kasei Kogyo KK, exchange capacity 1.00 meq / g) in a mixed solvent of 50:50 by weight of ethanol and water. After immersing in the 5% by weight solution thus obtained for 30 minutes, the core material was pulled up, excess liquid was removed, and air drying was performed. This operation was repeated 10 times to obtain a composite of a component having a functional group and a core material. This composite is sandwiched between tetrafluoroethylene tape Naflon and 40
It was pressed at 0 Kg / cm 2 and 140 ° C. for 5 minutes. The thickness of the composite film taken out from the Naflon was 11 μm.
When observed with a scanning microscope, the thickness of the component having a functional group was 11 μm. This composite film was kept in pure water at 80 ° C. for 1 hour. Same gas diffusion electrode as in Example 2 (US
10 cm 2 of E-TEK) was impregnated with 0.162 ml of the above-mentioned 5% by weight aciplex solution and dried. A composite film is sandwiched between the two electrodes thus prepared, and a desktop press (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) is used at 140 ° C., 80 kg / cm 2 ,
Bonding treatment was performed for 90 seconds.

【0039】[0039]

【実施例4】多孔性ポリテトラフルオロエチレンフィル
ム(MICRO−TEX−NTF1033 日東電工
(株)製 商品名)を5重量%のパーフルオロカーボン
スルホン酸溶液(ナフィオン溶液 アルドリッチ社製
商品名)交換容量の0.91ミリ当量/gに浸漬し室温
で2時間保持しその後引き上げて風乾した。この操作を
10回繰り返した後、得られた複合物をナフロンにはさ
み、400kg/cm2、140℃で5分間プレスし
た。得られた複合物の厚さは12μmであった。官能基
を有する成分の厚さも12μmであった。実施例2と同
じ10cm2 のガス拡散電極(E−TEK社製)に5重
量%濃度のアシプレックス溶液を0.168ml含浸さ
せ、減圧下70℃で2時間乾燥した。この2枚の電極に
複合物をはさみ卓上プレスで140℃、80kg/cm
2 、90秒間接合処理を行った。
[Example 4] A porous polytetrafluoroethylene film (MICRO-TEX-NTF1033, manufactured by Nitto Denko Corporation) was used as a 5% by weight perfluorocarbon sulfonic acid solution (Nafion solution manufactured by Aldrich).
The product was immersed in an exchange capacity of 0.91 meq / g, kept at room temperature for 2 hours, then pulled up and air dried. After repeating this operation 10 times, the obtained composite was sandwiched between Naflon and pressed at 400 kg / cm 2 and 140 ° C. for 5 minutes. The thickness of the obtained composite was 12 μm. The thickness of the component having a functional group was also 12 μm. The same 10 cm 2 gas diffusion electrode (manufactured by E-TEK) as in Example 2 was impregnated with 0.168 ml of a 5 wt% concentration aciplex solution, and dried under reduced pressure at 70 ° C. for 2 hours. The composite is sandwiched between these two electrodes, and a desktop press is used at 140 ° C and 80 kg / cm.
2. Bonding treatment was performed for 90 seconds.

【0040】[0040]

【比較例2】石英ガラス板(日本板ガラス(株)製)上
に、実施例2で用いた交換容量1.00ミリ当量/gの
アシプレックス5重量%溶液をキャストし室温にてゆっ
くり風乾した。石英ガラス板上のには、ヒビ割れが発生
し、高分子膜が出来なかった。
Comparative Example 2 A 5% by weight solution of Aciplex having an exchange capacity of 1.00 meq / g used in Example 2 was cast on a quartz glass plate (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) and slowly air-dried at room temperature. . On the quartz glass plate, cracks occurred and a polymer film could not be formed.

【0041】[0041]

【比較例3】芯材として空孔率62%、厚さ40μmの
ポリエチレンテレフタレート不織布(不織布A020
旭化成工業(株)製 商品名)を用いた。実施例2と同
じ交換容量1.00m当量/gアシプレックスの5重量
%のエタノール/ 水混合溶液中に、芯材の不織布A02
0を浸漬し1時間保持後、引き上げて室温で風乾した。
この操作を15回繰り返し、得られた膜をナフロンでは
さみ400kg/cm 2 、14℃で5分間プレスした。
これにより厚さ38μmの官能基を有する成分と芯材と
の複合物を得た。
[Comparative Example 3] A core material having a porosity of 62% and a thickness of 40 μm
Polyethylene terephthalate non-woven fabric (non-woven fabric A020
Asahi Chemical Industry Co., Ltd. product name) was used. Same as Example 2
The same exchange capacity 1.00 m equivalent / g 5 weight of Aciplex
% Of ethanol / water mixed solution in the core material nonwoven fabric A02
After immersing 0 for 1 hour, it was pulled up and air dried at room temperature.
This operation was repeated 15 times, and the obtained membrane was
Scissors 400 kg / cm 2Pressed at 14 ° C for 5 minutes.
As a result, the component having a functional group having a thickness of 38 μm and the core material
A complex of

【0042】実施例2と同じガス拡散電極(米国E−T
EK社製)10cm2 に上述の5重量%アシプレックス
溶液を0.168ml含浸させ減圧下70℃で2時間乾
燥した。このガス拡散電極2枚に上記複合物をはさみ、
卓上プレス器にて140℃、80kg/cm2 、90秒
間接合処理を行った。
The same gas diffusion electrode as in Example 2 (US ET
10 cm 2 ( manufactured by EK) was impregnated with 0.168 ml of the above-mentioned 5% by weight aciplex solution and dried under reduced pressure at 70 ° C. for 2 hours. The composite is sandwiched between two gas diffusion electrodes,
Bonding treatment was performed at 140 ° C. and 80 kg / cm 2 for 90 seconds with a tabletop press.

【0043】[0043]

【比較例4】イオン交換膜として交換容量0.91ミリ
当量/g、厚さ175μmのナフィオン117(米国デ
ュポン社製、商品名)を用いた。電極は実施例2と同じ
物を用い、同じ方法手順で接合体を作製した。実施例2
〜4,比較例3〜4までの接合体を用いて、図4に示す
評価装置にて出力評価を行った。圧力1気圧、セル温度
55℃、加湿温度55℃、反応ガスは酸素、水素を用
い、流量は各々200ml/min、400ml/mi
nの条件で行った。得られた電流密度対電圧曲線を図5
に、また、0.8A/cm2 の電流密度における各々の
出力電圧の値を表1に示した。
Comparative Example 4 Nafion 117 (trade name, manufactured by DuPont, USA) having an exchange capacity of 0.91 meq / g and a thickness of 175 μm was used as an ion exchange membrane. The same electrode as in Example 2 was used as the electrode, and a joined body was prepared by the same method procedure. Example 2
.About.4, the output was evaluated by the evaluation device shown in FIG. 4 using the joined bodies of Comparative Examples 3 to 4. Pressure 1 atm, cell temperature 55 ° C., humidification temperature 55 ° C., oxygen and hydrogen were used as reaction gases, and flow rates were 200 ml / min and 400 ml / mi, respectively.
It was performed under the condition of n. The obtained current density vs. voltage curve is shown in FIG.
Table 1 shows the respective output voltage values at a current density of 0.8 A / cm @ 2.

【0044】[0044]

【表1】 [Table 1]

【0045】[0045]

【発明の効果】電解質膜として官能基を有する成分と含
フッ素化合物からなる芯材との複合物を用いることによ
り、従来得られなかった使用に耐える強度を有する薄膜
が得られ、その結果、出力の大幅な向上が達成された。
EFFECTS OF THE INVENTION By using a composite of a component having a functional group and a core material made of a fluorine-containing compound as an electrolyte membrane, a thin film having strength that can be used up to now, which has not been obtained hitherto, can be obtained. Has been achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施例1および比較例1における出力評価の結
果を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the results of output evaluation in Example 1 and Comparative Example 1.

【図2】固体高分子型燃料電池の基本構造を示す概要図
である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the basic structure of a polymer electrolyte fuel cell.

【図3】水分透過性の膜厚依存性を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing film thickness dependence of water permeability.

【図4】実施例および比較例において使用した評価装置
を示す概要図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an evaluation device used in Examples and Comparative Examples.

【図5】実施例2〜4および比較例3〜4における出力
評価の結果を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the results of output evaluation in Examples 2-4 and Comparative Examples 3-4.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電解質膜 2 ガス拡散電極 3 ガス拡散電極 4 燃料電池セル 5 加湿器 6 純水 7 実施例1 8 比較例1 9 実施例2 10 実施例3 11 実施例4 12 比較例3 13 比較例4 1 Electrolyte Membrane 2 Gas Diffusion Electrode 3 Gas Diffusion Electrode 4 Fuel Cell 5 Humidifier 6 Pure Water 7 Example 1 8 Comparative Example 1 9 Example 2 10 Example 3 11 Example 4 12 Comparative Example 3 13 Comparative Example 4

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質となるイオン交換膜と、触媒層を
有するガス拡散電極とを有する高分子電解質型燃料電池
において、上記イオン交換膜が官能基を有する成分と含
フッ素高分子から成る芯材との複合物であり、該官能基
を有する成分が含フッ素化合物であって、その交換容量
が0.9〜2ミリ当量/gで、かつ接合体形成前の厚み
が10〜100μmであり、上記芯材の複合前における
空孔率が70〜95%であることを特徴とする固体高分
子型燃料電池。
1. A polymer electrolyte fuel cell having an ion exchange membrane serving as an electrolyte and a gas diffusion electrode having a catalyst layer, wherein the ion exchange membrane is a core material comprising a component having a functional group and a fluorine-containing polymer. And a component having the functional group is a fluorine-containing compound, the exchange capacity thereof is 0.9 to 2 meq / g, and the thickness before the formation of a joined body is 10 to 100 μm, A polymer electrolyte fuel cell, wherein the porosity of the core material before composite is 70 to 95%.
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