JPH1167224A - Membrane-electrode bonding body for solid polymer fuel cell - Google Patents

Membrane-electrode bonding body for solid polymer fuel cell

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JPH1167224A
JPH1167224A JP9226172A JP22617297A JPH1167224A JP H1167224 A JPH1167224 A JP H1167224A JP 9226172 A JP9226172 A JP 9226172A JP 22617297 A JP22617297 A JP 22617297A JP H1167224 A JPH1167224 A JP H1167224A
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fuel cell
sulfonated
polymer
ether sulfone
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満月男 小西
Hiroshi Murata
博 村田
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文彦 山元
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the amount of a fluorine-contained material, and satisfy high proton conductivity and long durability at high temperature at the same time by using sulfonated polyaryl ether sulfone having the specified structure in an ion-exchange membrane and a catalyst layer. SOLUTION: Sulfonated polyaryl ether sulfone represented by the formula is contained in an ion-exchange membrane and/or a catalyst layer of a membrane-electrode bonding body. In the formula (a) is an integer of 1-4, (p) is an integer of 1-5, (n) is an integer of 2-1,000, X represents H or a mono to tetra relent metal, Ar represents an aromatic residue. The catalyst layer is made of a catalyst covered with sulfonated polyarl ether sulfone, and the ion-exchange membrane is preferably a fluorine-contained polymer having a sulfone group. The equipment weight of the sulfonated polyaryl ether sulfone is preferably 150-2,000 g/eq. The sulfonated polyaryl ether sulfone is obtained by reacting polyaryl ether sulfone with a well-known sulfonating agent.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、発電効率が高く、
低公害・低騒音等の特長を有する固体高分子型燃料電池
に用いる膜−電極接合体に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a power generation system having a high power generation efficiency.
The present invention relates to a membrane-electrode assembly used for a polymer electrolyte fuel cell having features such as low pollution and low noise.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、電解質が固体
であり、かつ高分子のイオン交換膜であることを特徴と
する燃料電池である。このような固体高分子型燃料電池
の基本構造は、図1に示されるように、上記イオン交換
膜1と、その両面に接合された一対のガス拡散電極2,
3とで構成され、各ガス拡散電極2,3の少なくともイ
オン交換膜1側には触媒層が担持されている。該触媒層
は、図1のA部分の拡大様式図に相当する図2に示され
るように、白金担持カーボンからなる触媒と該触媒を被
覆するバインダーポリマーなどからなり、多孔質の構造
を有するものである。このイオン交換膜とガス拡散電
極、触媒層を一体化したものを膜−電極接合体と呼ぶ。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell characterized in that the electrolyte is solid and a polymer ion exchange membrane is used. As shown in FIG. 1, the basic structure of such a polymer electrolyte fuel cell includes the ion-exchange membrane 1 and a pair of gas diffusion electrodes 2 bonded to both surfaces thereof.
The catalyst layer is carried on at least the ion exchange membrane 1 side of each of the gas diffusion electrodes 2 and 3. As shown in FIG. 2, which corresponds to an enlarged view of the portion A in FIG. 1, the catalyst layer comprises a catalyst comprising platinum-supported carbon and a binder polymer covering the catalyst, and has a porous structure. It is. The one obtained by integrating the ion exchange membrane, the gas diffusion electrode, and the catalyst layer is called a membrane-electrode assembly.

【0003】そして、ガス拡散電極2に燃料(例えば水
素)を、ガス拡散電極3に酸化剤(例えば酸素や空気
等)をそれぞれ供給し、ガス拡散電極2,3間に外部負
荷回路を接続することにより、燃料電池として作動す
る。該固体高分子型燃料電池の膜−電極接合体において
高分子電解質材料が用いられる部位は、イオン交換膜と
触媒層のバインダーポリマーである。ここでバインダー
ポリマーは、白金触媒表面を被覆することにより触媒層
の電解質/触媒/反応ガスの三相界面を増大させ、同時
にプロトン伝導性を上げるために用いられるものであ
る。なお、このバインダーポリマーは、その機能の点か
ら「接合材」とも言われるものである。この触媒層のバ
インダーポリマーが燃料電池の性能に大きく影響するこ
とが知られている(特開平6−333574号公報)。
[0003] A fuel (eg, hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode 2 and an oxidant (eg, oxygen or air) is supplied to the gas diffusion electrode 3, and an external load circuit is connected between the gas diffusion electrodes 2, 3. Thereby, it operates as a fuel cell. The site where the polymer electrolyte material is used in the membrane-electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell is the binder polymer of the ion exchange membrane and the catalyst layer. Here, the binder polymer is used to increase the three-phase interface of the electrolyte, the catalyst, and the reaction gas in the catalyst layer by coating the surface of the platinum catalyst, and at the same time, to increase the proton conductivity. The binder polymer is also called a “joining material” in terms of its function. It is known that the binder polymer of the catalyst layer greatly affects the performance of the fuel cell (JP-A-6-333574).

【0004】従来、かかる固体高分子電解質材料として
は、下記化学式(3)で示されるパーフルオロカーボン
スルホン酸が使用されている。化学式(3)の構造を持
つ市販されているイオン交換膜としては、米国デュポン
社製の「ナフィオン(登録商標)」が知られている。ま
た触媒層の接合材としては、主に前記「ナフィオン」を
構成するイオン交換樹脂を含むポリマー溶液である米国
アルドリッチ社製の「ナフィオン溶液」(例えば5重量
%溶液)が用いられている。
Conventionally, a perfluorocarbon sulfonic acid represented by the following chemical formula (3) has been used as such a solid polymer electrolyte material. As a commercially available ion exchange membrane having the structure of the chemical formula (3), “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, USA is known. As a bonding material for the catalyst layer, a “Nafion solution” (for example, a 5% by weight solution) manufactured by Aldrich Corporation of the United States, which is a polymer solution containing an ion-exchange resin constituting the “Nafion”, is mainly used.

【0005】[0005]

【化3】 Embedded image

【0006】(但し、mは0〜3の整数、yは1〜5の
整数、x/yは1〜15である。)フルオロカーボンス
ルホン酸膜のイオン導電率は25℃で5×10-2〜1×
10-1S・cm-1ほどで、一般に厚さ10〜200μm
の膜として用いるので単位面積あたりの抵抗は0.05
〜0.4Ω程度である。燃料電池に使われる高分子電解
質材料に要求される性能としては下記の項目がある。 室温におけるプロトン伝導度が10-2S・cm-1以上
であること。 室温から100℃付近までのプロトン伝導度の温度変
化が小さいこと。 長期にわたる安定性があること。
(Where m is an integer of 0 to 3, y is an integer of 1 to 5, and x / y is 1 to 15.) The ionic conductivity of the fluorocarbon sulfonic acid membrane is 5 × 10 -2 at 25 ° C. ~ 1 ×
About 10 −1 S · cm −1 and generally 10 to 200 μm in thickness
The resistance per unit area is 0.05
About 0.4Ω. The performance required for the polymer electrolyte material used in the fuel cell includes the following items. Proton conductivity at room temperature is 10 −2 S · cm −1 or more. The temperature change of the proton conductivity from room temperature to around 100 ° C. is small. Long-term stability.

【0007】これらの要求性能をある程度満たす高分子
電解質として現在、上記のフルオロカーボンスルホン酸
系イオン交換膜が用いられている。しかしながらフルオ
ロカーボンスルホン酸系イオン交換膜は特殊なフッ素系
ビニルエーテルモノマーから多段階を経て製造され、そ
の製造において大量のエネルギーを消費し、特に自動車
用途において指向されている環境負荷の低減という燃料
電池の大きな目的からすれば、必ずしも適当な材料とは
言えず、その製造においてトータルエネルギー消費のよ
り少ない高分子電解質が求められている。またフッ素を
含む材料は、埋め立て、焼却などその廃棄を考えた場合
環境や焼却器への悪影響が予想されるものであり、この
点からもフッ素を含む材料の使用量の低減が望まれてい
る。
At present, the above-mentioned fluorocarbon sulfonic acid ion-exchange membrane is used as a polymer electrolyte which satisfies these required performances to some extent. However, fluorocarbon sulfonic acid-based ion exchange membranes are manufactured from special fluorine-based vinyl ether monomers through multiple steps, consume a large amount of energy in their manufacture, and have a large impact on fuel cells, especially in the automotive applications, in reducing the environmental burden. For the purpose, it is not necessarily a suitable material, and there is a need for a polymer electrolyte that consumes less total energy in its production. Materials containing fluorine are expected to have an adverse effect on the environment and incinerators when considering disposal, such as landfills and incineration. From this point of view, it is desired to reduce the amount of materials containing fluorine. .

【0008】フルオロカーボンスルホン酸系に代わる材
料としてエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体フ
ィルムにα、β、β−トリフルオロスチレンを反応させ
た後、スルホン化処理した膜(Proc.Intern
ational FuelCell Conferen
ce.,417,1992)やポリテトラフルオロエチ
レンにスチレンをグラフトしスルホン化処理した膜
(J.Appl.Polym.Sci.,37,281
7,1989)などが検討されている。
[0008] As an alternative material to fluorocarbon sulfonic acid, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film is reacted with α, β, β-trifluorostyrene and then sulfonated (Proc. Intern)
national FuelCell Conferen
ce. , 417, 1992) and a membrane obtained by grafting styrene to polytetrafluoroethylene and performing sulfonation (J. Appl. Polym. Sci., 37, 281).
7, 1989).

【0009】しかしながら後者の例は耐久性が不十分で
あり、また前者の例は耐久性はフルオロカーボンスルホ
ン酸系と同等であるが、モノマーの入手が容易ではな
い。また、α、β、β−トリフルオロスチレンとm−ト
リフルオロメチル−α、β、β−トリフルオロスチレン
の共重合体にスルホン酸基を導入したイオン交換膜(特
表平8−512358号公報)が発表されている。この
イオン交換膜はバラード膜と言われるものであり、性能
はフルオロカーボンスルホン酸系に近いが、モノマーの
合成に多段階を要し、工業的な入手が容易ではない。
However, the latter example has insufficient durability, and the former example has the same durability as the fluorocarbon sulfonic acid system, but it is not easy to obtain a monomer. Further, an ion exchange membrane in which a sulfonic acid group is introduced into a copolymer of α, β, β-trifluorostyrene and m-trifluoromethyl-α, β, β-trifluorostyrene (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-512358) ) Has been announced. This ion exchange membrane is called a ballad membrane, and its performance is close to that of a fluorocarbon sulfonic acid system, but it requires multiple steps for synthesis of a monomer and is not easily available industrially.

【0010】また、耐熱性全芳香族ポリマーであるPE
EK(ポリエーテルエーテルケトンの略)(特開平6−
93114号公報)やPPBP(ポリフェノキシベンゾ
フェノンの略)をスルホン化した材料(燃料及び燃焼,
63(10) P.14(1996))が開発されてい
る。しかしながら特許に示されているスルホン化PEE
Kの燃料電池としての性能は極めて低い。これはスルホ
ン化PEEKのプロトン伝導性が低いためと考えられ
る。またスルホン化PPBPについては、燃料電池のイ
オン交換膜として適用された実例は未だ発表されていな
いが、高い耐久性を期待させるものの、発表されている
プロトン伝導度は、10-3〜10-2のレベルであり、フ
ルオロカーボンスルホン酸系に比較すると1桁以上導電
性が低く満足できるものではない。またPPBPは工業
的に生産されておらず、自動車用燃料電池材料として大
量に使用することができない。
Also, a heat-resistant wholly aromatic polymer, PE
EK (short for polyetheretherketone)
93114) or a material obtained by sulfonating PPBP (abbreviation of polyphenoxybenzophenone) (fuel and combustion,
63 (10) p. 14 (1996)). However, the sulfonated PEEs shown in the patent
The performance of K as a fuel cell is extremely low. This is thought to be due to the low proton conductivity of the sulfonated PEEK. Regarding the sulfonated PPBP, an example applied to an ion exchange membrane of a fuel cell has not been published yet. However, although high durability is expected, the published proton conductivity is 10 −3 to 10 −2. And the conductivity is lower than that of fluorocarbon sulfonic acid by one digit or more, which is not satisfactory. Further, PPBP is not industrially produced and cannot be used in large quantities as a fuel cell material for automobiles.

【0011】ドイツ特許DE4437492にはその表
面上に微分散された触媒活性金属が塗布されたスルホン
化ポリエーテルケトン系イオン交換膜が示されている。
燃料電池としての性能は明らかではないが、スルホン化
PEEKのプロトン伝導度が低いことから実用的な性能
は期待できない。さらに、部分的にスルホン化されたポ
リアリールエーテルスルホンをイオン交換膜とする水電
解の例が報告されている。(Journal of M
embrane Science,83 P.211
(1993))(Group Conf. Ser.
Publ.,3 (1993))しかし芳香環のスルホ
ニル化が平衡反応であるために100℃近い高温ではス
ルホン酸基が不安定で脱離が生じることが示されてお
り、耐久性が不十分である。
German Patent DE 44 37 492 shows a sulfonated polyetherketone-based ion-exchange membrane coated on its surface with a finely dispersed catalytically active metal.
Although the performance as a fuel cell is not clear, practical performance cannot be expected due to the low proton conductivity of sulfonated PEEK. Further, an example of water electrolysis using a partially sulfonated polyaryl ether sulfone as an ion exchange membrane has been reported. (Journal of M
embrane Science, 83 p. 211
(1993)) (Group Conf. Ser.
Publ. , 3 (1993)) However, since sulfonylation of an aromatic ring is an equilibrium reaction, it has been shown that sulfonic acid groups are unstable and elimination occurs at a high temperature near 100 ° C, resulting in insufficient durability.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、製造に多大
のエネルギーを要し、コストが高く、また廃棄問題もあ
るフッ素系の材料の使用量を低減し、かつ高いプロトン
伝導度と高温での長時間の耐久性を同時に満足する高分
子電解質材料を有する固体高分子燃料電池用の膜−電極
接合体を提供することを目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention requires a large amount of energy for production, is costly, reduces the amount of fluorine-based material which has a problem of disposal, and has a high proton conductivity and high temperature. An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte material that simultaneously satisfies the long-term durability of the present invention.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点を解決すべく鋭意研究した結果、驚くべき事に特定の
構造を有するスルホン化ポリアリールエーテルスルホン
が、フルオロカーボンスルホン酸系と同等の高いプロト
ン伝導性と温度変化に対する安定したプロトン伝導性を
持つと同時に、高温、長時間においても上記のスルホン
酸基の脱離がほとんど生じず、耐久性に優れることを見
出し、さらに、金属イオンを添加することにより耐水
性、耐久性が向上することを見出し、本発明の膜−電極
接合体を完成するに至った。
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, surprisingly, the sulfonated polyarylethersulfone having a specific structure has a similar structure to the fluorocarbon sulfonic acid type. It has high proton conductivity and stable proton conductivity against temperature change, and at the same time, the sulfonic acid group is hardly eliminated even at high temperature and for a long time. Was found to improve the water resistance and the durability, and completed the membrane-electrode assembly of the present invention.

【0014】すなわち本発明は、〔1〕 イオン交換膜
と該イオン交換膜に接合された触媒層及びガス拡散電極
とで構成される固体高分子燃料電池用膜−電極接合体に
おいて、上記イオン交換膜及び/又は上記触媒層が化学
式(1)で表されるスルホン化ポリアリールエーテルス
ルホンを有することを特徴とする固体高分子燃料電池用
膜−電極接合体、
That is, the present invention relates to [1] a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising an ion exchange membrane, a catalyst layer bonded to the ion exchange membrane, and a gas diffusion electrode. A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the membrane and / or the catalyst layer has a sulfonated polyarylethersulfone represented by the chemical formula (1).

【0015】[0015]

【化4】 Embedded image

【0016】(aは1〜4の整数である。pは1〜5の
整数である。nは2〜1000の整数である。XはHま
たは1価から4価の金属を表す。Arは芳香族残基を表
す。)〔2〕 触媒層が、スルホン化ポリアリールエー
テルスルホンで被覆された触媒により構成されることを
特徴とする上記〔1〕の固体高分子燃料電池用膜−電極
接合体、〔3〕 イオン交換膜が、スルホン酸基を有す
る含フッ素ポリマーである上記〔1〕又は〔2〕の固体
高分子燃料電池用膜−電極接合体、〔4〕 スルホン化
ポリアリールエーテルスルホンが当量重量150〜20
00g/eqのスルホン化ポリアリールエーテルスルホ
ンである上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕の固体高分子燃
料電池用膜−電極接合体、〔5〕 化学式(1)で表さ
れるスルホン化ポリアリールエーテルスルホンのXの1
%〜95%が1価から4価の金属である上記〔1〕、
〔2〕、〔3〕又は〔4〕の固体高分子燃料電池用膜−
電極接合体、〔6〕 スルホン化ポリアリールエーテル
スルホンが化学式(2)で表される構造である上記
〔1〕、〔2〕、〔3〕、〔4〕又は〔5〕の固体高分
子燃料電池用膜−電極接合体、
(A is an integer of 1 to 4; p is an integer of 1 to 5; n is an integer of 2 to 1000. X represents H or a monovalent to tetravalent metal. Ar is [2] The membrane-electrode junction for a polymer electrolyte fuel cell according to the above [1], wherein the catalyst layer is composed of a catalyst coated with a sulfonated polyaryl ether sulfone. [3] The membrane-electrode assembly for a solid polymer fuel cell according to the above [1] or [2], wherein the ion exchange membrane is a fluoropolymer having a sulfonic acid group; [4] a sulfonated polyarylether sulfone Has an equivalent weight of 150-20
The membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the above [1], [2] or [3], which is a sulfonated polyaryl ether sulfone of 00 g / eq; [5] sulfonation represented by the chemical formula (1) X 1 of the polyaryl ether sulfone
% To 95% is a monovalent to tetravalent metal [1],
[2], [3] or the membrane for polymer electrolyte fuel cells of [4]-
The electrode assembly, [6] the solid polymer fuel according to the above [1], [2], [3], [4] or [5], wherein the sulfonated polyaryl ether sulfone has a structure represented by the chemical formula (2). Membrane-electrode assembly for batteries,

【0017】[0017]

【化5】 Embedded image

【0018】(c、dは各々0〜4の整数であり、かつ
c,dともに0になることはない。nは2〜1000の
整数である。XはHまたは1価から4価の金属を表
す。)に関する。以下、本発明を詳細に説明する。本発
明における上記化学式(1)に示したスルホン化ポリア
リールエーテルスルホンにおいてArは全芳香族の残基
である。好ましくは炭素数6〜30の全芳香族残基が、
より好ましくは炭素数6〜18の全芳香族残基である。
例えばp−フェニレン基、m−フェニレン基、o−フェ
ニレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基、2−フェニ
ル−1,4−フェニレン基、2,6−ジフェニル−1,
4−フェニレン基などが挙げられる。
(C and d are each an integer of 0 to 4 and neither c nor d is 0. n is an integer of 2 to 1000. X is H or a monovalent to tetravalent metal. Represents.). Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the sulfonated polyaryl ether sulfone represented by the chemical formula (1) in the present invention, Ar is a wholly aromatic residue. Preferably a wholly aromatic residue having 6 to 30 carbon atoms is
More preferably, it is a wholly aromatic residue having 6 to 18 carbon atoms.
For example, p-phenylene group, m-phenylene group, o-phenylene group, biphenylene group, naphthylene group, 2-phenyl-1,4-phenylene group, 2,6-diphenyl-1,
4-phenylene group and the like.

【0019】上記化学式(1)の具体例として下記に示
す構造を繰り返し単位に持つポリマーを好ましく用いる
ことができ、中でも、化学式(2)で示される構造を繰
り返し単位に持つポリマーが好ましい。
As a specific example of the above chemical formula (1), a polymer having the following structure in the repeating unit can be preferably used. Among them, a polymer having the structure represented by the chemical formula (2) in the repeating unit is preferable.

【0020】[0020]

【化6】 Embedded image

【0021】(aは1〜4の整数であり、好ましくは1
〜2の整数であり、特に好ましくは1である。c、dは
各々0〜4の整数であり、かつc、dともに0になるこ
とはない。好ましくはc=d=1およびc=0,d=1
である。XはH又は1価から4価の金属である。) 従来の技術に示した文献(Journal of Me
mbrane Science、83巻、211ペー
ジ、1993年 及びGroup Conf.Ser.
Publ.,3,1993)のスルホン化ポリアリー
ルエーテルスルホンは、スルホン化する前のポリアリー
ルエーテルスルホンが、−Ph−SO2−Ph−O−
の構造であり、これをスルホン化したものは、必然的に
SO2 基とエーテル基に挟まれたフェニレン基にSO3
Hを持つことになる。これに対して本発明の膜−電極接
合体が有するスルホン化ポリアリールエーテルスルホン
は、スルホン化する前の構造が −Ph−SO2 −Ph
−O−Ar−O− であり、これをスルホン化するとそ
の電子供与性によりエーテル基に挟まれた芳香族残基に
SO3 H基が結合する。これにより、2個のエーテル基
に挟まれた芳香族残基にSO3 H基を持つことになり、
エーテル基の電子供与性により、SO3 H基の脱スルホ
ン化反応に対する化学的安定性が高く、耐久性が高くな
ったものと推定している。
(A is an integer of 1 to 4, preferably 1
And is an integer of 2 and particularly preferably 1. c and d are each an integer of 0 to 4 and neither c nor d is 0. Preferably c = d = 1 and c = 0, d = 1
It is. X is H or a monovalent to tetravalent metal. ) Documents described in the prior art (Journal of Me)
mbrane Science, 83, 211 pages, 1993 and Group Conf. Ser.
Publ. , Sulfonated polyarylether sulfone 3,1993), the polyarylethersulfone before sulfonation, -Ph-SO 2 -Ph-O-
The structure obtained by sulfonating this is inevitably a SO 3 group with a phenylene group sandwiched between an SO 2 group and an ether group.
You will have H. On the other hand, the sulfonated polyarylether sulfone of the membrane-electrode assembly of the present invention has a structure before sulfonation of -Ph-SO 2 -Ph
—O—Ar—O—, and when it is sulfonated, an SO 3 H group is bonded to an aromatic residue sandwiched between ether groups due to its electron donating property. As a result, an aromatic residue sandwiched between two ether groups has a SO 3 H group,
It is presumed that, due to the electron donating property of the ether group, the chemical stability against the desulfonation reaction of the SO 3 H group was high, and the durability was increased.

【0022】本発明で用いるスルホン化ポリアリールエ
ーテルスルホンの製造法としては、上記構造のポリアリ
ールエーテルスルホンを公知のスルホン化剤と反応させ
ることにより得ることができる。より具体的にはスルホ
ン化剤として例えば硫酸、発煙硫酸、クロロスルホン
酸、SO3とトリエチルホスフェートなどを用いて塩化
メチレン、クロロホルム等の溶媒中でスルホン化するこ
とができる。スルホン化していない上記構造式のポリア
リールエーテルスルホンは市販されているものもあり、
これら市販ポリマーを原料に用いても特に問題はない。
The method for producing the sulfonated polyaryl ether sulfone used in the present invention can be obtained by reacting the polyaryl ether sulfone having the above structure with a known sulfonating agent. More specifically, sulfonation can be carried out using a sulfonating agent such as sulfuric acid, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, SO 3 and triethyl phosphate in a solvent such as methylene chloride or chloroform. Some non-sulfonated polyaryl ether sulfones of the above structural formula are commercially available,
There is no particular problem if these commercially available polymers are used as raw materials.

【0023】またスルホン化したモノマー、例えば4,
4′−ビフェノールのスルホン化物とジクロロジフェニ
ルスルホンの重縮合によっても上記スルホン化ポリマー
を得ることができる。上記スルホン化された繰り返し単
位は、分子鎖の一部に存在すればよく、そのようなポリ
マーは、スルホン化していないモノマーとスルホン化し
たモノマーを用いることによりブロックコポリマー、ラ
ンダムコポリマーの形で得ることもできる。
Also, sulfonated monomers such as 4,
The above sulfonated polymer can also be obtained by polycondensation of a sulfonated product of 4'-biphenol and dichlorodiphenyl sulfone. The above-mentioned sulfonated repeating unit may be present in a part of the molecular chain, and such a polymer may be obtained in the form of a block copolymer or a random copolymer by using a non-sulfonated monomer and a sulfonated monomer. Can also.

【0024】またスルホン化に際してあらかじめ溶媒結
晶化したポリアリールエーテルスルホンを用いることに
よりブロックコポリマーを得ることもできる。上記方法
により得られたスルホン化ポリアリールエーテルスルホ
ンは、化学式(1)で示す構造においてXがHのもので
ある。このポリマーのXを1価から4価の金属に変換す
ることにより、Xの少なくとも一部が金属であるポリマ
ーを得ることができる。Xの全てがHであるポリマーは
水分吸収による膨潤により寸法変化を来たし、この材料
を燃料電池のイオン交換膜として長時間使用した場合、
触媒層との剥離や膜自身のたわみを生じて、ついてには
破断するなどの問題が生じることがある。従ってXの一
部が金属であることが好ましい。金属を導入することに
よりポリマーの耐水性が向上し、要求される耐久性を満
足するポリマーを得ることができるが、この原因として
はポリマーが一部架橋した構造となり、水分吸収が減少
し、膨潤によって引き起こされる寸法変化の問題をかな
りの程度解決することができるものと推定している。
A block copolymer can also be obtained by using a polyaryl ether sulfone which has been previously crystallized with a solvent in sulfonation. In the sulfonated polyarylethersulfone obtained by the above method, X is H in the structure represented by the chemical formula (1). By converting X of this polymer from a monovalent to a tetravalent metal, a polymer in which at least a part of X is a metal can be obtained. A polymer in which all of X are H undergoes dimensional change due to swelling due to moisture absorption, and when this material is used for a long time as an ion exchange membrane of a fuel cell,
Problems such as peeling from the catalyst layer and bending of the film itself may occur, and eventually the film may break. Therefore, it is preferable that a part of X is a metal. By introducing a metal, the water resistance of the polymer is improved, and a polymer that satisfies the required durability can be obtained. This is because the polymer has a partially cross-linked structure, reduces water absorption, and swells. It is presumed that the problem of dimensional change caused by this can be solved to a considerable extent.

【0025】1価の金属としては、Na,K,Rbなど
のアルカリ金属を用いることができ、2価の金属として
はMg,Ca,Ba等のアルカリ土類金属の他にZn,
Cu等も用いることができる。3価の金属としては、A
l,Ga,In、Y,La、希土類金属などがあり、4
価の金属としては、Ti,Zr,Hf等を用いることが
できる。中でも、2価の金属であるBa、3価の金属で
あるAl,Ga,In,Y,La、希土類金属が好まし
く、より好ましくは、Ba、La、希土類金属である。
As the monovalent metal, an alkali metal such as Na, K, or Rb can be used. As the divalent metal, in addition to an alkaline earth metal such as Mg, Ca, or Ba, Zn,
Cu or the like can also be used. As the trivalent metal, A
1, Ga, In, Y, La, rare earth metals, etc.
As the valence metal, Ti, Zr, Hf, or the like can be used. Among them, Ba, which is a divalent metal, Al, Ga, In, Y, La, which is a trivalent metal, and a rare earth metal are preferable, and Ba, La, and a rare earth metal are more preferable.

【0026】該金属の置換量は、上記化学式(1)の全
Xの1%〜95%が好ましく、さらに好ましくは2%〜
60%である。1%より置換量が少ないとスルホン酸基
の置換量にもよるが、水分吸収による寸法変化が大きい
場合がある。また95%より置換量が多いとプロトン伝
導性が低下し、電池性能が低下する。該金属の導入方法
は、H型のスルホン化ポリアリールエーテルスルホンを
可溶性溶媒に溶解するか、または不溶性の溶媒に懸濁さ
せ、そこに上記金属の塩の溶液を添加し、所定時間攪拌
混合することによる。溶媒としては、水、メタノール、
エタノール、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、
N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミ
ド、N,N−ジメチルアセトアミドなどを好適に用いる
ことができる。金属の塩としては、特に限定はないが例
えば水酸化物、酢酸塩、アセチルアセトナート塩、イソ
プロポキシ塩などのアルコキシ塩等を用いることができ
る。添加に際しては溶媒に溶解することが好ましい。金
属置換ポリマーは、金属塩を添加後、不溶性になる場合
にはポリマーを濾過、洗浄してもよいし、溶解している
場合には溶媒を溜去後、不溶性の溶媒で洗浄することに
より単離、精製することができる。さらに金属との結合
をさらに強固なものとするために、得られた金属添加ポ
リマーを60℃〜200℃の温度で数時間加熱処理して
もよい。
The substitution amount of the metal is preferably 1% to 95%, more preferably 2% to 95% of the total X in the chemical formula (1).
60%. If the substitution amount is less than 1%, the dimensional change due to moisture absorption may be large depending on the substitution amount of the sulfonic acid group. If the substitution amount is more than 95%, the proton conductivity decreases, and the battery performance decreases. The metal is introduced by dissolving the H-form sulfonated polyarylethersulfone in a soluble solvent or suspending the H-type sulfonated polyarylethersulfone in an insoluble solvent, adding a salt solution of the metal thereto, and stirring and mixing for a predetermined time. It depends. Solvents include water, methanol,
Ethanol, tetrahydrofuran, diethyl ether,
N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and the like can be suitably used. The metal salt is not particularly limited, but for example, an hydroxide salt, an acetate salt, an acetylacetonate salt, an alkoxy salt such as an isopropoxy salt, or the like can be used. Upon addition, it is preferable to dissolve in a solvent. The metal-substituted polymer may be filtered and washed if it becomes insoluble after the addition of the metal salt, or it may be simply washed with an insoluble solvent after distilling off the solvent if dissolved. Can be separated and purified. In order to further strengthen the bond with the metal, the obtained metal-added polymer may be heat-treated at a temperature of 60 ° C to 200 ° C for several hours.

【0027】本発明の膜−電極接合体は、イオン交換膜
及び/又は触媒層に化学式(1)に示すスルホン化ポリ
アリールエーテルスルホンを有することを特徴とする
が、イオン交換膜のプロトン伝導度が概ね10-2を下回
らない範囲において他のスルホン酸基を有するポリマー
あるいはスルホン酸基を有していないポリマーをイオン
交換膜に含んでいても良い。他のポリマーとしては、例
えば、化学式(3)のフルオロカーボンスルホン酸系ポ
リマーやスルホン化PEEKであり、スルホン化してい
ないポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン、
全芳香族ポリマー、例えばポリエーテルスルホン、PE
EK等を用いることができる。
The membrane-electrode assembly of the present invention is characterized in that the ion-exchange membrane and / or the catalyst layer has a sulfonated polyarylethersulfone represented by the chemical formula (1). However, the ion exchange membrane may contain another polymer having a sulfonic acid group or a polymer having no sulfonic acid group within a range not less than about 10 -2 . Other polymers include, for example, fluorocarbon sulfonic acid-based polymers of Formula (3) and sulfonated PEEK, and non-sulfonated polymers include polytetrafluoroethylene,
Wholly aromatic polymers such as polyethersulfone, PE
EK or the like can be used.

【0028】さらに具体的には、イオン交換膜として化
学式(3)のフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーを
用い、触媒層のバインダーポリマーが本発明に示すスル
ホン化ポリアリールエーテルスルホンである膜−電極接
合体が好ましい。本発明のスルホン化ポリアリールエー
テルスルホンのスルホン酸基の量は、当量重量すなわち
イオン交換基1当量当たりのスルホン化ポリマーの乾燥
重量により規定される。この当量重量は、実験的には乾
燥したスルホン化ポリマーをアルコールなどの水と均一
溶解する溶媒に溶解し、アルカリで滴定することにより
求めることができる。本発明のスルホン化ポリマーの当
量重量は、150〜2000g/eqであることが好ま
しく、さらに好ましくは、200〜950g/eqであ
る。150g/eqより低い当量重量では、水膨潤性が
大きく水溶解性となることもあり、燃料電池用の膜−電
極接合体として用いることができない。また2000g
/eqより高い場合には十分なプロトン伝導性が得られ
なくなる。
More specifically, there is provided a membrane-electrode assembly in which a fluorocarbon sulfonic acid-based polymer represented by the chemical formula (3) is used as the ion exchange membrane and the binder polymer of the catalyst layer is the sulfonated polyaryl ether sulfone shown in the present invention. preferable. The amount of sulfonic acid groups of the sulfonated polyarylethersulfone of the present invention is defined by the equivalent weight, ie, the dry weight of the sulfonated polymer per equivalent of ion exchange group. This equivalent weight can be experimentally determined by dissolving the dried sulfonated polymer in a solvent such as alcohol, which dissolves uniformly in water, and titrating with an alkali. The equivalent weight of the sulfonated polymer of the present invention is preferably from 150 to 2000 g / eq, and more preferably from 200 to 950 g / eq. When the equivalent weight is lower than 150 g / eq, the water swelling property becomes large and the water becomes soluble, so that it cannot be used as a membrane-electrode assembly for a fuel cell. 2000g
If it is higher than / eq, sufficient proton conductivity cannot be obtained.

【0029】上記方法により得られたスルホン化ポリマ
ーから膜−電極接合体に用いるイオン交換膜を得る方法
としては、該ポリマーを溶媒に溶解してキャストする方
法、キャストした状態で貧溶媒に浸せきする方法、熱プ
レス成形、ロール成形、押し出し成形等の公知の成形方
法を用いることができる。膜厚としては10μmから3
00μmの厚さが好ましい。
As a method for obtaining an ion-exchange membrane used for a membrane-electrode assembly from the sulfonated polymer obtained by the above method, a method in which the polymer is dissolved in a solvent and cast, or a method in which the polymer is cast and immersed in a poor solvent. A known molding method such as a method, hot press molding, roll molding, or extrusion molding can be used. The film thickness is from 10 μm to 3
A thickness of 00 μm is preferred.

【0030】また、上記スルホン化ポリマーを、ガス拡
散電極の触媒が担持された導電材(カーボン粒子等)の
表面に付着させ、バインダーポリマーとして用いる方法
としては、上記スルホン化ポリマーを、溶液状態または
粉末状態で触媒層をなす原料粉末(導電材粒子と触媒と
からなる粒子。)および必要に応じて添加される結着剤
等と混合し、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、上記スル
ホン化ポリマーの溶液を含浸させてもよい。
Further, the above sulfonated polymer is adhered to the surface of a conductive material (carbon particles or the like) on which a catalyst of a gas diffusion electrode is supported, and is used as a binder polymer. The catalyst layer may be formed by mixing a raw material powder (particles composed of conductive material particles and a catalyst) forming a catalyst layer in a powder state and a binder or the like added as necessary, and molding this. Then, the catalyst layer of the gas diffusion electrode formed in advance may be impregnated with the solution of the sulfonated polymer.

【0031】スルホン化ポリマーを溶液としてバインダ
ーポリマーに用いる場合には、溶媒として、メタノー
ル、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノー
ル、ブタノール等の低級アルコールの単独溶媒またはこ
れらの中から選ばれた二種類以上の混合溶媒を用いるこ
とができる。また水と上記溶媒との混合溶媒も用いるこ
とができる。スルホン化ポリマー溶液の濃度は、触媒層
がスルホン化ポリアリールエーテルスルホンで被覆され
た触媒により構成されることが好ましいことから、ガス
拡散電極の触媒層側に含浸させたときに、触媒表面に適
切な被覆が形成されやすい濃度が好ましく、1重量%〜
20重量%が好ましい。この濃度が高すぎると、触媒表
面に形成される被覆が厚すぎてガスの触媒への拡散が阻
害されたり、スルホン化ポリマーにより触媒表面を均一
に被覆できず触媒の利用率が低下したりして、燃料電池
としての出力が低下する場合がある。
When the sulfonated polymer is used as a binder polymer as a solution, the solvent may be a single solvent of a lower alcohol such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol, or two kinds selected from these. The above mixed solvents can be used. Further, a mixed solvent of water and the above solvent can also be used. Since the concentration of the sulfonated polymer solution is preferably made of a catalyst coated with a sulfonated polyarylethersulfone, the catalyst layer is suitable for the catalyst surface when impregnated on the catalyst layer side of the gas diffusion electrode. The concentration at which a suitable coating is easily formed is preferable, and
20% by weight is preferred. If the concentration is too high, the coating formed on the catalyst surface is too thick to prevent gas diffusion into the catalyst, or the catalyst surface cannot be uniformly coated with the sulfonated polymer and the catalyst utilization is reduced. As a result, the output of the fuel cell may decrease.

【0032】また、この濃度が低すぎると、スルホン化
ポリマー溶液の粘度が小さすぎてイオン交換膜とガス拡
散電極との接合が不完全になったり、あるいはこの溶液
がガス拡散電極の内部深くまで浸透して、ガス拡散電極
の触媒層より内部の疎水化層にまで達し、当該疎水化層
の適度な疎水性を阻害する場合もある。このようなバイ
ンダーポリマー溶液をガス拡散電極の触媒層に含浸させ
る方法として、最も簡単な方法としては、例えば、当該
溶液を、筆を用いてガス拡散電極の触媒層側の面に塗布
したり、当該溶液の必要量をガス拡散電極の触媒層側の
面に滴下し、これをヘラ等で延ばす方法を用いることが
できる。
On the other hand, if the concentration is too low, the viscosity of the sulfonated polymer solution is too low, so that the bonding between the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode is incomplete, or if the solution reaches deep inside the gas diffusion electrode. In some cases, the water may penetrate and reach the hydrophobic layer inside from the catalyst layer of the gas diffusion electrode, thereby inhibiting the appropriate hydrophobicity of the hydrophobic layer. As a method of impregnating the catalyst layer of the gas diffusion electrode with such a binder polymer solution, as the simplest method, for example, the solution is applied to the surface of the gas diffusion electrode on the catalyst layer side using a brush, A method in which a required amount of the solution is dropped on the surface of the gas diffusion electrode on the catalyst layer side and the solution is spread with a spatula or the like can be used.

【0033】バインダーポリマーによる被覆量は、燃料
電池の性能に大きな影響を与える重要な要素であり、そ
の被覆量は、使用する触媒中の触媒金属(白金等)担持
量によって最適なる量を選択することができる。触媒金
属担持量によっても異なるが、触媒担持面に存在するイ
オン交換樹脂の重量は乾燥後0.1〜10mg/cm 2
になるように塗布するのが好ましい。
The coating amount of the binder polymer depends on the fuel
It is an important factor that has a significant effect on battery performance.
The amount of coating depends on the amount of catalyst metal (such as platinum) supported in the catalyst used.
The optimal amount can be selected depending on the amount. Catalyst gold
Although it depends on the amount of metal supported,
The weight of the on-exchange resin is 0.1 to 10 mg / cm after drying. Two
It is preferable to apply so that

【0034】ガス拡散電極の触媒側の面に塗布されたバ
インダーポリマー溶液は、ガス拡散電極の触媒層の内部
に浸透して、触媒(白金等)を担持している導電材粒子
(カーボン粒子等)の表面を覆い、溶媒の乾燥後に、バ
インダーポリマー成分が導電材粒子の表面に薄い被膜と
なって残る。なお、バインダーポリマーは、触媒層の一
部にのみ存在していてもよいが、触媒層の全部に存在し
ていることが好ましい。また、このバインダーポリマー
は、膜−電極接合体を構成するイオン交換膜とガス拡散
電極とを接合した時にイオン交換膜に接した状態で設け
られていると、接合材として作用して、イオン交換膜と
ガス拡散電極との接合力を高めることができる。
The binder polymer solution applied to the catalyst-side surface of the gas diffusion electrode penetrates into the inside of the catalyst layer of the gas diffusion electrode, and the conductive material particles (such as carbon particles) carrying the catalyst (such as platinum). After the solvent is dried, the binder polymer component remains as a thin film on the surface of the conductive material particles. Note that the binder polymer may be present only in a part of the catalyst layer, but is preferably present in the entire catalyst layer. In addition, when the binder polymer is provided in a state of being in contact with the ion exchange membrane when the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode constituting the membrane-electrode assembly are joined, the binder polymer acts as a bonding material and performs ion exchange. The bonding strength between the membrane and the gas diffusion electrode can be increased.

【0035】燃料電池に使用されるイオン交換膜の厚さ
としては、例えば10〜300μmのものが用いられ
る。イオン交換膜が、10μmより薄いと成膜時の強度
が保てず、300μmより厚いとイオン交換膜の抵抗が
増大し燃料電池作動時の出力特性が低下する。好ましい
イオン交換膜の厚さは50〜100μm程度である。現
在のプロトン交換膜型燃料電池に使用されているイオン
交換膜は、主にパーフルオロスルホン酸の均一膜であ
る、米国デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、
旭化成工業(株)製の「アシプレックス−S(登録商
標)」及び、旭硝子(株)製の「フレミオン(登録商
標)」である。
The thickness of the ion exchange membrane used in the fuel cell is, for example, 10 to 300 μm. If the ion exchange membrane is thinner than 10 μm, the strength at the time of film formation cannot be maintained, and if it is thicker than 300 μm, the resistance of the ion exchange membrane increases and the output characteristics during operation of the fuel cell deteriorate. The preferred thickness of the ion exchange membrane is about 50 to 100 μm. The ion exchange membrane used in the current proton exchange membrane fuel cell is mainly a uniform membrane of perfluorosulfonic acid, "Nafion (registered trademark)" manufactured by DuPont in the United States,
"Aciplex-S (registered trademark)" manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd. and "Flemion (registered trademark)" manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.

【0036】触媒層は、触媒金属の微粒子を担持した導
電材により構成されるものであり、必要に応じて撥水剤
や結着剤が含まれていてもよい。また、触媒を担持して
いない導電材と必要に応じて含まれる撥水剤や結着剤と
からなる層が、触媒層の外側に形成してあってもよい。
この触媒層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、白金、金、銀、パラジウ
ム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバル
ト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナ
ジウム、あるいはそれらの合金が挙げられる。さらに
は、窒素含有クロム、窒素含有鉄、窒素含有コバルトな
ども用いることができる。このような触媒の中で、特に
白金が多くの場合用いられる。
The catalyst layer is made of a conductive material carrying fine particles of a catalyst metal, and may contain a water repellent or a binder as necessary. Further, a layer composed of a conductive material not carrying a catalyst and a water repellent or a binder contained as necessary may be formed outside the catalyst layer.
The catalyst metal used in the catalyst layer may be any metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, for example, platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, Examples include iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, and alloys thereof. Further, nitrogen-containing chromium, nitrogen-containing iron, nitrogen-containing cobalt and the like can also be used. Among such catalysts, especially platinum is often used.

【0037】触媒となる金属の粒径は、通常は10〜3
00Åである。粒径が小さいほど触媒性能は高くなる
が、10Å未満のものは作製が困難であり、300Åよ
り大きいと充分な触媒性能が得られない。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例えば0.01〜10mg
/cm2とする。触媒の担持量が0.01mg/cm2
未満では触媒の性能が発揮されず、10mg/cm2
超えて担持しても性能は飽和する。触媒の担持量のより
好ましい値は0.1〜5.0mg/cm2 である。
The particle size of the metal serving as the catalyst is usually 10 to 3
00 °. The smaller the particle size, the higher the catalytic performance. However, if the particle size is less than 10 °, it is difficult to produce the catalyst. The preferred catalyst metal particle size is 15-100 °. The supported amount of the catalyst is, for example, 0.01 to 10 mg in a state where the electrode is formed.
/ Cm 2 . The amount of supported catalyst is 0.01 mg / cm 2
If it is less than 10, the performance of the catalyst will not be exhibited, and the performance will be saturated even if it exceeds 10 mg / cm 2 . A more preferred value of the amount of the supported catalyst is 0.1 to 5.0 mg / cm 2 .

【0038】導電材としては、電子導電性物質であれば
いずれのものでも良く、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、黒鉛等が挙げら
れ、これらが単独あるいは混合して使用される。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。
As the conductive material, any material may be used as long as it is an electronic 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, and graphite. These may be used alone or in combination. As the water repellent, for example, fluorinated carbon or the like is used.

【0039】結着剤としては、各種樹脂が用いられる
が、撥水性を有する含フッ素樹脂が好ましい。そして、
含フッ素樹脂の中でも耐熱性、耐酸化性の優れたものが
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−パーフルオロアルキルビニル
エーテル共重合体、およびテトラフルオロエチレン−ヘ
キサフルオロプロピレン共重合体が挙げられる。
As the binder, various resins are used, and a fluorine-containing resin having water repellency is preferable. And
Among the fluororesins, those having excellent heat resistance and oxidation resistance are more preferable, for example, polytetrafluoroethylene,
Examples thereof include a tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer and a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer.

【0040】上記のような素材を用いて触媒層が接合し
たガス拡散電極を作製する方法としては、粉末状の導電
材に触媒となる金属粒子を担持させてから、バインダー
ポリマー、結着剤(必要に応じて別個に撥水剤も加え
る。)により所定の形状に固めても良いし、導電材と結
着剤と(必要に応じて別個の撥水剤と)により多孔質体
を形成してから、これに触媒となる金属粒子を担持させ
その後にバインダーポリマーを含浸しても良い。
As a method for producing a gas diffusion electrode having a catalyst layer bonded thereto using the above-mentioned materials, a metal particle serving as a catalyst is supported on a powdered conductive material, and then a binder polymer and a binder ( A water repellent may be separately added if necessary.), Or a porous body may be formed by using a conductive material and a binder (and a separate water repellent if necessary). After that, metal particles serving as a catalyst may be supported on this, followed by impregnation with a binder polymer.

【0041】市販のガス拡散電極としては、米国E−T
EK社ガス拡散電極があり、よく用いられている。これ
は、電極触媒として白金の微粒子をカーボン上に均一に
担持したものを、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(結
着剤)とともに混合した、ガス透過性と疎水性をあわせ
持つ電極である。イオン交換膜とガス拡散電極との接合
は、加圧、加温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、電解質として用いる
イオン交換膜のガラス転移温度以上であれば良く、一般
的には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、通常、5〜20
0kg/cm2 である。
As a commercially available gas diffusion electrode, US-E-T
There is an EK gas diffusion electrode, which is often used. This is an electrode having both gas permeability and hydrophobicity in which platinum fine particles are uniformly supported on carbon as an electrode catalyst and mixed with a polytetrafluoroethylene resin (binder). The bonding between the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode is performed using a device capable of applying pressure and heating. Generally, it is performed by, for example, a hot press machine, a roll press machine, or the like. The pressing temperature at that time may be any temperature as long as it is equal to or higher than the glass transition temperature of the ion exchange membrane used as the electrolyte, and is generally 120 ° C. to 250 ° C. The pressing pressure depends on the hardness of the gas diffusion electrode to be used, but is usually 5 to 20.
It is 0 kg / cm 2 .

【0042】なお、ホットプレス時に電極の厚さより薄
いスペーサーを入れると、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よく行われている。ま
た、水や溶媒等の共存下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、イオン交換膜内の含水率が増
加するため、出力性能が向上し、好ましい。イオン交換
膜とガス拡散電極との接合方法としては、上記のよう
に、ガス拡散電極の触媒層側の面にバインダーポリマー
の溶液を塗布してから、その面においてイオン交換膜と
接合する方法が好ましい。
Incidentally, it is common practice to insert a spacer thinner than the thickness of the electrode during hot pressing, since it is possible to prevent the number of holes in the gas diffusion electrode from being reduced. Further, it is preferable to perform hot pressing in a state where the ion exchange membrane is wet in the coexistence of water, a solvent, and the like, because the water content in the ion exchange membrane increases, and the output performance is improved. As a method for bonding the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode, as described above, a method in which a binder polymer solution is applied to the surface of the gas diffusion electrode on the catalyst layer side and then the surface is bonded to the ion exchange membrane. preferable.

【0043】燃料電池は、このようなイオン交換膜とガ
ス拡散電極からなる接合体を、一対の集電体と、ガス流
通溝を形成させた一対のグラファイト製ガスセパレータ
ーの間に挿入することにより組み立てられ、一方のガス
拡散電極に燃料である水素ガスを、他方のガス拡散電極
に酸素を含むガス(酸素あるいは空気)を供給すること
により作動する。
The fuel cell is obtained by inserting a joined body comprising such an ion exchange membrane and a gas diffusion electrode between a pair of current collectors and a pair of graphite gas separators having gas flow grooves formed therein. It is assembled and operates by supplying hydrogen gas as a fuel to one gas diffusion electrode and a gas (oxygen or air) containing oxygen to the other gas diffusion electrode.

【0044】燃料電池は、高い温度で作動させる方が、
電極の触媒活性が上がり電極過電圧が減少するため望ま
しいが、電解質となるイオン交換膜は水分がないと機能
しないため、水分管理が可能な温度で作動させる必要が
ある。燃料電池の作動温度の好ましい範囲は30〜15
0℃である。
Operating the fuel cell at a high temperature is as follows:
It is desirable because the catalytic activity of the electrode is increased and the electrode overvoltage is reduced. However, since the ion exchange membrane serving as the electrolyte does not function without moisture, it must be operated at a temperature at which moisture can be controlled. A preferable range of the operating temperature of the fuel cell is 30 to 15
0 ° C.

【0045】[0045]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。 ・当量重量の測定法:100mgのスルホン化ポリマー
をメタノール20mlに入れ、室温で攪拌した。この液
に60mlの1/100N NaOH水溶液を入れ室温
で1晩攪拌した。1/100N HCl水溶液を用いて
逆滴定を行い、スルホン化ポリマーの当量重量を求め
た。 ・耐水性の測定法:金属含有スルホン化ポリ(1,4−
ビフェニレンエーテルエーテルスルホン)100mgを
水4mlに入れ80℃で96時間保った後の不溶ポリマ
ーの重量を測定した。 ・プロトン伝導度:金属含有スルホン化ポリ(1,4−
ビフェニレンエーテルエーテルスルホン)5wt%DM
F溶液とし、30μmのキャストフィルムを作製した。
プロトン伝導度を30℃〜80℃の温度範囲で測定し
た。
Embodiments of the present invention will be described below in detail. Method for measuring equivalent weight: 100 mg of sulfonated polymer was placed in 20 ml of methanol and stirred at room temperature. 60 ml of a 1 / 100N NaOH aqueous solution was added to this solution and stirred at room temperature overnight. Back titration was performed using a 1 / 100N aqueous HCl solution to determine the equivalent weight of the sulfonated polymer. -Water resistance measurement method: metal-containing sulfonated poly (1,4-
Biphenylene ether ether sulfone (100 mg) was placed in 4 ml of water, kept at 80 ° C. for 96 hours, and the weight of the insoluble polymer was measured. -Proton conductivity: metal-containing sulfonated poly (1,4-
Biphenylene ether ether sulfone) 5 wt% DM
The solution F was used to prepare a 30 μm cast film.
Proton conductivity was measured in the temperature range from 30C to 80C.

【0046】[0046]

【実施例1】1,4−ビフェニレンエーテルエーテルス
ルホン[(-C6H4-4-SO2C6H4-4-OC6H4-4-C6H4-4-O-) n ]
(d1.29、Tg208℃)4.0g(アルドリッチ
社製)をクロロホルム100ml中60℃で溶解した。
この溶液にクロロスルホン酸1.165gを1,1,
2,2−テトラクロロエタン50mlに溶かした溶液を
10分間かけて加えた。反応液を60℃で4時間攪拌し
た。析出したポリマーを濾過し、クロロホルム150m
lで洗浄した。得られたポリマーにメタノール250m
lを加え60℃で溶解した。溶液を60℃で減圧にし乾
燥した。得られたポリマーを水250mlに懸濁させ、
不溶のポリマーを濾過した。水不溶性のポリマーを五酸
化燐上で減圧下、100℃で乾燥した。3.60gのポ
リマーが得られた。このポリマーは、水に不溶、メタノ
ールに可溶であった。1 HNMR及び 13CNMRの解析
からSO3 H基がエーテル基に挟まれたビフェニレン基
のフェニレン環に置換している構造であることを確認し
た。当量重量は、512g/eqであった。
Example 1 1,4-biphenylene ether ethers
Lehon [(-C6HFour-4-SOTwoC6HFour-4-OC6HFour-4-C6HFour-4-O-)n ]
(D1.29, Tg208 ° C) 4.0 g (Aldrich
Was dissolved at 60 ° C. in 100 ml of chloroform.
To this solution was added 1.165 g of chlorosulfonic acid in 1,1,
The solution dissolved in 50 ml of 2,2-tetrachloroethane
Added over 10 minutes. The reaction was stirred at 60 ° C. for 4 hours.
Was. The precipitated polymer was filtered and chloroform 150m
l. 250 m of methanol is added to the obtained polymer.
1 was added and dissolved at 60 ° C. Vacuum the solution at 60 ° C to dryness
Dried. The obtained polymer is suspended in 250 ml of water,
The insoluble polymer was filtered. Pentaacid for water-insoluble polymer
It was dried at 100 ° C. under reduced pressure on phosphorus chloride. 3.60g of po
A rimmer was obtained. This polymer is insoluble in water,
Was soluble in water.1HNMR and 13Analysis of CNMR
To SOThreeBiphenylene group in which H group is sandwiched between ether groups
Confirm that the structure is substituted on the phenylene ring of
Was. The equivalent weight was 512 g / eq.

【0047】電極としてE−TEK社製のガス拡散電極
(触媒担持量0.38mg/cm2、大きさ;2cm×
2cm)を2枚1組にして上記スルホン化ポリ(1,4
−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン)をメタノー
ルに溶解し、5wt%溶液としたものを筆で塗布して、
80℃で1時間乾燥させた。このとき、乾燥後において
触媒担持面に存在するスルフォン化ポリマーの重量が
0.6mg/cm2 の割合となるように、塗布した。こ
のガス拡散電極を旭化成工業(株)製のアシプレックス
−S(当量重量1000g/eq)のイオン交換膜の両
面に配し、その外側から、2cm×2cmの大きさの開
口を有し、厚さが0.2mmのポリテロラフルオロエチ
レン樹脂製ガスケット2枚で、それぞれのガス拡散電極
が各ガスケットの開口に収まるように両側から挟んだ。
また、ガス拡散電極のイオン交換膜とは反対側の面を東
レ・デュポン社製の厚さ0.05mmの「カプトン(登
録商標)」フィルムで覆い、プレスの際に膜中に含まれ
る水分が蒸発しないようにした。このような組み合せ体
をプレス装置に入れて、145℃、60kg/cm2
条件で90秒間プレスした後、プレス装置より取り出し
た。このようにして形成された膜−電極接合体を、一対
の集電体と、ガス流通溝を形成させた一対のグラファイ
ト製ガスセパレーターの間に挿入することにより、燃料
電池セルを組み立てた。
As an electrode, a gas diffusion electrode manufactured by E-TEK (catalyst carrying amount 0.38 mg / cm 2 , size: 2 cm ×
2 cm) as a set of two sheets, and the above sulfonated poly (1,4
-Biphenylene ether ether sulfone) was dissolved in methanol, and a 5 wt% solution was applied with a brush.
Dry at 80 ° C. for 1 hour. At this time, application was performed such that the weight of the sulfonated polymer present on the catalyst-supporting surface after drying was 0.6 mg / cm 2 . This gas diffusion electrode is arranged on both sides of an ion exchange membrane of Aciplex-S (equivalent weight: 1000 g / eq) manufactured by Asahi Kasei Corporation, and has an opening of 2 cm × 2 cm from the outside, and has a thickness of 2 cm × 2 cm. Two gaskets made of a polytellorafluoroethylene resin having a thickness of 0.2 mm were sandwiched from both sides so that each gas diffusion electrode fits into the opening of each gasket.
In addition, the surface of the gas diffusion electrode opposite to the ion exchange membrane is covered with a 0.05 mm thick “Kapton (registered trademark)” film manufactured by Dupont Toray Co., Ltd. Avoid evaporation. Such a combined product was placed in a press device, pressed at 145 ° C. and 60 kg / cm 2 for 90 seconds, and then taken out of the press device. The fuel cell was assembled by inserting the membrane-electrode assembly thus formed between a pair of current collectors and a pair of graphite gas separators in which gas flow grooves were formed.

【0048】この燃料電池を外部負荷に接続し、一方に
70℃の水蒸気に飽和された1atmの水素ガス、他方
に70℃の水蒸気で飽和された1atmの酸素ガスを、
それぞれガス取り入れ口から供給しながら、燃料電池本
体を70℃に保持し、外部の負荷を変えて電流密度の変
化により出力電圧の変化を測定した。その結果700m
A/cm2の電流密度での電池電圧は550mVであっ
た。本条件で500時間運転した後の電流密度700m
A/cm2での電池電圧は538mVであり電圧低下
は、2.2%であった。この燃料電池セルは1000時
間連続運転後も安定して運転することができた。
The fuel cell was connected to an external load, and on the one hand, 1 atm hydrogen gas saturated with 70 ° C. steam and 1 atm oxygen gas saturated with 70 ° C. steam on the other side.
The fuel cell body was maintained at 70 ° C. while supplying the gas from each gas inlet, and the change in output voltage was measured by changing the current density while changing the external load. As a result 700m
The battery voltage at a current density of A / cm 2 was 550 mV. 700m current density after 500 hours operation under these conditions
The battery voltage at A / cm 2 was 538 mV, and the voltage drop was 2.2%. This fuel cell was able to operate stably even after continuous operation for 1000 hours.

【0049】[0049]

【実施例2】1,4−フェニレンエーテルエーテルスル
ホン[(-C6H4-4-SO2-C6H4-4-OC6H4-4-O-)n ](Tg19
2℃)4.0g(アルドリッチ社製)とクロロスルホン
酸1.44gを用いて実施例1と同様の反応と後処理を
行った。4.08gの淡茶色のポリマーが得られた。こ
のポリマーは水に不溶でメタノールに可溶であった。
EXAMPLE 2 1,4-phenylene ether sulfone [(-C 6 H 4 -4- SO 2 -C 6 H 4 -4-OC 6 H 4 -4-O-) n] (Tg19
The same reaction and post-treatment as in Example 1 were carried out using 4.0 g (2 ° C.) (Aldrich) and 1.44 g of chlorosulfonic acid. 4.08 g of a light brown polymer was obtained. This polymer was insoluble in water and soluble in methanol.

【0050】1HNMR及び13CNMRの解析からSO
3 H基がエーテル基に挟まれたフェニレン環上に置換し
ている構造であることを確認した。当量重量は458g
/eqであった。この得られたスルホン化1,4−フェ
ニレンエーテルエーテルスルホンを用いた他は実施例1
と同様に行い、燃料電池セルを組み立てた。実施例1と
同様の条件で作動させた。その結果700mA/cm2
の電流密度での電池電圧は535mVであった。本条件
で500時間運転した後の電流密度700mA/cm2
での電池電圧は524mVであり電圧低下は、2.1%
であった。この燃料電池セルは1000時間連続運転後
も安定して運転することができた。
From the analysis of 1 HNMR and 13 CNMR, it was found that SO
It was confirmed that the structure was such that the 3 H group was substituted on the phenylene ring interposed between the ether groups. Equivalent weight is 458g
/ Eq. Example 1 except that the obtained sulfonated 1,4-phenylene ether ether sulfone was used.
The fuel cell was assembled in the same manner as described above. It was operated under the same conditions as in Example 1. As a result, 700 mA / cm 2
The battery voltage at the current density of was 535 mV. A current density of 700 mA / cm 2 after operating for 500 hours under these conditions
Battery voltage is 524 mV and the voltage drop is 2.1%
Met. This fuel cell was able to operate stably even after continuous operation for 1000 hours.

【0051】[0051]

【実施例3】実施例1においてクロロスルホン酸2.3
3gを用いた以外は同様に反応させた。析出したポリマ
ーを濾過し、クロロホルム150mlで洗浄した。得ら
れたポリマーにメタノール250mlを加え60℃で溶
解した。溶液を60℃で減圧にし乾燥した。このポリマ
ーをさらに五酸化燐上で減圧下、100℃で乾燥した。
5.57gのポリマーが得られた。このポリマーは、
水、メタノールに可溶であった。1 HNMR及び13CN
MRの解析からSO3 H基がエーテル基に挟まれたビフ
ェニレン基の各フェニレン環に1個置換している構造で
あることを確認した。当量重量は、273g/eqであ
った。
Example 3 In Example 1, 2.3 chlorosulfonic acid was used.
The same reaction was conducted except that 3 g was used. The precipitated polymer was filtered and washed with 150 ml of chloroform. 250 ml of methanol was added to the obtained polymer and dissolved at 60 ° C. The solution was dried at 60 ° C. under reduced pressure. The polymer was further dried at 100 ° C. under reduced pressure over phosphorus pentoxide.
5.57 g of polymer were obtained. This polymer is
It was soluble in water and methanol. 1 H NMR and 13 CN
From MR analysis, it was confirmed that the structure was such that one SO 3 H group was substituted on each phenylene ring of a biphenylene group sandwiched between ether groups. The equivalent weight was 273 g / eq.

【0052】得られたスルホン化ポリ(1,4−ビフェ
ニレンエーテルエーテルスルホン)1.0gをメタノー
ル20mlに溶解し、その溶液に酢酸マグネシウム4水
和物20mgを4mlのメタノールに溶解した溶液を添
加し、室温で一晩攪拌した。溶液からメタノールを減圧
溜去し、クロロホルム5mlで洗浄後乾燥して0.97
gのMg含有ポリマーを得た。このポリマーを減圧下1
00℃で4時間加熱処理した。耐水性試験の結果、不溶
ポリマー重量は78mg、プロトン伝導度は0.5×1
-1Scm-1〜1×10-1Scm-1であった。
1.0 g of the obtained sulfonated poly (1,4-biphenylene ether ether sulfone) was dissolved in 20 ml of methanol, and a solution of 20 mg of magnesium acetate tetrahydrate dissolved in 4 ml of methanol was added to the solution. And stirred at room temperature overnight. The methanol was distilled off from the solution under reduced pressure, washed with 5 ml of chloroform and dried to obtain 0.97
g of Mg-containing polymer were obtained. The polymer is removed under reduced pressure for 1
Heat treatment was performed at 00 ° C. for 4 hours. As a result of the water resistance test, the insoluble polymer weight was 78 mg, and the proton conductivity was 0.5 × 1.
It was from 0 −1 Scm −1 to 1 × 10 −1 Scm −1 .

【0053】上記で得たMg含有スルホン化ポリ(1,
4−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン)をDMF
溶液とし、50μmのキャストフィルムを得た。これを
イオン交換膜として用いた以外は、実施例1と同様にし
て膜−電極接合体を作製し、燃料電池セルを組み立て
た。実施例1と同様の条件で作動させた。その結果70
0mA/cm2の電流密度での電池電圧は540mVで
あった。本条件で500時間運転した後の電流密度70
0mA/cm2での電池電圧は527mVであり電圧低
下は、2.4%であった。この燃料電池セルは1000
時間連続運転後も安定して運転することができた。
The Mg-containing sulfonated poly (1,1) obtained above
4-biphenylene ether ether sulfone) in DMF
The resulting solution was used to obtain a 50 μm cast film. A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 except that this was used as an ion exchange membrane, and a fuel cell was assembled. It was operated under the same conditions as in Example 1. As a result 70
The battery voltage at a current density of 0 mA / cm 2 was 540 mV. Current density 70 after 500 hours of operation under these conditions
The battery voltage at 0 mA / cm 2 was 527 mV, and the voltage drop was 2.4%. This fuel cell is 1000
Even after continuous operation for a long time, stable operation was possible.

【0054】[0054]

【実施例4】実施例3の酢酸マグネシウム4水和物の量
を79mgとした以外は同じ操作を行った。耐水性試験
の結果、不溶ポリマー重量は96mg、プロトン伝導度
は0.3×10-1Scm-1〜0.9×10-1Scm-1
あった。該金属含有スルホン化ポリ(1,4−ビフェニ
レンエーテルエーテルスルホン)を用いた以外は、実施
例3と同様にして膜−電極接合体を作製し、燃料電池セ
ルを組み立てた。測定結果は、700mA/cm2の電
流密度での電池電圧は530mVであった。本条件で5
00時間運転した後の電流密度700mA/cm2での
電池電圧は522mVであり電圧低下は、1.6%であ
った。この燃料電池セルは1000時間連続運転後も安
定して運転することができた。
Example 4 The same operation as in Example 3 was carried out except that the amount of magnesium acetate tetrahydrate was changed to 79 mg. Results of the water resistance test, insoluble polymer weight 96 mg, proton conductivity was 0.3 × 10 -1 Scm -1 ~0.9 × 10 -1 Scm -1. A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 3 except that the metal-containing sulfonated poly (1,4-biphenylene ether ether sulfone) was used, and a fuel cell was assembled. As a result of the measurement, the battery voltage at a current density of 700 mA / cm 2 was 530 mV. 5 under these conditions
After operating for 00 hours, the battery voltage at a current density of 700 mA / cm 2 was 522 mV, and the voltage drop was 1.6%. This fuel cell was able to operate stably even after continuous operation for 1000 hours.

【0055】[0055]

【実施例5】実施例3の酢酸マグネシウム4水和物の量
を196mgとした以外は同じ操作を行った。耐水性試
験の結果、不溶ポリマー重量は98mg、プロトン伝導
度は0.1×10-1Scm-1〜0.5×10-1Scm-1
であった。該金属含有スルホン化ポリ(1,4−ビフェ
ニレンエーテルエーテルスルホン)を用いた以外は、実
施例3と同様にして膜−電極接合体を作製し、燃料電池
セルを組み立てた。測定結果は、700mA/cm2
電流密度での電池電圧は524mVであった。本条件で
500時間運転した後の電流密度700mA/cm2
の電池電圧は518mVであり電圧低下は、1.1%で
あった。この燃料電池セルは1000時間連続運転後も
安定して運転することができた。
Example 5 The same operation as in Example 3 was carried out except that the amount of magnesium acetate tetrahydrate was changed to 196 mg. As a result of the water resistance test, the weight of the insoluble polymer was 98 mg, and the proton conductivity was 0.1 × 10 −1 Scm −1 to 0.5 × 10 −1 Scm −1.
Met. A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 3 except that the metal-containing sulfonated poly (1,4-biphenylene ether ether sulfone) was used, and a fuel cell was assembled. As a result of the measurement, the battery voltage at a current density of 700 mA / cm 2 was 524 mV. After operating under these conditions for 500 hours, the battery voltage at a current density of 700 mA / cm 2 was 518 mV, and the voltage drop was 1.1%. This fuel cell was able to operate stably even after continuous operation for 1000 hours.

【0056】[0056]

【実施例6】実施例3の酢酸マグネシウム4水和物にか
えてアルミニウムトリイソプロポキシド50mgを用い
た以外は同じ操作を行った。耐水性試験の結果、不溶ポ
リマー重量は98mg、プロトン伝導度は0.3×10
-1Scm-1〜0.9×10-1Scm-1であった。該金属
含有スルホン化ポリ(1,4−ビフェニレンエーテルエ
ーテルスルホン)を用いた以外は、実施例3と同様にし
て膜−電極接合体を作製し、燃料電池セルを組み立て
た。測定結果は、700mA/cm2の電流密度での電
池電圧は532mVであった。本条件で500時間運転
した後の電流密度700mA/cm2での電池電圧は5
24mVであり電圧低下は、1.5%であった。この燃
料電池セルは1000時間連続運転後も安定して運転す
ることができた。
Example 6 The same operation was carried out except that 50 mg of aluminum triisopropoxide was used instead of magnesium acetate tetrahydrate of Example 3. As a result of the water resistance test, the insoluble polymer weight was 98 mg, and the proton conductivity was 0.3 × 10
It was -1 Scm -1 ~0.9 × 10 -1 Scm -1. A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 3 except that the metal-containing sulfonated poly (1,4-biphenylene ether ether sulfone) was used, and a fuel cell was assembled. As a result of the measurement, the battery voltage at a current density of 700 mA / cm 2 was 532 mV. After 500 hours of operation under these conditions, the battery voltage at a current density of 700 mA / cm 2 was 5
It was 24 mV and the voltage drop was 1.5%. This fuel cell was able to operate stably even after continuous operation for 1000 hours.

【0057】[0057]

【実施例7】実施例3の酢酸マグネシウム4水和物にか
えて酢酸ランタン水和物300mgを用いた以外は同じ
操作を行った。0.98gのLa含有ポリマーを得た。
このポリマーを減圧下150℃で4時間加熱処理した。
不溶ポリマー重量は99mg、プロトン伝導度は0.4
×10-1Scm-1〜1×10-1Scm-1であった。該金
属含有スルホン化ポリ(1,4−ビフェニレンエーテル
エーテルスルホン)を用いた以外は、実施例3と同様に
して膜−電極接合体を作製し、燃料電池セルを組み立て
た。測定結果は、700mA/cm2の電流密度での電
池電圧は540mVであった。本条件で500時間運転
した後の電流密度700mA/cm2での電池電圧は5
35mVであり電圧低下は、0.9%であった。この燃
料電池セルは1000時間連続運転後も安定して運転す
ることができた。
Example 7 The same operation was carried out except that 300 mg of lanthanum acetate hydrate was used instead of magnesium acetate tetrahydrate of Example 3. 0.98 g of the La-containing polymer was obtained.
This polymer was heated at 150 ° C. for 4 hours under reduced pressure.
Insoluble polymer weight 99mg, proton conductivity 0.4
× 10 −1 Scm −1 to 1 × 10 −1 Scm −1 . A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 3 except that the metal-containing sulfonated poly (1,4-biphenylene ether ether sulfone) was used, and a fuel cell was assembled. As a result of the measurement, the battery voltage at a current density of 700 mA / cm 2 was 540 mV. After 500 hours of operation under these conditions, the battery voltage at a current density of 700 mA / cm 2 was 5
It was 35 mV and the voltage drop was 0.9%. This fuel cell was able to operate stably even after continuous operation for 1000 hours.

【0058】[0058]

【実施例8】実施例3の酢酸マグネシウム4水和物にか
えてチタンイソプロポキシド65mgを用いた以外は同
じ操作を行った。不溶ポリマー重量は99mg、プロト
ン伝導度は0.4×10-1Scm-1〜1×10-1Scm
-1であった。該金属含有スルホン化ポリ(1,4−ビフ
ェニレンエーテルエーテルスルホン)を用いた以外は、
実施例3と同様にして膜−電極接合体を作製し、燃料電
池セルを組み立てた。測定結果は、700mA/cm2
の電流密度での電池電圧は531mVであった。本条件
で500時間運転した後の電流密度700mA/cm2
での電池電圧は520mVであり電圧低下は、2.1%
であった。この燃料電池セルは1000時間連続運転後
も安定して運転することができた。
Example 8 The same operation was performed except that 65 mg of titanium isopropoxide was used instead of magnesium acetate tetrahydrate of Example 3. The insoluble polymer weight is 99 mg, and the proton conductivity is 0.4 × 10 −1 Scm −1 to 1 × 10 −1 Scm.
It was -1 . Except for using the metal-containing sulfonated poly (1,4-biphenylene ether ether sulfone),
A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 3, and a fuel cell was assembled. The measurement result was 700 mA / cm 2
At a current density of 531 mV. A current density of 700 mA / cm 2 after operating for 500 hours under these conditions
Battery voltage is 520 mV and the voltage drop is 2.1%
Met. This fuel cell was able to operate stably even after continuous operation for 1000 hours.

【0059】[0059]

【比較例1】ポリエーテルスルホン[(-C6H4-4-SO2C6H4-
4-O)n ] (d1.37)5.00g(アルドリッチ社
製)を50mlの塩化メチレンに溶解した。この溶液を
1昼夜室温で攪拌した。4時間後にポリマーの結晶化が
始まった。この懸濁液を攪拌しながら0℃〜5℃に冷却
した。この懸濁液を激しく攪拌しながら10wt%SO
3の塩化メチレン溶液1.77gを30分かけて添加し
た。反応液をさらに2時間攪拌した。上層の塩化メチレ
ン層をデカンテーションにより除去した。析出したポリ
マーを濾過し、塩化メチレンで洗浄し、さらに水により
洗浄した。残ったポリマーを五酸化燐上で減圧下100
℃で乾燥した。5.21gのポリマーが得られた。この
ポリマーは水に不溶、メタノールに可溶であった。当量
重量は、354g/eqであった。このスルホン化ポリ
エーテルスルホンを実施例1のスルホン化ポリ(1,4
−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン)の代わりに
用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を
作製し、燃料電池セルを組み立てた。
Comparative Example 1 Polyethersulfone [(-C6HFour-4-SOTwoC6HFour-
4-O)n] (D1.37) 5.00 g (Aldrich
Was dissolved in 50 ml of methylene chloride. This solution
The mixture was stirred at room temperature for one day. After 4 hours polymer crystallization
Started. Cool the suspension to 0-5 ° C with stirring
did. This suspension was stirred vigorously while 10 wt% SO
ThreeWas added over 30 minutes.
Was. The reaction was stirred for another 2 hours. Top layer methyle chloride
The layer was removed by decantation. Precipitated poly
The product is filtered, washed with methylene chloride, and
Washed. The remaining polymer is reduced under reduced pressure over phosphorus pentoxide to 100
Dried at ° C. 5.21 g of polymer were obtained. this
The polymer was insoluble in water and soluble in methanol. Equivalent
The weight was 354 g / eq. This sulfonated poly
The ether sulfone was replaced with the sulfonated poly (1,4
-Biphenylene ether ether sulfone)
Except for using, a membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1.
The fuel cell was fabricated and assembled.

【0060】この燃料電池を外部負荷に接続し、一方に
70℃の水蒸気に飽和された1atmの水素ガス、他方
に70℃の水蒸気で飽和された1atmの酸素ガスを、
それぞれガス取り入れ口から供給しながら、燃料電池本
体を70℃に保持し、外部の負荷を変えて電流密度の変
化により出力電圧の変化を測定した。その結果700m
A/cm2の電流密度での電池電圧は560mVであっ
た。本条件で500時間運転した後の電流密度700m
A/cm2での電池電圧は500mVであり電圧低下
は、11%であった。
This fuel cell was connected to an external load, and on the one hand, 1 atm hydrogen gas saturated with 70 ° C. steam and 1 atm oxygen gas saturated with 70 ° C. steam on the other side.
The fuel cell body was maintained at 70 ° C. while supplying the gas from each gas inlet, and the change in output voltage was measured by changing the current density while changing the external load. As a result 700m
The battery voltage at a current density of A / cm 2 was 560 mV. 700m current density after 500 hours operation under these conditions
The battery voltage at A / cm 2 was 500 mV, and the voltage drop was 11%.

【0061】実施例と比較例1から本発明の膜−電極接
合体が長時間安定であることが判る。また、実施例3〜
8により金属を含有させることにより、耐水性が大幅に
向上することが明らかであり、プロトン伝導度の結果か
らも固体高分子燃料電池のイオン交換膜として使用でき
ることは明らかである。
The Examples and Comparative Example 1 show that the membrane-electrode assembly of the present invention is stable for a long time. Examples 3 to
It is evident that the inclusion of a metal according to No. 8 significantly improves the water resistance, and from the results of the proton conductivity, it is clear that it can be used as an ion exchange membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

【0062】[0062]

【発明の効果】本発明の膜−電極接合体を用いることに
より、長期安定運転で代表される耐久性が良く、プロト
ン伝導度も良く、廃棄フッ素の発生量が少ない燃料電池
セルを組み立てることができる。
By using the membrane-electrode assembly of the present invention, it is possible to assemble a fuel cell having good durability represented by long-term stable operation, good proton conductivity and low generation of waste fluorine. it can.

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

【図1】固体高分子燃料電池に用いる膜−電極接合体の
模式図である。
FIG. 1 is a schematic view of a membrane-electrode assembly used for a polymer electrolyte fuel cell.

【図2】図1におけるA部分の拡大模式図である。FIG. 2 is an enlarged schematic view of a portion A in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 イオン交換膜 2 ガス拡散電極(水素極) 3 ガス拡散電極(酸素極) 4 触媒(白金担持カーボン) 5 バインダーポリマー DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion exchange membrane 2 Gas diffusion electrode (hydrogen electrode) 3 Gas diffusion electrode (oxygen electrode) 4 Catalyst (platinum-supporting carbon) 5 Binder polymer

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 イオン交換膜と該イオン交換膜に接合さ
れた触媒層及びガス拡散電極とで構成される固体高分子
燃料電池用膜−電極接合体において、上記イオン交換膜
及び/又は上記触媒層が化学式(1)で表されるスルホ
ン化ポリアリールエーテルスルホンを有することを特徴
とする固体高分子燃料電池用膜−電極接合体。 【化1】 (aは1〜4の整数である。pは1〜5の整数である。
nは2〜1000の整数である。XはHまたは1価から
4価の金属を表す。Arは芳香族残基を表す。)
1. A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising an ion exchange membrane, a catalyst layer joined to the ion exchange membrane and a gas diffusion electrode, wherein the ion exchange membrane and / or the catalyst A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the layer has a sulfonated polyaryl ether sulfone represented by the chemical formula (1). Embedded image (A is an integer of 1 to 4. p is an integer of 1 to 5.
n is an integer of 2 to 1000. X represents H or a monovalent to tetravalent metal. Ar represents an aromatic residue. )
【請求項2】 触媒層が、スルホン化ポリアリールエー
テルスルホンで被覆された触媒により構成されることを
特徴とする請求項1の固体高分子燃料電池用膜−電極接
合体。
2. The membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer is constituted by a catalyst coated with a sulfonated polyaryl ether sulfone.
【請求項3】 イオン交換膜が、スルホン酸基を有する
含フッ素ポリマーである請求項1又は2の固体高分子燃
料電池用膜−電極接合体。
3. The membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ion exchange membrane is a fluoropolymer having a sulfonic acid group.
【請求項4】 スルホン化ポリアリールエーテルスルホ
ンが当量重量150〜2000g/eqのスルホン化ポ
リアリールエーテルスルホンである請求項1、2又は3
の固体高分子燃料電池用膜−電極接合体。
4. The sulfonated polyaryl ether sulfone according to claim 1, 2 or 3, wherein the sulfonated polyaryl ether sulfone has an equivalent weight of 150 to 2000 g / eq.
Membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.
【請求項5】 化学式(1)で表されるスルホン化ポリ
アリールエーテルスルホンのXのうち1%〜95%が1
価から4価の金属である請求項1、2、3又は4の固体
高分子燃料電池用膜−電極接合体。
5. X of the sulfonated polyaryl ether sulfone represented by the chemical formula (1) is 1% to 95% of 1
5. The membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, which is a metal having a valence of 4 to 4.
【請求項6】 スルホン化ポリアリールエーテルスルホ
ンが化学式(2)で表される構造である請求項1、2、
3、4又は5の膜−電極接合体。 【化2】 (c、dは各々0〜4の整数であり、かつc,dともに
0になることはない。nは2〜1000の整数である。
XはHまたは1価から4価の金属を表す。)
6. The sulfonated polyaryl ether sulfone according to claim 1, wherein the sulfonated polyaryl ether sulfone has a structure represented by the chemical formula (2).
3, 4 or 5 membrane-electrode assemblies. Embedded image (C and d are each an integer of 0 to 4 and neither c nor d is 0. n is an integer of 2 to 1000.
X represents H or a monovalent to tetravalent metal. )
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