JP5031340B2 - Membrane-electrode assembly - Google Patents
Membrane-electrode assembly Download PDFInfo
- Publication number
- JP5031340B2 JP5031340B2 JP2006323990A JP2006323990A JP5031340B2 JP 5031340 B2 JP5031340 B2 JP 5031340B2 JP 2006323990 A JP2006323990 A JP 2006323990A JP 2006323990 A JP2006323990 A JP 2006323990A JP 5031340 B2 JP5031340 B2 JP 5031340B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- group
- membrane
- integer
- ion conductive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池などに用いられる、電極−固体高分子膜接合体に関するものである。 The present invention relates to an electrode-solid polymer membrane assembly used in a polymer electrolyte fuel cell or the like.
燃料電池は、発電を担う反応の起こるアノードおよびカソード電極と、アノードおよびカソード電極間のイオン伝導体となる電解質とがセパレータで挟まれたセルをユニットとして構成されている。 A fuel cell is configured as a unit of a cell in which an anode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs and an electrolyte serving as an ion conductor between the anode and the cathode electrode are sandwiched between separators.
上記電極は、実際に電気化学反応場となり、さらに表面には、通常、ガス拡散の促進および集電を行う電極基材が接合されている。たとえば、固体高分子型燃料電池のアノード電極では、電極表面で燃料ガスが反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは電解質のプロトン交換膜へと伝導する。一方、カソード電極では、電極表面で酸化ガスと、電解質から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。 The electrode actually becomes an electrochemical reaction field, and an electrode base material for promoting gas diffusion and collecting current is usually joined to the surface. For example, in an anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, fuel gas reacts on the electrode surface to generate protons and electrons, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons are conducted to the proton exchange membrane of the electrolyte. On the other hand, in the cathode electrode, the oxidizing gas, protons conducted from the electrolyte, and electrons conducted from the electrode substrate react to generate water on the electrode surface.
したがって、アノード電極には、電子電導性およびプロトン電導性が良好なことが要求され、カソード電極には、電子電導性およびプロトン電導性が良好であるとともに、生成した水を効率よく排出することも要求されている。電子伝導性およびプロトン伝導性を良好にするためには電極中のカーボン間および電解質が連続につながった構造が必要となる。 Therefore, the anode electrode is required to have good electron conductivity and proton conductivity, and the cathode electrode has good electron conductivity and proton conductivity, and the generated water can be efficiently discharged. It is requested. In order to improve the electron conductivity and proton conductivity, a structure in which the carbon in the electrode and the electrolyte are continuously connected is necessary.
電極ペーストを基材に塗布して形成される従来の電極においては、電極ペーストの粘度、組成、組成種、基材種などに依存して、電極の厚み方向に組成分布ができることがある。具体的には、電極基材側の電極が緻密になる傾向にある。このため、電極での反応に分布が生じてしまうが、従来の電極は、このような現象を考慮していないために、反応効率に影響を及ぼすガス拡散性または水の排出、および電子伝導性またはプロトン伝導性との両立が充分とはいえなかった。 In a conventional electrode formed by applying an electrode paste to a substrate, a composition distribution may be formed in the thickness direction of the electrode depending on the viscosity, composition, composition type, substrate type and the like of the electrode paste. Specifically, the electrode on the electrode substrate side tends to be dense. For this reason, distribution occurs in the reaction at the electrode, but the conventional electrode does not consider such a phenomenon, so gas diffusivity or water discharge that affects the reaction efficiency, and electron conductivity Or it could not be said that the compatibility with proton conductivity was sufficient.
また、電極中の電解質分布・細孔容積を制御した例として、特開2001−319663公報(特許文献1)、WO01/022514(特許文献2)では、電極の厚さ方向の電
解質量を、ガス拡散層側を小、プロトン交換膜側を大に制御することで、ガス拡散層側電極のガス拡散性が良好となり、発電性能が向上すると記載されている。しかし、電解質量の傾斜範囲が記載されておらず、かつ、電極中の電解質量の分布を実際に確認した記載がないため、電解質量の傾斜による効果が不明確である。さらに、プロトン交換膜側の電極中の電解質量を大きくしすぎると、細孔容積が小さくなるため、プロトン交換膜側の電極層でガス拡散性・排水性不足、電子伝導経路の切断がおこる可能性がある、一方、ガス拡散層側の電極中の電解質量を小にすると、ガス拡散層側の電極触媒層でプロトン交換膜からガス拡散層までのプロトン伝導経路の連続性が不十分となる可能性がある。したがって、従来技術では、触媒層中の電解質分布や細孔容積分布を十分に制御できていないために、発電性能・発電耐久性が十分ではなかった。
本発明の課題は、上記のような従来技術における課題を背景としてなされたものであっ
て、発電性能及び発電耐久性が向上した電極を有する膜−電極接合体を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly having an electrode with improved power generation performance and power generation durability.
本発明者らは、発電性能及び発電耐久性を向上させる方法について鋭意検討したところ、膜−電極接合体における電極中の厚み方向での細孔容積、及び高分子電解質の分布状態が発電性能及び発電耐久性に大きく影響を与える要因の一つであることを見出し、それぞれの厚み方向での分布状態の範囲を規定し、電極の厚み方向で均質になるよう近づけること、さらには必要に応じて高分子電解質として耐熱性の高いスルホン酸基を有するポリアリーレンを用いることで高温度領域でも発電性能、及び発電耐久性がさらに向上することを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors diligently studied the method for improving the power generation performance and the power generation durability. As a result, the pore volume in the thickness direction in the electrode and the distribution state of the polymer electrolyte in the membrane-electrode assembly are the power generation performance and We found that this is one of the factors that have a large impact on power generation durability, specified the range of the distribution state in each thickness direction, and made it closer to be uniform in the thickness direction of the electrode, and if necessary By using polyarylene having a sulfonic acid group having high heat resistance as the polymer electrolyte, it was found that the power generation performance and the power generation durability were further improved even in a high temperature region, and the present invention was completed.
本発明によれば下記[1]〜[8]の膜−電極接合体およびその製造方法が提供されて、本発明の目的が達成される。
[1]イオン伝導膜と、該イオン伝導膜の両面に、それぞれ触媒粒子及び高分子電解質とを
含むアノード電極とカソード電極とを有する膜−電極接合体であって、
アノード電極、カソード電極の少なくも一方において、電極表面からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の細孔容積(V1)に対して、イオン伝導膜側から電極表面への厚み方向から厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の細孔容積(V2)の比率(V2/V1)が、85%以上100%未満であることを特徴とする膜
−電極接合体。
[2]上記電極は、電極表面からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分ま
での電極中の高分子電解質/触媒粒子の重量(W1)に対して、イオン伝導膜側から厚み方向
に、全電極重量の50%分までの電極中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(W2)の比率
(W2/W1)が、100%より大きく130%以下であることを特徴とする[1]の膜−電極接合体。
[3]アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方が電極は複数の層で形成されてな
ることを特徴とする[1]または[2]の膜−電極接合体。
[4]上記イオン伝導膜、アノード電極、カソード電極の少なくも一方に用いられる高分子
電解質が、イオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)とイオン伝導成分を有さないポリマーセグメント(B)が共有結合しているブロック共重合体であることを特徴とする[1]〜[3]の膜−電極接合体。
[5]上記イオン伝導膜、アノード電極、カソード電極の少なくとも一方に用いられる高分
子電解質を形成する主鎖骨格が芳香環を結合基で共有結合させた構造を有することを特徴とする[1]〜[4]の膜−電極接合体。
[6]上記イオン伝導膜、アノード電極、カソード電極の少なくとも一方に用いられる高分
子電解質が下記一般式(1)で表される構造を含むスルホン酸基含有ポリアリーレンであることを特徴とする[1]〜[5]の膜−電極接合体。
According to the present invention, the following membrane-electrode assemblies [1] to [8] and a method for producing the same are provided, and the object of the present invention is achieved.
[1] A membrane-electrode assembly having an ion conductive membrane and an anode electrode and a cathode electrode each containing catalyst particles and a polymer electrolyte on both sides of the ion conductive membrane,
At least one of the anode electrode and the cathode electrode, in the thickness direction from the electrode surface to the ion conductive membrane side, with respect to the pore volume (V1) in the electrode up to 50% of the total electrode weight, the ion conductive membrane side The ratio (V2 / V1) of pore volume (V2) in the electrode up to 50% of the total electrode weight from the thickness direction to the electrode surface from the thickness direction to the thickness direction (V2 / V1) is 85% or more and less than 100% A membrane-electrode assembly.
[2] The above electrode is an ion conductive membrane with respect to the weight (W1) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction from the electrode surface to the ion conductive membrane side. The ratio (W2 / W1) of the weight ratio (W2 / W1) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode up to 50% of the total electrode weight from the side to the thickness direction is greater than 100% and not more than 130%. The membrane-electrode assembly according to [1], which is characterized.
[3] The membrane-electrode assembly according to [1] or [2], wherein at least one of the anode electrode and the cathode electrode is formed of a plurality of layers.
[4] The polymer electrolyte used in at least one of the ion conductive membrane, anode electrode and cathode electrode shares a polymer segment (A) having an ion conductive component and a polymer segment (B) having no ion conductive component. The membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [3], wherein the membrane-electrode assembly is a bonded block copolymer.
[5] The main chain skeleton forming the polymer electrolyte used for at least one of the ion conductive membrane, the anode electrode, and the cathode electrode has a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a linking group [1] The membrane-electrode assembly of [4].
[6] The polymer electrolyte used for at least one of the ion conductive membrane, the anode electrode, and the cathode electrode is a sulfonic acid group-containing polyarylene having a structure represented by the following general formula (1): The membrane-electrode assembly according to 1] to [5].
[式(1)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−
(CF2)i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF3)2−を示し、Zは、独立に直接結合、−(CH2)j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH3)2−、−O−または−S−を示し、Arは、−SO3H、−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3H(pは1〜12の整数を示す。)で表される置換基を有する芳香族基を示し
、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
[In the formula (1), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, —
(CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10) or —C (CF 3 ) 2 —, Z is independently a direct bond, — (CH 2 ) j — (j is 1 to Represents an integer of 10.), —C (CH 3 ) 2 —, —O— or —S—, and Ar represents —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2) p SO 3 H (p represents an aromatic group having a substituent represented by indicating.) an integer of 1 to 12, m represents an integer of 0, n is an integer of 0 K represents an integer of 1 to 4.
AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−CON
H−、−COO−、−(CF2)i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2)j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水
素基またはハロゲン化炭化水素基を示す。)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−または−S−を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16
は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部がハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基またはニトリル基を示し、sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。
A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CON
H—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —CR ′. 2- (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O— or —S—, and B is independently An oxygen atom or a sulfur atom, and R 1 to R 16
Each independently represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group partially or wholly halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group or a nitrile group, and s and t are each 0 to 4 represents an integer, and r represents 0 or an integer of 1 or more.
Zは直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l
−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、R20は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。x、y、zは、x+y+z=100mol%とした場合のモル比を示す。][7]アノード電極、カソード電極の少なくとも一方に、撥水剤として、
(A)ポリフルオロアルキル基を含有する(メタ)アクリレート由来の構造単位を有する含フッ素共重合体、および/または
(B)フッ素含有オレフィン系単量体由来の下記一般式(2)で表される構造単位と、ビニルエーテル系単量体由来の下記一般式(3)で表される構造単位とを有する含フッ素共重合体を:
Z represents a direct bond or at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—, and Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO. -,-(CF 2 ) l
-(L is an integer of 1 to 10), at least one structure selected from the group consisting of -C (CF 3 ) 2- , and R 20 represents a nitrogen-containing heterocyclic group. q represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 4. x, y, z represents a molar ratio when x + y + z = 100 mol%. ] [7] At least one of the anode electrode and the cathode electrode as a water repellent,
(A) a fluorine-containing copolymer having a structural unit derived from (meth) acrylate containing a polyfluoroalkyl group, and / or (B) represented by the following general formula (2) derived from a fluorine-containing olefin monomer. And a fluorine-containing copolymer having a structural unit represented by the following general formula (3) derived from a vinyl ether monomer:
[式(2)中、X1はフッ素原子、フルオロアルキル基または−OW1で表される基(W1
はアルキル基またはフルオロアルキル基を示す。)を示す。]
[In Formula (2), X 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OW 1 (W 1
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group. ). ]
[式(3)中、X2は水素原子またはメチル基を示し、X3は−(CH2)hOW2で表され
る基(W2はアルキル基、ヒドロキシアルキル基、グリシジル基またはフルオロアルキル
基を示し、hは0〜2の整数を示す。)、−OCOW3で表される基(W3はアルキル基、ヒドロキシアルキル基またはグリシジル基を示す。)、カルボキシル基またはアルコキシカルボニル基を示す。]
を含むことを特徴とする[1]〜[6]の膜−電極接合体。
[8]アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方が電極は複数の層から形成され、
複数の層から形成される電極が、前記(V2/V1)が85%以上100%未満であること[1]〜[7]の膜−電極接合体。
[9]イオン伝導膜上に、高分子電解質と触媒粒子を含む電極ペーストを少なくとも2回以上塗布する膜-電極接合体の製造方法であって、1層目に使用する電極ペースト中の高分子
電解質/触媒粒子の重量比(P2)に対して、2層目以上に使用する電極ペースト中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(P1)の比率(P1/P2)が110%以上、400%以下で
あることを使用することを特徴とする膜-電極接合体の製造方法。
[In the formula (3), X 2 represents a hydrogen atom or a methyl group, and X 3 represents a group represented by — (CH 2 ) h OW 2 (W 2 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group, a glycidyl group or a fluoroalkyl group. H represents an integer of 0 to 2), a group represented by -OCOW 3 (W 3 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group or a glycidyl group), a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group. . ]
The membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [6], comprising:
[8] At least one of the anode electrode and the cathode electrode is formed of a plurality of layers,
The electrode formed from a plurality of layers, wherein (V2 / V1) is 85% or more and less than 100% [1] to [7].
[9] A method for producing a membrane-electrode assembly in which an electrode paste containing a polymer electrolyte and catalyst particles is applied at least twice on an ion conductive membrane, the polymer in the electrode paste used for the first layer The ratio (P1 / P2) of the weight ratio (P1 / P2) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode paste used in the second layer or more to the weight ratio (P2) of the electrolyte / catalyst particles is 110% or more, 400 % Or less, a method for producing a membrane-electrode assembly.
本発明の膜−電極接合体は、電極中の厚み方向での細孔容積、及び高分子電解質の分布状態を、厚み方向で均質になるよう近づけることにより、高温度領域でも発電性能、及び発電耐久性がさらに向上することができる。したがって、本発明の膜−電極接合体を用いれば、優れた発電特性を発揮する燃料電池が得られる。 The membrane-electrode assembly of the present invention has a power generation performance and power generation even in a high temperature region by bringing the pore volume in the thickness direction in the electrode and the distribution state of the polymer electrolyte closer to be uniform in the thickness direction. Durability can be further improved. Therefore, if the membrane-electrode assembly of the present invention is used, a fuel cell exhibiting excellent power generation characteristics can be obtained.
以下、本発明についてより詳細に説明する。
[I.膜-電極接合体]
(1)膜-電極接合体の構成
本発明の膜−電極接合体は、イオン伝導膜と、該イオン伝導膜の両面に備え、それぞれ触媒粒子及び高分子電解質とを含むアノード電極とカソード電極とを有する膜−電極接合体である、この膜-電極接合体では、アノード電極、カソード電極の少なくとも一方にお
いて、厚み方向での細孔容積が均質であることを特徴とする。これらの電極は、電気化学反応場となり、さらに表面には、通常、ガス拡散の促進および集電を行う電極基材が接合される。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[I. Membrane-electrode assembly]
(1) Configuration of Membrane-Electrode Assembly The membrane-electrode assembly of the present invention comprises an ion conductive membrane, and an anode electrode and a cathode electrode that are provided on both sides of the ion conductive membrane and each include catalyst particles and a polymer electrolyte. In this membrane-electrode assembly, the pore volume in the thickness direction is uniform in at least one of the anode electrode and the cathode electrode. These electrodes serve as an electrochemical reaction field, and an electrode base material that promotes gas diffusion and collects current is usually bonded to the surface.
具体的には、図1に示されるように、アノード電極、カソード電極の少なくも一方において、電極表面(電極基材との接合面)からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の細孔容積(V1)に対して、イオン伝導膜側から電極表面への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の細孔容積(V2)の比率(V2/V1)が8
5%以上100%未満であることを特徴とする。
Specifically, as shown in FIG. 1, in at least one of the anode electrode and the cathode electrode, the total electrode weight is measured in the thickness direction from the electrode surface (bonding surface with the electrode base material) to the ion conductive membrane side. The pore volume (V2) in the electrode up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction from the ion conductive membrane side to the electrode surface with respect to the pore volume (V1) in the electrode up to 50%. Ratio (V2 / V1) is 8
It is characterized by being 5% or more and less than 100%.
より好ましくは上記比率(V2/V1)が90%〜99%である。上記比率内であると、
電極の厚み方向における細孔容積の局所的な分布によるガス拡散性、排水性、プロトン伝導性、電子伝導性の両立不足が解消され、電極の厚み方向全体に渡って効率良く反応が進行するため、十分な発電性能、及び発電耐久性を得ることができる。
More preferably, the ratio (V2 / V1) is 90% to 99%. Within the above ratio,
Insufficiency of gas diffusivity, drainage, proton conductivity, and electron conductivity due to local distribution of pore volume in the thickness direction of the electrode is eliminated, and the reaction proceeds efficiently throughout the thickness direction of the electrode. Sufficient power generation performance and power generation durability can be obtained.
電極の細孔容積は、水銀圧入法により測定できる。細孔容積(V1)、細孔容積(V2)はともに、0.05〜2.0ml/g-(電極)の範囲にあることが好ましい。
細孔容積が上記範囲を超えて大きすぎると、機械的特性が低下する傾向にある。また、電子伝導及びプロトン伝導経路が切断され、発電性能が低下する恐れがある。一方、上記範囲未満で小さいとガスの拡散性や水の排出性が悪く、発電性能が低下することがある。電極中の細孔容積は、後述する電極ペーストの調製条件、具体的には、攪拌方法、ビーズ攪拌の場合はビーズ径やビーズ量、攪拌時間、高分子電解質の量、炭素繊維の量などによって、変化する。一般的に、高分子電解質の量が多いと細孔容積は小さくなり、一方、少なくなると細孔容積が大きくなる。
The pore volume of the electrode can be measured by mercury porosimetry. Both the pore volume (V1) and the pore volume (V2) are preferably in the range of 0.05 to 2.0 ml / g- (electrode).
If the pore volume exceeds the above range and is too large, the mechanical properties tend to deteriorate. In addition, the electron conduction and proton conduction paths are cut, and the power generation performance may be reduced. On the other hand, if it is less than the above range, gas diffusibility and water discharge properties are poor, and power generation performance may be reduced. The pore volume in the electrode depends on the electrode paste preparation conditions described later, specifically, the stirring method, in the case of bead stirring, the bead diameter and the amount of beads, the stirring time, the amount of polymer electrolyte, the amount of carbon fiber, etc. ,Change. In general, the larger the amount of the polymer electrolyte, the smaller the pore volume, while the smaller the amount, the larger the pore volume.
V1は、0.08〜2.0ml/g-(電極)の範囲にあることが好ましく、さらには、0.15〜1.5ml/g-(電極)の範囲にあることが望ましい。またV2は0.07〜1.8ml/g-(電極)の範囲にあることが好ましく、さらには、0.10〜1.3ml/g-(電極)の範囲にあることが望ましい。この範囲にあれば耐湿性を高くすることができる。 V1 is preferably in the range of 0.08 to 2.0 ml / g- (electrode), and more preferably in the range of 0.15 to 1.5 ml / g- (electrode). V2 is preferably in the range of 0.07 to 1.8 ml / g- (electrode), and more preferably in the range of 0.10 to 1.3 ml / g- (electrode). If it exists in this range, moisture resistance can be made high.
V2を測定するために、イオン伝導膜側から電極表面への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極を、電極表面(電極基材との接合面)からイオン伝導膜側への厚み方向で全電極重量の50%分までを均一に削りとることにより、作製する。この電極の細孔容積(V2)を水銀圧入法により測定したのち、全電極の細孔容積からV2を差し引くことで、V1を求めることができる。 In order to measure V2, in the thickness direction from the ion conductive membrane side to the electrode surface, electrodes up to 50% of the total electrode weight are connected from the electrode surface (joint surface with the electrode substrate) to the ion conductive membrane side. It is produced by uniformly shaving up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction. After measuring the pore volume (V2) of this electrode by the mercury intrusion method, V1 can be obtained by subtracting V2 from the pore volume of all electrodes.
本発明ではアノード電極、カソード電極のいずれかが上記細孔容積を満足していればよく、好適にはカソード電極が満足していることが望ましい。
さらに、アノード電極、カソード電極の少なくとも一方において、厚み方向で高分子電解質/触媒粒子の重量比が均質に分布することが好ましい。具体的には、電極表面(電極
基材との接合面)からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(W1)に対して、イオン伝導膜側から電極表面への
厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(W2
)の比率(W2/W1)が、100%よりも大きく、130%以下であるが好ましい。より好ましくは101〜120%の比率である。上記比率であると、電極の厚み方向における高分子電解質の局所的な分布によるガス拡散性、排水性、プロトン伝導性、電子伝導性の両立不足が解消され、電極の厚み方向全体に渡って効率良く反応が進行するため、十分な発電性能、及び発電耐久性を得ることができる。また、電極の厚み方向で高分子電解質が上記範囲内で存在することで、上記の電極の単位面積辺りの細孔容積も上記範囲内に調整することができる。
In the present invention, it is sufficient that either the anode electrode or the cathode electrode satisfies the above pore volume, and it is preferable that the cathode electrode is satisfied.
Further, it is preferable that the weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles is uniformly distributed in the thickness direction in at least one of the anode electrode and the cathode electrode. Specifically, the weight ratio of polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction from the electrode surface (bonding surface with the electrode base material) to the ion conductive membrane side (W1 ) In the thickness direction from the ion conductive membrane side to the electrode surface, the weight ratio of polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode up to 50% of the total electrode weight (W2
) Ratio (W2 / W1) is preferably greater than 100% and 130% or less. More preferably, the ratio is 101 to 120%. With the above ratio, the lack of compatibility of gas diffusivity, drainage, proton conductivity, and electron conductivity due to the local distribution of the polymer electrolyte in the thickness direction of the electrode is resolved, and efficiency is achieved throughout the thickness direction of the electrode. Since the reaction proceeds well, sufficient power generation performance and power generation durability can be obtained. Moreover, since the polymer electrolyte is present within the above range in the thickness direction of the electrode, the pore volume per unit area of the above electrode can be adjusted within the above range.
W1は、0.05〜1.9の比率にあることが好ましく、さらには、0.1〜1.5の比率にあることが望ましい。またW2は0.1〜2.3の比率にあることが好ましく、さらに
は、0.2〜1.9の比率にあることが望ましい。この範囲にあればイオン伝導性を十分に確保でき、且つ耐湿性を高くすることができる。
W1 is preferably in a ratio of 0.05 to 1.9, and more preferably in a ratio of 0.1 to 1.5. W2 is preferably in a ratio of 0.1 to 2.3, and more preferably in a ratio of 0.2 to 1.9. If it exists in this range, ion conductivity can fully be ensured and moisture resistance can be made high.
W1およびW2を測定する場合は、電極表面からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極をメスで面方向に均一に削りとり、削り取ったものを採取する。採取したものが、電極表面からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極となる。また、イオン伝導膜側から電極表面への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極は、前記電極表面からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極を削り取ったのち、同様の方法で、さらにイオン伝導膜側に向かってイオン伝導膜のコンタミしない限界までメスで削り取り、削り取ったものを採取して、イオン伝導膜側から電極表面への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極とする。これら
の電極を蛍光X線装置で測定し、電極中の高分子電解質固有の原子(例えば、スルホン酸由来の硫黄原子)と触媒粒子由来の原子(例えば、白金原子)の強度を求め、(高分子電解質固有の原子/触媒粒子由来の原子)の強度比を算出しする。それぞれの電極のその強
度比を用いて、電極表面からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(W1)、およびイオン伝導膜側から電極表面
への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の高分子電解質/触媒粒子の重量比
(W2)を求め、比率(W2/W1)を算出する。
When measuring W1 and W2, in the thickness direction from the electrode surface to the ion conductive membrane side, the electrode up to 50% of the total electrode weight is uniformly scraped in the plane direction with a scalpel, and the scraped one is collected. The collected sample is an electrode up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction from the electrode surface to the ion conductive membrane side. Further, in the thickness direction from the ion conductive membrane side to the electrode surface, the electrode up to 50% of the total electrode weight is up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction from the electrode surface to the ion conductive membrane side. After scraping off the electrode, in the same way, scrape the ion conductive film toward the ion conductive film side to the limit where the ion conductive film is not contaminated, collect the scraped material, and measure the thickness direction from the ion conductive film side to the electrode surface. Furthermore, the electrode is up to 50% of the total electrode weight. These electrodes were measured with a fluorescent X-ray apparatus, and the strength of atoms unique to the polymer electrolyte (for example, sulfur atoms derived from sulfonic acid) and atoms derived from the catalyst particles (for example, platinum atoms) in the electrodes was determined. Calculate the intensity ratio of atoms unique to molecular electrolyte / atoms derived from catalyst particles. Using the strength ratio of each electrode, the weight ratio (W1) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction from the electrode surface to the ion conductive membrane side, and The weight ratio (W2) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode up to 50% of the total electrode weight is determined in the thickness direction from the ion conductive membrane side to the electrode surface, and the ratio (W2 / W1) is calculated.
アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方が電極は複数の層で形成されていてもよい。
具体的には、V1およびW1が特定の範囲にある層と、V2およびW2が特定の範囲にある層との複数層からなり、V2/V1、W2/W1が前記した比率となるものが好ましい。
(2)膜-電極接合体の製造方法
本発明に係る膜―電極接合体の具体的な製造方法の一つとしては、例えばイオン伝導膜上に、ある電極ペーストを塗布し乾燥して電極1を形成し、さらにその上に電極1中の触媒粒子/高分子電解質の重量比に対して、その重量比がより大きい電極ペーストを塗布し
乾燥して電極2を形成する方法を挙げることができる。このように積層された電極を得た後、ガス拡散層をホットプレスで圧着することができる。
At least one of the anode electrode and the cathode electrode may be formed of a plurality of layers.
Specifically, it is preferable that the layer is composed of a plurality of layers in which V1 and W1 are in a specific range and V2 and W2 are in a specific range, and V2 / V1 and W2 / W1 have the above-described ratio. .
(2) Manufacturing Method of Membrane-Electrode Assembly As one specific manufacturing method of the membrane-electrode assembly according to the present invention, for example, an electrode paste is applied on an ion conductive film and dried to form an electrode 1 The electrode 2 can be formed by applying an electrode paste having a larger weight ratio to the weight ratio of the catalyst particles / polymer electrolyte in the electrode 1 and drying the electrode paste. . After obtaining the electrodes laminated in this way, the gas diffusion layer can be pressure-bonded by hot pressing.
また、例えば撥水処理されたカーボンペーパー(ガス拡散層)上に、ある電極ペーストを塗布して電極3を形成した後、さらにその上に電極3の触媒粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比に対して、その重量比が大きい電極ペーストを塗布し乾燥して電極4を形成する方法を用いてもよい。このように積層された電極を得た後、イオン伝導膜上にホットプレスし、電極をイオン伝導膜上に形成できる。 Further, for example, after applying an electrode paste on carbon paper (gas diffusion layer) subjected to water repellent treatment to form the electrode 3, the weight of the polymer electrolyte relative to the weight of the catalyst particles of the electrode 3 is further formed thereon. Alternatively, a method may be used in which an electrode 4 having a large weight ratio is applied and dried to form the electrode 4. After obtaining the electrode laminated in this way, the electrode can be formed on the ion conductive film by hot pressing on the ion conductive film.
また、例えば転写基材であるポリテトラフルオロエチレン膜上に、ある電極ペーストを塗布し乾燥して電極5を形成し、さらにその上に電極5の触媒粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比に対して、その重量比が大きい電極ペーストを塗布し乾燥して電極6を形成して、ホットプレスしてイオン交換膜へ転写する方法を挙げることができる。 Further, for example, a certain electrode paste is applied onto a polytetrafluoroethylene film as a transfer substrate and dried to form the electrode 5, and the ratio of the weight of the polymer electrolyte to the weight of the catalyst particles of the electrode 5 is further formed thereon. In contrast, an electrode paste having a large weight ratio may be applied and dried to form the electrode 6 and then hot-pressed and transferred to the ion exchange membrane.
本発明に係る膜-電極接合体の製造方法は、好ましくは、イオン伝導膜上に、高分子電
解質と触媒粒子を含む電極ペーストを少なくとも2回以上塗布する膜-電極接合体の製造方法であって、1層目に使用する電極ペースト中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(P2)に対して、2層目以上に使用する電極ペースト中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(P1)の比率(P1/P2)が110%以上、400%以下である。好ましくは、120%以上
、300%以下である。このような構成とすることで、電極中の前記した高分子電解質/
触媒粒子の重量比(W2およびW1)の比率(W1/W2)を、前記した範囲におさめることが
できるだけではなく、電極の厚み方向の細孔容積、及び高分子電解質/触媒粒子の重量比
の分布を電極ペーストの1回のみと塗布に比べて、大幅に均質化できる。
The method for producing a membrane-electrode assembly according to the present invention is preferably a method for producing a membrane-electrode assembly in which an electrode paste containing a polymer electrolyte and catalyst particles is applied at least twice on an ion conductive membrane. The weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode paste used in the second layer or more (P1) to the weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode paste used in the first layer (P1) ) Ratio (P1 / P2) is 110% or more and 400% or less. Preferably, it is 120% or more and 300% or less. By having such a configuration, the polymer electrolyte /
Not only can the ratio (W1 / W2) of the weight ratio of catalyst particles (W2 and W1) fall within the above-mentioned range, but also the pore volume in the thickness direction of the electrode and the weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles. The distribution can be greatly homogenized as compared with the case of applying the electrode paste only once.
この理由は明確ではないものの、1種類のペーストで1層のみで電極を形成すると、触媒粒子と高分子電解質の塗布基材への濡れ性の違いや、それぞれの比重の違いなどにより、電極の厚み方向で細孔容積、及び高分子電解質/触媒粒子の重量比に分布ができると考
えている。このため、2種以上の濃度の異なるペーストを使用することで、この問題が解消し、均一な細孔容積、重量比の電極が形成できると考えられる。特に、イオン交換膜へ電極ペーストを1回塗布のみの場合、電極表面に対して膜側の高分子電解質/触媒粒子比が大きくなる傾向にあるため、電極ペーストを塗布する際に、あらかじめ膜側(1層目)に
塗布する高分子電解質/触媒粒子比を電極表面側(2層目)よりも小さくすることで、高分子電解質/触媒粒子比を電極全体で比較的均質化できるものと考えられる。
Although the reason for this is not clear, when an electrode is formed with only one layer with one type of paste, the electrode has different wettability to the coated substrate of the catalyst particles and the polymer electrolyte, and the specific gravity of each electrode. We believe that there is a distribution in pore volume and weight ratio of polymer electrolyte / catalyst particles in the thickness direction. For this reason, it is considered that by using two or more kinds of pastes having different concentrations, this problem can be solved and an electrode having a uniform pore volume and weight ratio can be formed. In particular, when the electrode paste is applied only once to the ion exchange membrane, the membrane electrolyte polymer / catalyst particle ratio tends to increase with respect to the electrode surface. It is considered that the polymer electrolyte / catalyst particle ratio applied to the (first layer) can be made relatively uniform throughout the electrode by making the polymer electrolyte / catalyst particle ratio smaller than the electrode surface side (second layer). It is done.
また、電極ペースト中の触媒粒子として、触媒担持カーボンを用いた場合、塗布基材側へ最初に塗布される電極ペースト中の(高分子電解質/触媒粒子中のカーボン)の重量比
は0.1〜2.0、より好ましくは0.2〜1.6であり、2回目以降に塗布される電極ペーストの(高分子電解質/触媒粒子中のカーボン)の重量比は0.3〜2.5、より好
ましくは0.4〜2.0である。
When catalyst-supported carbon is used as the catalyst particles in the electrode paste, the weight ratio of (polymer electrolyte / carbon in the catalyst particles) in the electrode paste first applied to the coated substrate side is 0.1. To 2.0, more preferably 0.2 to 1.6, and the weight ratio of the electrode paste (polymer electrolyte / carbon in the catalyst particles) applied after the second time is 0.3 to 2.5. More preferably, it is 0.4-2.0.
1回目、及び2回目以降に塗布される電極ペースト中の高分子電解質/触媒粒子中のカ
ーボンの重量比が、上記範囲の比率であれば、電極の厚み方向での細孔容積、及び高分子電解質の分布を比較的に均質な分布状態に制御でき、十分な発電性能、及び発電耐久性を得ることができる。
If the weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles in the electrode paste applied in the first and second and subsequent times is within the above range, the pore volume in the thickness direction of the electrode and the polymer The distribution of the electrolyte can be controlled to a relatively homogeneous distribution state, and sufficient power generation performance and power generation durability can be obtained.
このような異なる触媒粒子に対する高分子電解質の重量比を持つ電極ペーストの積層は、何回繰り返してもよいが、通常は2〜5回、好ましくは2〜4回、さらに好ましくは2〜3回である。 The lamination of the electrode paste having the weight ratio of the polymer electrolyte to the different catalyst particles may be repeated any number of times, but usually 2 to 5 times, preferably 2 to 4 times, more preferably 2 to 3 times. It is.
電極中の細孔容積は、電極ペーストの調製条件に依存し、攪拌方法(機器)、ビーズ攪拌の場合はビーズ径やビーズ量、攪拌時間、高分子電解質の量、炭素繊維の量などによって、変化する。一般的に、高分子電解質の量が多いと細孔容積は小さくなり、一方、少なくなると細孔容積が大きくなる。 The pore volume in the electrode depends on the preparation conditions of the electrode paste, and depending on the stirring method (equipment), in the case of bead stirring, the bead diameter and the amount of beads, the stirring time, the amount of polymer electrolyte, the amount of carbon fiber, etc. Change. In general, the larger the amount of the polymer electrolyte, the smaller the pore volume, while the smaller the amount, the larger the pore volume.
塗布方法
上記ペーストの塗布方法としては、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などがあり、他の基材(転写基材)上に塗布して電極をいったん形成した後、電極基材またはイオン伝導膜に転写してもよい。この場合の転写基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のシート、または表面を離型剤処理したガラス板や金属板なども用いることができる。
Application methods The paste application methods include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, spray coating, etc., which can be applied to other substrates (transfer substrates). After forming the electrode once, it may be transferred to the electrode substrate or the ion conductive film. As the transfer substrate in this case, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet or a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a release agent can be used.
電極基材としては、燃料電池に一般に用いられる電極基材が特に限定されることなく用いられる。例えば、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどが挙げられ、この導電性物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛および膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。導電性物質の形態は繊維状または粒子状など特に限定されないが、繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートとしては、織布または不織布いずれの構造も使用可能である。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法などの方法で製造されたものが特に限定されること無く用いられる。また無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートは編物であっても構わない。 As an electrode base material, the electrode base material generally used for a fuel cell is used without particular limitation. For example, a porous conductive sheet having a conductive material as a main constituent material can be mentioned. Examples of the conductive material include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, a carbon material such as graphite and expanded graphite, stainless steel, and the like. Examples include steel, molybdenum, and titanium. The form of the conductive material is not particularly limited, such as fibrous or particulate, but a fibrous conductive inorganic substance (inorganic conductive fiber), particularly carbon fiber is preferable. As a porous conductive sheet using inorganic conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. As the woven fabric, plain weaving, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving and the like are not particularly limited. Moreover, as a nonwoven fabric, what was manufactured by methods, such as a papermaking method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, a melt blow method, is used, without being specifically limited. The porous conductive sheet using inorganic conductive fibers may be a knitted fabric.
これらの布帛として特に炭素繊維を用いる場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化または黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工をした後に炭化または黒鉛化した不織布、耐炎化糸または炭化糸または黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましい。例えば、東レ製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが好ましく用いられる。 In particular, when carbon fibers are used as these fabrics, a woven fabric obtained by carbonizing or graphitizing a plain woven fabric using flame-resistant spun yarn, and a flame-resistant yarn is carbonized after being processed into a nonwoven fabric by a needle punch method or a water jet punch method. A graphitized non-woven fabric, a mat non-woven fabric by a paper making method using a flame-resistant yarn, a carbonized yarn or a graphitized yarn is preferable. For example, Toray carbon paper TGP series, SO series, E-TEK carbon cloth, etc. are preferably used.
多孔質導電シートには、導電性向上のために補助剤としてカーボンブラックなどの導電性粒子や、炭素繊維などの導電性繊維を添加することも好ましい実施態様である。これらが拡散層にも相当する。 It is also a preferred embodiment that conductive particles such as carbon black or conductive fibers such as carbon fibers are added to the porous conductive sheet as an auxiliary agent in order to improve conductivity. These also correspond to the diffusion layer.
塗布された塗膜の厚さ(すなわち触媒電極の厚さ)としては特に制限されるものではないが、触媒として担持された金属が、コーティングの単位表面積当り、0.05〜4.0mg/cm2、好ましくは0.1〜2.0mg/cm2の範囲にあることが望ましい。 The thickness of the applied coating film (that is, the thickness of the catalyst electrode) is not particularly limited, but the metal supported as a catalyst is 0.05 to 4.0 mg / cm per unit surface area of the coating. 2 , preferably in the range of 0.1 to 2.0 mg / cm 2 .
この範囲にあれば充分に高い触媒活性が発揮され、また、効率的にプロトンを取り出すことができる。電極を重ね無塗りした際の各電極の触媒として担持された金属は、コーティングの単位表面積当り、0.05〜3.0mg/cm2、好ましくは0.1〜2.0mg/cm2の範囲にあることが望ましい。上記範囲未満であると、重ね塗りした効果が小さく、一方、上記範囲を超えると電極の厚みが厚くなり、ひび割れが起こることがあり、機械的強度が十分でなくなる。 Within this range, sufficiently high catalytic activity is exhibited, and protons can be extracted efficiently. Supported metal as a catalyst for the electrode when the non recoating the electrode unit surface area per coating, 0.05~3.0mg / cm 2, the range preferably of 0.1 to 2.0 mg / cm 2 It is desirable to be in If it is less than the above range, the effect of overcoating is small. On the other hand, if it exceeds the above range, the electrode becomes thick and cracks may occur, resulting in insufficient mechanical strength.
上記ホットプレスの条件は、温度が30℃〜200℃、好ましくは40℃〜180℃であり、圧力が5〜300kg/cm2、好ましくは10〜180kg/cm2であり、時間が30秒〜60分間、好ましくは1分間〜30分間である。上記範囲内の条件でホットプレスを行うことにより、電極層と膜の接合性が良好となる。 The conditions of the hot press are as follows: the temperature is 30 ° C. to 200 ° C., preferably 40 ° C. to 180 ° C., the pressure is 5 to 300 kg / cm 2 , preferably 10 to 180 kg / cm 2 , and the time is 30 seconds to 60 minutes, preferably 1 to 30 minutes. By performing hot pressing under conditions within the above range, the bondability between the electrode layer and the film is improved.
また、上記電極上にカーボンペーパーなどのガス拡散層を接合する場合は、上記と同様のホットプレス条件により、電極とガス拡散層とを接合することができる。
(3)拡散層
必要に応じて、電極表面にはガス拡散層が設けられていてもよい。
Moreover, when joining gas diffusion layers, such as carbon paper, on the said electrode, an electrode and a gas diffusion layer can be joined by the hot press conditions similar to the above.
(3) Diffusion layer A gas diffusion layer may be provided on the electrode surface as required.
拡散層としては、撥水処理したカーボンペーパーなどの多孔質導電シートが挙げられ、拡散層には、導電性向上のために補助剤としてカーボンブラックなどの導電性粒子や、炭素繊維などの導電性繊維が添加されていてもよい。なお、拡散層は前記電極基材もその機能を有するので必ずしも設けていなくとも良い。
[II.電極]
(1)電極の構成
本願発明の電極は、前述の膜-電極接合体の製造方法において述べたように、原則とし
て、電極ペーストをイオン伝導膜等に塗布し乾燥して製造される。以下、電極ペーストについて詳述する。
(2)電極ペースト
本発明で使用される電極ペーストとしては、例えば触媒粒子、高分子電解質および必要に応じて撥水剤などを有機溶剤中に分散させ、従来公知の方法で混練することにより調製される。
Examples of the diffusion layer include water-repellent treated porous conductive sheets such as carbon paper, and the diffusion layer includes conductive particles such as carbon black and carbon fibers as an auxiliary agent for improving conductivity. Fibers may be added. Note that the diffusion layer is not necessarily provided because the electrode substrate also has the function.
[II. electrode]
(1) Structure of electrode The electrode of the present invention is manufactured by applying an electrode paste to an ion conductive film and drying as a rule, as described in the method for manufacturing a membrane-electrode assembly. Hereinafter, the electrode paste will be described in detail.
(2) Electrode paste The electrode paste used in the present invention is prepared, for example, by dispersing catalyst particles, a polymer electrolyte and, if necessary, a water repellent in an organic solvent, and kneading by a conventionally known method. Is done.
各成分の混合順序は特定に限定されないが、例えば全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、有機溶媒や水の量を調整して、組成物の粘度を調整してもよい。 Although the mixing order of each component is not specifically limited, for example, all components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then a dispersant is added as necessary. It is preferable to add and to stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of an organic solvent and water as needed, and may adjust the viscosity of a composition.
以下に、電極ペーストに含まれる成分について説明する。
(i)触媒粒子
触媒粒子は、触媒がカーボン、金属酸化物の担体に担持されたもの、または、触媒の単体からなる。
Below, the component contained in an electrode paste is demonstrated.
(I) Catalyst Particles The catalyst particles consist of a catalyst supported on carbon or a metal oxide carrier, or a single catalyst.
触媒としては、白金または白金合金が用いられる。白金合金を使用すると、電極触媒としての安定性や活性をさらに付与させることもできる。このような白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、コバルト、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズから選ばれる1種以上と白金との合金が好
ましく、該白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてもよい。
Platinum or a platinum alloy is used as the catalyst. When a platinum alloy is used, stability and activity as an electrode catalyst can be further imparted. Such platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, cobalt, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium. An alloy of platinum and one or more selected from zinc and tin is preferable, and the platinum alloy may contain an intermetallic compound of a metal alloyed with platinum.
触媒は、単体でも、担体に担持された状態でも、いずれも触媒粒子を形成している。
上記触媒を担持する担体としては、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。また、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などを用いてもよい。
The catalyst forms catalyst particles both in a simple substance and in a state where it is supported on a carrier.
As the carrier for supporting the catalyst, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black and acetylene black is preferably used in view of the electron conductivity and the specific surface area. Further, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, and the like may be used.
上記オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製「バルカンXC−72」、「バルカンP」、「ブラックパールズ880」、「ブラックパールズ1100」、「ブラックパールズ1300」、「ブラックパールズ2000」、「リーガル400」、ライオン社製「ケッチェンブラックEC」、三菱化学社製「#3150、#3250」などが挙げられる。また、上記アセチレンブラックとしては電気化学工業社製「デンカブラック」などが挙げられる。 Examples of the oil furnace black include “Vulcan XC-72”, “Vulcan P”, “Black Pearls 880”, “Black Pearls 1100”, “Black Pearls 1300”, “Black Pearls 2000”, and “Regal 400” manufactured by Cabot Corporation. “Ketjen Black EC” manufactured by Lion Corporation, “# 3150, # 3250” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and the like. Examples of the acetylene black include “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo.
これらのカーボンの形態としては、粒子状のほか、繊維状も用いることができる。また、カーボンに担持される触媒の量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、担持量がカーボン重量に対して、0.1〜9.0g-metal/g-carbon、好ましくは0.25〜2.4g-metal/g-carbonの範囲である。 As the form of these carbons, in addition to particles, fibers can also be used. Further, the amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as the catalyst activity can be effectively exhibited, but the supported amount is 0.1 to 9.0 g- with respect to the carbon weight. Metal / g-carbon, preferably in the range of 0.25 to 2.4 g-metal / g-carbon.
また、担体としては、カーボンの他に、金属酸化物、たとえば、チタニア、酸化亜鉛、シリカ、セリア、アルミナ、アルミナスピネル、マグネシア、ジルコニアなどであってもよい。
(ii)高分子電解質
高分子電解質は、前記触媒を担持したカーボンを結着させるバインダー成分として働くとともに、アノード側では触媒上の反応によって発生したイオンをイオン伝導膜へ効率的に供給させ、またカソード側ではイオン伝導膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給させる。
In addition to carbon, the carrier may be a metal oxide such as titania, zinc oxide, silica, ceria, alumina, alumina spinel, magnesia, zirconia, and the like.
(Ii) Polymer electrolyte The polymer electrolyte serves as a binder component that binds the carbon carrying the catalyst, and on the anode side, it efficiently supplies ions generated by the reaction on the catalyst to the ion conductive membrane. On the cathode side, the ions supplied from the ion conductive membrane are efficiently supplied to the catalyst.
本発明で用いられる高分子電解質は特に限定されないが、スルホン酸基、もしくはリン酸基からなるイオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)とイオン伝導成分を有さないポリマーセグメント(B)が共有結合しているブロック共重合体が好適である。より好ましくは、該共重合体を形成する主鎖骨格が芳香環を結合基で共有結合させた構造を有するポリアリーレンであり、特に好ましくは、下記一般式(A)で表される構造単位と、下記一般式(B)で表される構造単位とを含む下記一般式(C)で表されるスルホン酸基を有するポリアリーレンである。このようなポリアリーレンを使用すると、より耐熱性の高く、機械的強度の高い電極を形成することができる。 The polymer electrolyte used in the present invention is not particularly limited, but a polymer segment (A) having an ion conductive component composed of a sulfonic acid group or a phosphate group and a polymer segment (B) having no ion conductive component are covalently bonded. The block copolymer is preferred. More preferably, the main chain skeleton forming the copolymer is a polyarylene having a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a linking group, and particularly preferably a structural unit represented by the following general formula (A): And a polyarylene having a sulfonic acid group represented by the following general formula (C) including a structural unit represented by the following general formula (B). When such polyarylene is used, an electrode having higher heat resistance and higher mechanical strength can be formed.
まず本発明に使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレンについて具体的に説明する。
スルホン酸基含有ポリアリーレンとしては、好ましくは、スルホン酸基を有するポリマーセグメント(A)と、イオン伝導成分を有しないポリマーセグメント(B)と、含窒素複素環基を側鎖に有するセグメント(C)が共有結合しているブロック共重合体であり、特に好ましくは、下記一般式(A)で表される構成単位(以下、「構成単位(A)」または「スルホン酸ユニット」ともいう。)と、下記一般式(B)で表される構成単位(以下、「構成単位(B)」または「疎水性ユニット」ともいう。)と、下記一般式(C)で表される構成単位(以下、「構成単位(C)」または「塩基性ユニット」ともいう。)を含む下記一般式(D)で表されるスルホン酸基を有するポリアリーレンである。
構成単位(A)(スルホン酸ユニット)
First, the polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention will be specifically described.
As the sulfonic acid group-containing polyarylene, preferably, a polymer segment (A) having a sulfonic acid group, a polymer segment (B) not having an ion conductive component, and a segment having a nitrogen-containing heterocyclic group (C) ) Are covalently bonded block copolymers, and particularly preferably a structural unit represented by the following general formula (A) (hereinafter also referred to as “structural unit (A)” or “sulfonic acid unit”). And a structural unit represented by the following general formula (B) (hereinafter also referred to as “structural unit (B)” or “hydrophobic unit”), and a structural unit represented by the following general formula (C) (hereinafter referred to as “structural unit (B)”). , Which is also referred to as “structural unit (C)” or “basic unit”), and a polyarylene having a sulfonic acid group represented by the following general formula (D).
Structural unit (A) (sulfonic acid unit)
上記式(A)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−
、−(CF2)i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF3)2−を示す。これらの中では、−CO−および−SO2−が好ましい。
In the above formula (A), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—.
, - (CF 2) i - (i is an integer from 1 to 10.) Or -C (CF 3) 2 - shows a. Of these, —CO— and —SO 2 — are preferable.
Zは、独立に直接結合、−(CH2)j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH3)2−、−O−または−S−を示す。これらの中では、直接結合および−O−が好ましい。 Z independently represents a direct bond, — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O— or —S—. Among these, a direct bond and —O— are preferable.
Arは、−SO3H、−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3H(pは1〜
12の整数を示す。)で表される置換基を有する芳香族基を示す。芳香族基としては、たとえば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらの中では、フェニル基およびナフチル基が好ましい。また、Arは、−SO3H、
−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基を少なくとも1個有していることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上有することが好ましい。
Ar is —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p is 1 to
An integer of 12 is shown. The aromatic group which has a substituent represented by this is shown. Examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, a phenanthryl group, and the like. In these, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. Ar represents —SO 3 H;
It is necessary to have at least one substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, and two in the case of a naphthyl group It is preferable to have the above.
mは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは1〜4の整数を示す。
上記構成単位(A)の好ましい構造としては、上記式(A)において、
(1)m=0、n=0であり、Yが−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有
するフェニル基である構造、
(2)m=1、n=0であり、Yが−CO−であり、Zが−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(3)m=1、n=1、k=1であり、Yが−CO−であり、Zが−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(4)m=1、n=0であり、Yが−CO−であり、Zが−O−であり、Arが置換基として2個の−SO3Hを有するナフチル基である構造、
(5)m=1、n=0であり、Yが−CO−であり、Zが−O−であり、Arが置換基として−O(CH2)4SO3Hを有するフェニル基である構造
などを挙げることができる。
構成単位(B)(疎水性ユニット)
m is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k is an integer of 1 to 4.
As a preferred structure of the structural unit (A), in the above formula (A),
(1) a structure in which m = 0, n = 0, Y is —CO—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(2) a structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(3) A structure in which m = 1, n = 1, k = 1, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(4) a structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a naphthyl group having two —SO 3 H as substituents;
(5) m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —O (CH 2 ) 4 SO 3 H as a substituent. Examples include structures.
Structural unit (B) (hydrophobic unit)
上記式(B)中、AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−
SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2)j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR’2−、シクロヘキシリデン基、
フルオレニリデン基、−O−または−S−を示す。これらの中では、直接結合、−CO−、−SO2−、−CR’2−、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基および−O−が好ましい。なお、R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示し、たとえば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基などが挙げられる。
In the above formula (B), A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —
SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10) , -CR '2 -, cyclohexylidene group,
A fluorenylidene group, -O- or -S- is shown. Among these, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, and —O— are preferable. R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group. For example, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, A propyl group, an octyl group, a decyl group, an octadecyl group, a phenyl group, a trifluoromethyl group, etc. are mentioned.
Bは独立に酸素原子または硫黄原子を示し、酸素原子が好ましい。
R1〜R16は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部
がハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基またはニトリル基を示す。
B independently represents an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R 1 to R 16 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group or a nitrile group, which is partially or wholly halogenated.
上記R1〜R16におけるアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチ
ル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基などが挙げられる。ハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられる。アリル基としては、プロペニル基などが挙げられる。アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Examples of the alkyl group in R 1 to R 16 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, and an octyl group. Examples of the halogenated alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. Examples of the allyl group include a propenyl group. Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示す。rは0または1以上の整数を示し、上限は通常100、好ましくは1〜80である。
上記構成単位(B)の好ましい構造としては、上記式(B)において、
(1)s=1、t=1であり、Aが−CR’2−、シクロヘキシリデン基またはフルオレ
ニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または−SO2−であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、
(2)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または−SO2−であ
り、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、
(3)s=0、t=1であり、Aが−CR’2−、シクロヘキシリデン基またはフルオレ
ニリデン基であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水素原子、フッ素原子またはニト
リル基である構造などが挙げられる。
構成単位(C)(塩基性ユニット)
s and t each represent an integer of 0 to 4. r shows 0 or an integer greater than or equal to 1, and an upper limit is 100 normally, Preferably it is 1-80.
As a preferred structure of the structural unit (B), in the above formula (B),
(1) s = 1, t = 1, A is —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and D is —CO— or —SO 2 —. , R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(2) A structure in which s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(3) s = 0, t = 1, A is —CR ′ 2 —, a cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom or Examples thereof include a structure that is a nitrile group.
Structural unit (C) (basic unit)
式中、Zは直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なく
とも1種の構造を示し、R20は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。
In the formula, Z represents a direct bond or at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—, and Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—. , -COO -, - (CF 2 ) l - (l is an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, R 20 is A nitrogen-containing heterocyclic group is shown. q represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 4.
含窒素複素環基としては特に限定されるものではないが、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリン
、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリミジン、ピリタジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、ベンズイミダゾール、ベンズオキサゾール、ベンズチアゾール、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリンからなる含窒素複素環化合物およびこれらの誘導体からなる群から選ばれる化合物から誘導される少なくとも1種の基を示し、また併用してもよい。
(高分子電解質の構造)
The nitrogen-containing heterocyclic group is not particularly limited, but pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, pyridine, imidazole, imidazoline, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyrimidine, pyritazine, pyrazine, Derived from a compound selected from the group consisting of nitrogen-containing heterocyclic compounds consisting of indole, quinoline, isoquinoline, bryne, benzimidazole, benzoxazole, benzthiazole, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline and their derivatives Or at least one kind of group which may be used in combination.
(Polymer electrolyte structure)
上記式(D)中、A、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R16は、上記式(A)および(B)および(C)中で定義した通りであり、xおよびyおよ
びzは、x+y+z=100モル%とした場合のモル比を示す。
In the above formula (D), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t and R 1 to R 16 are represented by the above formulas (A), (B) and (C ) And x, y, and z represent molar ratios when x + y + z = 100 mol%.
構成単位(B)および(C)は任意成分であり、重合体中の(A)を除いた残りが構成単位(B)および(C)の量に相当する。また、(B)、(C)が含まれていなくともよい。この構成単位(B)を含んでいると、分子量の調整や、上記各繰り返し単位の含有量や、イオン交換量の調整などを行いやすくなるとともに熱水中での膨潤や溶出を抑制したものや、熱的、化学的に安定な重合体を得ることができる。構成単位(C)を含むことで、含窒素複素環基の働きにより高温条件下でのスルホン酸基の安定性が向上し、その結果耐熱性が向上する。含窒素複素環式芳香族化合物の窒素原子は、塩基性を有するため、スルホン酸基との間でイオン的な相互作用を形成する。これによって、スルホン酸基の安定性を高め、高温条件下でのスルホン酸基の脱離が抑制される。また、同様に高温条件下でスルホン酸基に由来するポリマー分子間の架橋反応をも抑制することができる。含窒素複素環式芳香族化合物は、プロトン伝導性を損なわず、これらの効果を発現できる適度な強さの塩基性を有する化合物である。 The structural units (B) and (C) are optional components, and the remainder excluding (A) in the polymer corresponds to the amount of the structural units (B) and (C). Moreover, (B) and (C) may not be included. When this structural unit (B) is included, it is easy to adjust the molecular weight, the content of each repeating unit, the ion exchange amount, and the like, while suppressing swelling and elution in hot water, , A thermally and chemically stable polymer can be obtained. By including the structural unit (C), the stability of the sulfonic acid group under high temperature conditions is improved by the action of the nitrogen-containing heterocyclic group, and as a result, the heat resistance is improved. Since the nitrogen atom of the nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound has basicity, it forms an ionic interaction with the sulfonic acid group. This enhances the stability of the sulfonic acid group and suppresses the elimination of the sulfonic acid group under high temperature conditions. Similarly, the cross-linking reaction between polymer molecules derived from sulfonic acid groups can be suppressed under high temperature conditions. The nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound is a compound having an adequately strong basicity that can exhibit these effects without impairing proton conductivity.
上記のイオン交換容量は、構造単位(A)、構成単位(B)および構成単位(C)の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。このため重合時に構成単位(A)〜(C)を誘導する前駆体(モノマー・オリゴマー)の仕込み量比、種類を変えればイオン交換容量を調整することができる。フッ素含量0〜40%の高分子電解質のイオン交換容量は、低すぎると燃料電池内でのプロトン伝導能が発現できず充分な出力が得られない。一方、高すぎると燃料電池内で発生する熱水により、溶解や膨潤により細孔を塞ぎ、触媒への反応性ガスの到達を妨げ、発電出力が低下するといった問題がある。好ましくは、0.5〜3.0meq/gであり、より好ましくは0.8〜2.8meq/gである。 The above-mentioned ion exchange capacity can be adjusted by changing the type, usage ratio, and combination of the structural unit (A), the structural unit (B), and the structural unit (C). Therefore, the ion exchange capacity can be adjusted by changing the charge amount ratio and type of the precursor (monomer / oligomer) that induces the structural units (A) to (C) during the polymerization. If the ion exchange capacity of the polymer electrolyte having a fluorine content of 0 to 40% is too low, the proton conductivity in the fuel cell cannot be expressed and sufficient output cannot be obtained. On the other hand, if it is too high, the hot water generated in the fuel cell will clog the pores due to dissolution and swelling, thereby preventing the reactive gas from reaching the catalyst and reducing the power generation output. Preferably, it is 0.5 to 3.0 meq / g, more preferably 0.8 to 2.8 meq / g.
また、式(A)で表される繰り返し構成単位(すなわちxのユニット)に対する、すなわち[ ]xのユニットに対する、式(C)で表される繰り返し構成単位、すなわち[
]zのユニットの割合(z/x)の割合は、0.001モル%〜50モル%であり、好ましくは
、0.1モル%〜30モル%であり、さらに好ましくは、1モル%〜25モル%である。
Further, the repeating structural unit represented by the formula (C) with respect to the repeating structural unit represented by the formula (A) (that is, the unit of x), that is, the unit of [] x ,
] Ratio of the proportion of units of z (z / x) is 0.001 mol% to 50 mol%, preferably from 0.1 mol% to 30 mol%, more preferably, 1 mol% 25 mol%.
重合体の分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
<スルホン化ポリアリーレンの製造方法>
高分子電解質を構成するスルホン酸基を有する重合体(スルホン化ポリアリーレン)の製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法の3通りの方法を用いることができる。
The molecular weight of the polymer is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).
<Method for producing sulfonated polyarylene>
For the production of a polymer having a sulfonic acid group constituting the polymer electrolyte (sulfonated polyarylene), for example, the following three methods A, B and C can be used.
(A法)
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法と同様に、下記一般式(A’)で表されるモノマー、下記一般式(B’)で表されるモノマーおよび下記一般式(C’)で表されるモノマーを共重合させ、スルホン酸エステル基を有する重合体を製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
モノマー(A’)
(Method A)
For example, similarly to the method described in JP-A-2004-137444, a monomer represented by the following general formula (A ′), a monomer represented by the following general formula (B ′), and the following general formula (C ′) To produce a polymer having a sulfonic acid ester group, deesterifying the sulfonic acid ester group, and converting the sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group. it can.
Monomer (A ')
Xは塩素原子、臭素原子および−OSO2Rb(ここで、Rbはアルキル基、フッ素置
換アルキル基またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示す。
Y,Z,Ar,m,n、kは一般式(A)と同じであり、Rは炭素数4〜12のアルキル基を示す。
X represents an atom or group selected from a chlorine atom, a bromine atom and —OSO 2 Rb (wherein Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group).
Y, Z, Ar, m, n, and k are the same as those in formula (A), and R represents an alkyl group having 4 to 12 carbon atoms.
一般式(A’)で表される化合物の具体的な例としては、下記一般式で表される化合物、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。 Specific examples of the compound represented by the general formula (A ′) include a compound represented by the following general formula, JP-A Nos. 2004-137444, 2004-345997, and 2004-346163. Mention may be made of the sulfonic acid esters described in the publication.
一般式(A’)で表される化合物において、スルホン酸エステル構造は、通常、芳香族環のメタ位に結合している。
モノマー(B’)
モノマー(B’)は下記式(B’)で表される。
In the compound represented by the general formula (A ′), the sulfonate structure is usually bonded to the meta position of the aromatic ring.
Monomer (B ')
The monomer (B ′) is represented by the following formula (B ′).
R’およびR”は塩素原子、臭素原子および−OSO2Rb(ここで、Rbはアルキル
基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示す。
R1〜R16、A、B、D、s、tおよびrは前記一般式(B)と同じである。
R ′ and R ″ represent an atom or group selected from a chlorine atom, a bromine atom and —OSO 2 Rb (where Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group).
R 1 to R 16 , A, B, D, s, t, and r are the same as those in the general formula (B).
モノマー(B’)の具体例としては、一般式(B’)におけるrが0の場合、例えば4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンズアニリド、2,2−ビス(4−
クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニルエステル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物などが挙げられる。
As specific examples of the monomer (B ′), when r in the general formula (B ′) is 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-
Chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide , Bis (4-chlorophenyl) sulfone, and 2,6-dichlorobenzonitrile. In these compounds, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom is exemplified.
また、一般式(B’)におけるrが1の場合、下記に挙げる化合物および特開2003
−113136号公報に記載の化合物を挙げることができる。
When r in the general formula (B ′) is 1, the compounds listed below and JP-A-2003
And the compounds described in JP-A-113136.
一般式(B’)におけるrがr≧2の場合、例えば下記に示す構造の化合物を挙げることができる。 When r in the general formula (B ′) is r ≧ 2, for example, compounds having the following structures can be given.
モノマー(C’)
モノマー(C’)としては下記式(C’)で表される。
Monomer (C ')
The monomer (C ′) is represented by the following formula (C ′).
Xは塩素原子または臭素原子、−OSO2Rb(ここで、Rbはアルキル基、フッ素置
換アルキル基またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示す。
Y、Z、R20、pおよびqは前記一般式(C)と同じである。
X represents an atom or group selected from a chlorine atom or a bromine atom, and -OSO 2 Rb (wherein Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group).
Y, Z, R 20 , p and q are the same as in the general formula (C).
モノマー(C)の具体例として、下記の化合物を挙げることができる。 Specific examples of the monomer (C) include the following compounds.
さらに、塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、塩素原子や臭素原子の結合位置の異なる異性体を挙げることができる。また−CO−結合が、−SO2−結合に置き換わっ
た化合物を挙げることができる。これらの化合物は、単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
Furthermore, compounds in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom, and isomers having different bonding positions of chlorine and bromine atoms can be exemplified. In addition, a compound in which a —CO— bond is replaced with a —SO 2 — bond can be exemplified. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
モノマー(C’)を合成する方法としては、例えば下記一般式(4)で表される化合物と、含窒素複素環化合物とを、求核置換反応させる方法を挙げることができる。 Examples of the method for synthesizing the monomer (C ′) include a method in which a compound represented by the following general formula (4) and a nitrogen-containing heterocyclic compound are subjected to a nucleophilic substitution reaction.
式中、X、Y、pおよびqは、一般式(C’)で示した定義と同一である。X’はハロゲン原子を示す。フッ素原子または塩素原子であることが好ましく、フッ素原子がより好ましい。 In the formula, X, Y, p and q are the same as those defined in the general formula (C ′). X 'represents a halogen atom. A fluorine atom or a chlorine atom is preferable, and a fluorine atom is more preferable.
一般式(4)で表される化合物の具体例としては、2,4−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,5−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,6−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン。これらの化合物のうち2,5−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノンが好ましい。 Specific examples of the compound represented by the general formula (4) include 2,4-dichloro-4′-fluorobenzophenone, 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone, and 2,6-dichloro-4′-fluoro. Benzophenone, 2,4-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,5-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,6-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,4-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone 2,5-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,6-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluorophenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluoro Phenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluoroph Vinyl sulfonic. Of these compounds, 2,5-dichloro-4'-fluorobenzophenone is preferred.
含窒素複素環化合物は、活性水素を有するものであり、この活性水素と一般式(4)で表される化合物のX’で表される基を置換反応させる。
活性水素を有する含窒素複素環化合物としては、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリミジン、ピリタジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、ベンズイミダゾール、ベンズオキサゾール、ベンズチアゾール、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリン、2−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシピリジン、4−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシキノリン、8−ヒドロキシキノリン、2−ヒドロキシピリミジン、2−メルカプトピリジン、3−メルカプトピリジン、4−メルカプトピリジン、2−メルカプトピリミジン、2−メルカプトベンズチアゾールなどを挙げることができる。
The nitrogen-containing heterocyclic compound has active hydrogen, and this active hydrogen is subjected to a substitution reaction with the group represented by X ′ of the compound represented by the general formula (4).
Examples of the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen include pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, pyridine, imidazole, imidazoline, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyrimidine, pyritazine, pyrazine, indole, quinoline, Isoquinoline, bromine, benzimidazole, benzoxazole, benzthiazole, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline, 2-hydroxypyridine, 3-hydroxypyridine, 4-hydroxypyridine, 3-hydroxyquinoline, 8-hydroxy Quinoline, 2-hydroxypyrimidine, 2-mercaptopyridine, 3-mercaptopyridine, 4-mercaptopyridine, 2-mercaptopyrimidine, 2-me , And the like mercapto benzthiazole.
これらの化合物のうち、ピロール、イミダゾール、インドール、カルバゾール、ベンズオキサゾール、ベンズイミダゾールが好ましい。
一般式(4)で表される化合物と活性水素を有する含窒素複素環化合物との反応は、有機溶媒中で行うことが好ましい。N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキシドなどの極性溶媒を用いる。反応を促進するために、アルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを用いる。一般式(2)で表される化合物と、活性水素を有する含窒素複素環化合物との比率は、等モルもしくは活性水素を有する含窒素複素環化合物を過剰に加えて反応させる。具体的には、活性水素を有する含窒素複素環化合物は一般式(4)で表される化合物の1〜3倍モル、特に1〜1.5倍モル使用することが好ましい。
Of these compounds, pyrrole, imidazole, indole, carbazole, benzoxazole, and benzimidazole are preferable.
The reaction between the compound represented by the general formula (4) and the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is preferably performed in an organic solvent. A polar solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide is used. In order to accelerate the reaction, alkali metal, alkali metal hydride, alkali metal hydroxide, alkali metal carbonate, or the like is used. The ratio of the compound represented by the general formula (2) to the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is such that the nitrogen-containing heterocyclic compound having equimolar or active hydrogen is added in excess. Specifically, the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is preferably used in an amount of 1 to 3 times mol, particularly 1 to 1.5 times mol of the compound represented by the general formula (4).
反応温度は0℃〜300℃で、10℃〜200℃が好ましい。反応時間は15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間である。
生成物は再結晶などの方法で精製して用いることが好ましい。
The reaction temperature is 0 ° C to 300 ° C, preferably 10 ° C to 200 ° C. The reaction time is 15 minutes to 100 hours, preferably 1 hour to 24 hours.
The product is preferably used after being purified by a method such as recrystallization.
スルホン化ポリアリーレンの重合
前記重合体を得るためはまず上記モノマー(A')、モノマー(C')および必要に応じてもモノマー(B')を共重合させ、前駆体を得る。
Polymerization of the sulfonated polyarylene In order to obtain the polymer, the monomer (A ′), the monomer (C ′) and, if necessary, the monomer (B ′) are first copolymerized to obtain a precursor.
この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(
以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)
、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。
This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst. The catalyst used at this time is a catalyst system containing a transition metal compound, and this catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. Compound(
Hereinafter, it is referred to as “ligand component”. ), Or transition metal complexes with ligands coordinated (including copper salts)
As well as (2) a reducing agent as an essential component, and in order to further increase the polymerization rate, a “salt” may be added.
これらの触媒成分の具体例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合
条件としては、特開2001−342241号公報に記載の化合物および条件を採用することができる。
As specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, reaction solvent, concentration, temperature, time, and other polymerization conditions, the compounds and conditions described in JP-A No. 2001-342241 can be employed.
たとえば、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好適に使用され、また、配位子となる化合物としては、トリフェニルホスフィン、トリ−o−トリルホスフ
ィン、トリ−m−トリルホスフィン、トリ−p−トリルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ−tert−ブチルホスフィン、トリオクチルホスフィン、2,2′−ビピリジンなどが好適に使用される。さらに、あらかじめ配位子が配位された遷移金属(塩)としては、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2′ビピリジン)が好適に使用される。還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウムなどを挙げることできるが、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。「塩」としては、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。反応には重合溶媒を使用してもよく、具体的には、テトラヒドロフラン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、1-メチル-2-ピロリドンなどが好適に使用される。
For example, as the transition metal salt, nickel chloride, nickel bromide and the like are preferably used, and as the compound serving as a ligand, triphenylphosphine, tri-o-tolylphosphine, tri-m-tolylphosphine, Tri-p-tolylphosphine, tributylphosphine, tri-tert-butylphosphine, trioctylphosphine, 2,2'-bipyridine and the like are preferably used. Furthermore, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2′bipyridine) are preferably used as the transition metal (salt) in which the ligand is coordinated in advance. Examples of the reducing agent include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, and calcium, and zinc, magnesium, and manganese are preferable. As the “salt”, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferable. A polymerization solvent may be used for the reaction, and specifically, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone and the like are preferably used.
触媒系における各成分の使用割合は、遷移金属塩または配位子が配位された遷移金属(塩)が、モノマーの総計1モルに対し、通常、0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。この範囲にあれば、触媒活性が高く、また分子量も高く重合することが可能である。触媒系に「塩」を使用する場合、その使用割合は、モノマーの総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。かかる範囲であれば、重合速度を上げる効果が充分となる。重合溶媒中におけるモノマーの総計の濃度は、通常、1〜90重量%、好ましくは5〜40重量%である。また、重合体を重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜100℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。 The proportion of each component used in the catalyst system is usually from 0.0001 to 10 mol, preferably from 0.0001 to 10 mol, based on 1 mol of the total amount of monomers of the transition metal salt or the transition metal (salt) coordinated with the ligand. 01-0.5 mol. If it exists in this range, it can polymerize with high catalyst activity and high molecular weight. When “salt” is used in the catalyst system, the amount used is generally 0.001 to 100 mol, preferably 0.01 to 1 mol, per 1 mol of the total amount of monomers. Within such a range, the effect of increasing the polymerization rate is sufficient. The total concentration of monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight. Moreover, the polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing a polymer is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-100 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
次いで、得られた重合体を加水分解して、構成単位中のスルホン酸エステル基(−SO3R)をスルホン酸基(−SO3H)に転換する。
加水分解は、(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記スルホン酸エステル基を有する重合体を投入し、5分間以上撹拌する方法、(2)トリフルオロ酢酸中で上記スルホン酸エステル基を有する重合体を80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法、(3)重合体中のスルホン酸エステル基(−SO3R)1モルに
対して1〜3倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドンなどの溶液中で上記スルホン酸エステル基を有する重合体を80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法などにより行うことができる。
Next, the obtained polymer is hydrolyzed to convert the sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in the structural unit into a sulfonic acid group (—SO 3 H).
Hydrolysis includes (1) a method in which the polymer having a sulfonic acid ester group is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid, and the mixture is stirred for 5 minutes or longer. A method in which a polymer having an acid ester group is reacted at a temperature of about 80 to 120 ° C. for about 5 to 10 hours, (3) 1 to 3 mol per mol of the sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in the polymer After the polymer having a sulfonic acid ester group is reacted at a temperature of about 80 to 150 ° C. for about 3 to 10 hours in a solution containing double moles of lithium bromide, such as N-methylpyrrolidone, hydrochloric acid is added. It can be performed by the method of doing.
(B法)
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法と同様に、上記一般式(A’)で表される骨格を有し、かつスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記モノマー(B')と、上記モノマー(C')を共重合させ、この重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。
(Method B)
For example, as in the method described in JP-A No. 2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the general formula (A ′) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group, and the monomer (B ′) and the monomer (C ′) can be copolymerized, and the polymer can be synthesized by sulfonation using a sulfonating agent.
B法において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241号公報、特開2002−293889号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。 As specific examples of the monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the above general formula (A) that can be used in Method B, JP-A-2001-342241, Mention may be made of the dihalides described in JP-A-2002-29389.
(C法)
一般式(A)において、Arが−O(CH2)hSO3Hまたは−O(CF2)hSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特開2005−606254号公報に
記載の方法と同様に、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーと、上記一般式(C)で表される構造単位となるモノマーを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(Method C)
In the general formula (A), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) h SO 3 H or —O (CF 2 ) h SO 3 H, for example, Similarly to the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-606254, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A), and a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (B), Alternatively, it can be synthesized by a method in which an oligomer and a monomer as a structural unit represented by the above general formula (C) are copolymerized, and then an alkylsulfonic acid or a fluorine-substituted alkylsulfonic acid is introduced.
(C法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーの具体的な例として、特開2005−36125号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。具体的には、2,5−ジクロロ−4’−ヒドロキシベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−4’−ヒドロキシベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−4’−ヒドロキシベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−2’,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−2’,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンをあげることができる。またこれらの化合物のヒドロキシル基をテトラヒドロピラニル基などで保護した化合物をあげることができる。またヒドロキシル基がチオール基にかわったもの、塩素原子が、臭素原子、ヨウ素原子におきかわったものもあげることができる。 Specific examples of precursor monomers that can be used in (Method C) and can be structural units represented by the above general formula (A) include dihalides described in JP-A-2005-36125. Can be mentioned. Specifically, 2,5-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,4-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,6-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,5-dichloro-2 ′, Examples thereof include 4′-dihydroxybenzophenone and 2,4-dichloro-2 ′, 4′-dihydroxybenzophenone. Moreover, the compound which protected the hydroxyl group of these compounds by the tetrahydropyranyl group etc. can be mention | raise | lifted. Further, those in which a hydroxyl group is replaced with a thiol group and those in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom can also be mentioned.
(C法)前駆体の重合体(スルホン酸基を有さない)に、特開2005-60625号公報
に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。例えば、前駆体の重合体のヒドロキシル基と、プロパンスルトン、ブタンスルトンなどを反応させることで導入することができる。
(Method C) A method of introducing an alkyl sulfonic acid group into a precursor polymer (having no sulfonic acid group) by the method described in JP-A-2005-60625. For example, it can be introduced by reacting the hydroxyl group of the precursor polymer with propane sultone, butane sultone, or the like.
アノード電極、カソード電極の少なくとも一方には、撥水剤が含まれていることが望ましい。
(撥水剤)
撥水剤は、水分をはじいて電極の耐水性を高めるものであり、撥水剤を含んでいると電極の撥水性および保水性が高くなり、低湿および高湿のいずれの条件においても良好な発電性能を得ることができる。 本発明で用いられる撥水剤としては、
(A)ポリフルオロアルキル基を含有する(メタ)アクリレート由来の構造単位を有する含フッ素共重合体(以下「含フッ素共重合体(a)」という。)、及び、
(B)フッ素含有オレフィン系単量体由来の下記一般式(5)で表される構造単位(以下「構造単位(5)」ともいう。)と、ビニルエーテル系単量体由来の下記一般式(6)で表される構造単位(以下「構造単位(6)」ともいう。)とを有する含フッ素共重合体(以下「含フッ素共重合体(b)」という。)からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。
It is desirable that at least one of the anode electrode and the cathode electrode contains a water repellent.
(Water repellent)
The water repellent enhances the water resistance of the electrode by repelling moisture. When the water repellent is included, the water repellency and water retention of the electrode are increased, and it is good in both low and high humidity conditions. Power generation performance can be obtained. As the water repellent used in the present invention,
(A) a fluorine-containing copolymer having a structural unit derived from (meth) acrylate containing a polyfluoroalkyl group (hereinafter referred to as “fluorine-containing copolymer (a)”), and
(B) A structural unit represented by the following general formula (5) derived from a fluorine-containing olefin monomer (hereinafter also referred to as “structural unit (5)”), and a general formula ( 6) selected from the group consisting of a fluorine-containing copolymer (hereinafter referred to as “fluorine-containing copolymer (b)”) having the structural unit (hereinafter also referred to as “structural unit (6)”). Contains at least one.
式(5)中、X1はフッ素原子、フルオロアルキル基または−OW1で表される基(W1
はアルキル基またはフルオロアルキル基を示す。)を示す。
In formula (5), X 1 is a fluorine atom, a fluoroalkyl group or a group represented by —OW 1 (W 1
Represents an alkyl group or a fluoroalkyl group. ).
式(6)中、X2は水素原子またはメチル基を示し、X3は−(CH2)hOW2で表され
る基(W2はアルキル基、ヒドロキシアルキル基、グリシジル基またはフルオロアルキル
基を示し、hは0〜2の整数を示す。)、−OCOW3で表される基(W3はアルキル基、ヒドロキシアルキル基またはグリシジル基を示す。)、カルボキシル基またはアルコキシカルボニル基を示す。
In Formula (6), X 2 represents a hydrogen atom or a methyl group, and X 3 represents a group represented by — (CH 2 ) h OW 2 (W 2 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group, a glycidyl group, or a fluoroalkyl group. H represents an integer of 0 to 2), a group represented by -OCOW 3 (W 3 represents an alkyl group, a hydroxyalkyl group or a glycidyl group), a carboxyl group or an alkoxycarbonyl group.
以下、上記含フッ素共重合体(a)および(b)について、より具体的に説明する。
<含フッ素共重合体(a)>
上記含フッ素共重合体(a)は、ポリフルオロアルキル基(以下「Rf基」と記す。)
を含有する(メタ)アクリレート由来の構造単位を有する。
Hereinafter, the fluorine-containing copolymers (a) and (b) will be described more specifically.
<Fluorine-containing copolymer (a)>
The fluorine-containing copolymer (a) is a polyfluoroalkyl group (hereinafter referred to as “R f group”).
Having a structural unit derived from (meth) acrylate.
ここで、Rf基は、アルキル基の水素原子の2個以上がフッ素原子に置換された基をい
う。Rf基の炭素数は1〜20が好ましく、特に4〜16が好ましい。Rf基は、直鎖構造または分岐構造のいずれでもよく、分岐構造である場合には、分岐部分がRf基の末端部
分に存在することが好ましい。Rf基の炭素原子の一部は、エーテル性の酸素原子または
チオエーテル性のイオウ原子に置換されていてもよい。さらにRf基は、フッ素原子以外
の他のハロゲン原子(例えば、塩素原子等)を含んでいてもよい。
Here, the R f group refers to a group in which two or more hydrogen atoms of an alkyl group are substituted with fluorine atoms. 1-20 are preferable and, as for carbon number of Rf group, 4-16 are especially preferable. The R f group may have either a linear structure or a branched structure, and in the case of a branched structure, it is preferable that the branched portion is present at the terminal portion of the R f group. A part of carbon atoms of the R f group may be substituted with an etheric oxygen atom or a thioetheric sulfur atom. Further, the R f group may contain a halogen atom other than a fluorine atom (for example, a chlorine atom).
また、Rf基は、電極への撥水性付与のしやすさの点で、アルキル基の水素原子の全て
がフッ素原子に置換されたパーフルオロアルキル基が好ましい。
上記含フッ素共重合体(a)は、Rf基含有(メタ)アクリレートから誘導される。か
かるRf基含有(メタ)アクリレートとしては、下記一般式(7)で表される化合物が好
ましい。
CH2=C(R)COO−Q−Rf ・・・(7)
式(7)中、Rは水素原子またはメチル基を示す。Qは2価の有機基を示し、好ましくはアルキレン基およびアルキレン基を含む2価の有機基であり、より好ましくはアルキレン基である。具体的には、−CH2CH2−、−CH(CH3)CH2−、−CH2CH2N(CH3)CO−、−CH2CH2N(CH3)SO2−、−CH(CH2Cl)CH2OCH2CH2N(CH3)SO2−などが好ましい。
In addition, the R f group is preferably a perfluoroalkyl group in which all of the hydrogen atoms of the alkyl group are substituted with fluorine atoms from the viewpoint of ease of imparting water repellency to the electrode.
The fluorine-containing copolymer (a) is derived from an R f group-containing (meth) acrylate. As the R f group-containing (meth) acrylate, a compound represented by the following general formula (7) is preferable.
CH 2 = C (R) COO-QR f (7)
In formula (7), R represents a hydrogen atom or a methyl group. Q represents a divalent organic group, preferably an alkylene group and a divalent organic group containing an alkylene group, and more preferably an alkylene group. Specifically, —CH 2 CH 2 —, —CH (CH 3 ) CH 2 —, —CH 2 CH 2 N (CH 3 ) CO—, —CH 2 CH 2 N (CH 3 ) SO 2 —, — CH (CH 2 Cl) CH 2 OCH 2 CH 2 N (CH 3 ) SO 2 — and the like are preferable.
Rfは、前述したようにパーフルオロアルキル基が好ましく、特にCnF2n+1−(nは4〜16、好ましくは6〜12の整数を示す。)で表される直鎖構造のパーフルオロアルキル基が好ましい。 As described above, R f is preferably a perfluoroalkyl group, and particularly a linear structure of perfluoroalkyl group represented by C n F 2n + 1 — (wherein n represents an integer of 4 to 16, preferably 6 to 12). A fluoroalkyl group is preferred.
上記式(7)で表されるRf基含有(メタ)アクリレートとしては、たとえば、
CH2=CRCOOCH2CH2Rf、
CH2=CRCOOCH(CH3)CH2Rf、
CH2=CRCOOCH2CH2N(CH3)CORf、
CH2=CRCOOCH2CH2N(C2H5)CORf、
CH2=CRCOOCH2CH2N(C3H7)CORf、
CH2=CRCOOCH2CH2N(CH3)SO2Rf、
CH2=CRCOOCH2CH2N(C2H5)SO2Rf、
CH2=CRCOOCH2CH2N(C3H7)SO2Rf、
CH2=CRCOOCH(CH2Cl)CH2OCH2CH2N(CH3)SO2Rf
などが挙げられるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
As the R f group-containing (meth) acrylate represented by the above formula (7), for example,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 R f ,
CH 2 = CRCOOCH (CH 3 ) CH 2 R f ,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (CH 3 ) COR f ,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (C 2 H 5 ) COR f ,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (C 3 H 7 ) COR f ,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (CH 3) SO 2 R f,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (C 2 H 5) SO 2 R f,
CH 2 = CRCOOCH 2 CH 2 N (C 3 H 7) SO 2 R f,
CH 2 = CRCOOCH (CH 2 Cl ) CH 2 OCH 2 CH 2 N (CH 3) SO 2 R f
However, the present invention is not limited to these.
上記Rf基含有(メタ)アクリレートは、1種単独で用いても、2種以上を併用しても
よい。また、Rf基の炭素数の異なる化合物を2種以上併用してもよい。
上記含フッ素共重合体(a)は、重合体中のフッ素含有量を調節する等の目的で、Rf
基含有(メタ)アクリレート以外の単量体(以下「その他の単量体」という。)に由来する重合単位を含有することが好ましい。
The R f group-containing (meth) acrylate may be used alone or in combination of two or more. Moreover, you may use together 2 or more types of compounds from which carbon number of Rf group differs.
The fluorine-containing copolymer (a), for the purpose of, for example, adjusting the fluorine content in the polymer, R f
It is preferable to contain a polymerization unit derived from a monomer other than the group-containing (meth) acrylate (hereinafter referred to as “other monomer”).
上記その他の単量体としては、ラジカル重合性の不飽和結合を有する単量体が好ましい。具体的には、塩化ビニル、ステアリル(メタ)アクリレート、エチレン、酢酸ビニル、フッ化ビニル、ハロゲン化ビニルスチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸アルキルエステル、ポリオキシアルキレン(メタ)アクリレート、(メタ)アクリルアミド、ジアセトン(メタ)アクリルアミド、N−メチロール(メタ)アクリルアミド、ビニルアルキルエーテル、ハロゲン化アルキルビニルエーテル、ビニルアルキルケトン、ブタジエン、イソプレン、クロロプレン、グリシジル(メタ)アクリレート、アジリジニル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、2−イソシアナトエチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、無水マレイン酸、ポリシロキサンを有する(メタ)アクリレート、N−ビニルカルバゾールなどが挙げられる。これらの中では、(撥水性向上の観点から)塩化ビニルおよびステアリル(メタ)アクリレートが特に好ましい。 As said other monomer, the monomer which has a radically polymerizable unsaturated bond is preferable. Specifically, vinyl chloride, stearyl (meth) acrylate, ethylene, vinyl acetate, vinyl fluoride, halogenated vinyl styrene, α-methyl styrene, p-methyl styrene, (meth) acrylic acid, alkyl (meth) acrylate Esters, polyoxyalkylene (meth) acrylates, (meth) acrylamides, diacetone (meth) acrylamides, N-methylol (meth) acrylamides, vinyl alkyl ethers, halogenated alkyl vinyl ethers, vinyl alkyl ketones, butadiene, isoprene, chloroprene, glycidyl ( (Meth) acrylate, aziridinyl (meth) acrylate, benzyl (meth) acrylate, 2-isocyanatoethyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl ( Data) acrylate, maleic anhydride, having a polysiloxane (meth) acrylate, etc. N- vinyl carbazole. Among these, vinyl chloride and stearyl (meth) acrylate are particularly preferable (from the viewpoint of improving water repellency).
上記含フッ素共重合体(a)における、Rf基含有(メタ)アクリレート由来の重合単
位は、該重合体(a)の25〜100%重量、好ましくは30〜85重量%の範囲で含有することが望ましい。Rf基含有(メタ)アクリレート由来の重合単位の含有量が上記範
囲内にあることにより、電極の撥水性および保水性のバランスに優れ、低湿および高湿のいずれの条件においても良好な発電性能を得ることができる。
The polymer unit derived from the R f group-containing (meth) acrylate in the fluorine-containing copolymer (a) is contained in the range of 25 to 100% by weight, preferably 30 to 85% by weight of the polymer (a). It is desirable. Since the content of the polymer unit derived from the R f group-containing (meth) acrylate is within the above range, the electrode has an excellent balance of water repellency and water retention, and good power generation performance under both low and high humidity conditions. Can be obtained.
上記含フッ素共重合体(a)は、上記Rf基含有(メタ)アクリレート及び必要に応じ
てその他の単量体を用いて、公知もしくは周知の重合方法や条件を適宜採用して製造することができる。
The fluorine-containing copolymer (a) is produced using the R f group-containing (meth) acrylate and, if necessary, other monomers, appropriately employing known or well-known polymerization methods and conditions. Can do.
重合方法としては、たとえば、塊状重合法、懸濁重合法、乳化重合法、溶液重合などが挙げられる。また、ラジカル重合反応に加えて、放射線重合反応、光重合反応などの重合反応によって製造することもできる。特に、ラジカル重合反応を用いた乳化重合法が好ましい。 Examples of the polymerization method include a bulk polymerization method, a suspension polymerization method, an emulsion polymerization method, and a solution polymerization. Moreover, in addition to radical polymerization reaction, it can also manufacture by polymerization reactions, such as a radiation polymerization reaction and a photopolymerization reaction. In particular, an emulsion polymerization method using a radical polymerization reaction is preferable.
乳化重合法を適用する場合には、単量体及び界面活性剤などを水の存在下で乳化させた後、撹拌して重合させる方法が好ましく採用される。また、ホモジナイザー等の乳化機を用いて、単量体、界面活性剤および水などを予め乳化した後、撹拌下に重合させる方法も好ましく採用される。 In the case of applying the emulsion polymerization method, a method in which a monomer, a surfactant and the like are emulsified in the presence of water and then polymerized by stirring is preferably employed. Further, a method in which a monomer, a surfactant, water and the like are preliminarily emulsified using an emulsifier such as a homogenizer and then polymerized with stirring is preferably employed.
重合開始剤としては、有機酸過酸化物、アゾ化合物、過硫酸塩等の各種の重合開始剤が好ましい。また、界面活性剤としては、陰イオン性、陽イオン性、両性またはノニオン性の各種界面活性剤を用いることができる。 As the polymerization initiator, various polymerization initiators such as organic acid peroxides, azo compounds and persulfates are preferable. In addition, as the surfactant, various anionic, cationic, amphoteric or nonionic surfactants can be used.
本発明で用いられる含フッ素共重合体(a)の数平均分子量(Mn)は、好ましくは1,000〜100,000、特に好ましくは10,000〜100,000である。含フッ素共重合体(a)のMnが上記範囲よりも低いと、電極への撥水性付与が困難となり、高湿条件において良好な発電性能を得ることが困難となる傾向にある。一方、含フッ素共重合体(a)のMnが上記範囲を超えると、電極ペーストの粘度が著しく上昇して電極の作製が困難となる傾向にある。 The number average molecular weight (Mn) of the fluorine-containing copolymer (a) used in the present invention is preferably 1,000 to 100,000, particularly preferably 10,000 to 100,000. If the Mn of the fluorinated copolymer (a) is lower than the above range, it becomes difficult to impart water repellency to the electrode, and it tends to be difficult to obtain good power generation performance under high humidity conditions. On the other hand, when Mn of the fluorinated copolymer (a) exceeds the above range, the viscosity of the electrode paste is remarkably increased, and it tends to be difficult to produce an electrode.
<含フッ素共重合体(b)>
上記含フッ素共重合体(b)は、上記構造単位(5)と上記構造単位(6)とを含み、
好ましくは水酸基を含有する単量体由来の構造単位(以下「水酸基含有構造単位」ともいう。)をさらに含む。
<Fluorine-containing copolymer (b)>
The fluorine-containing copolymer (b) includes the structural unit (5) and the structural unit (6),
Preferably, it further includes a structural unit derived from a monomer containing a hydroxyl group (hereinafter also referred to as “hydroxyl group-containing structural unit”).
上記構造単位(5)中のX1におけるフルオロアルキル基としては、たとえば、トリフ
ルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロシクロヘキシル基などの炭素数1〜6のフルオロアルキル基が挙げられる。W1におけるアルキル基としては、たとえば、メチル基、
エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基などの炭素数1〜6のアルキル基などが挙げられる。W1におけるフルオロアルキル基としては、X1におけるフルオロアルキル基と同様のものが挙げられる。
Examples of the fluoroalkyl group in X 1 in the structural unit (5) include a trifluoromethyl group, a perfluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluorohexyl group, and a perfluorocyclohexyl group. A C1-C6 fluoroalkyl group is mentioned. Examples of the alkyl group for W 1 include a methyl group,
C1-C6 alkyl groups, such as an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, etc. are mentioned. Examples of the fluoroalkyl group in W 1 include the same fluoroalkyl groups as in X 1 .
上記構造単位(6)中のX3におけるアルコキシカルボニル基としては、メトキシカル
ボニル基、エトキシカルボニル基などが挙げられる。上記構造単位(6)中のW2におけ
るフルオロアルキル基としては、上記構造単位(5)中のX1におけるフルオロアルキル
基と同様のものが挙げられる。上記構造単位(6)中のW2及びW3におけるアルキル基としては、たとえば、メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、ラウリル基などの炭素数1〜12のアルキル基が挙げられる。また、W2およびW3におけるヒドロキシアルキル基としては、たとえば、2−ヒドロキシエチル基、2−ヒドロキシプロピル基、3−ヒドロキシプロピル基、4−ヒドロキシブチル基、3−ヒドロキシブチル基、5−ヒドロキシペンチル基、6−ヒドロキシヘキシル基などが挙げられる。
Examples of the alkoxycarbonyl group for X 3 in the structural unit (6) include a methoxycarbonyl group and an ethoxycarbonyl group. Examples of the fluoroalkyl group for W 2 in the structural unit (6) include the same fluoroalkyl groups for X 1 in the structural unit (5). The alkyl group in W 2 and W 3 in the structural unit (6) in, for example, mentioned a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms such as lauryl group It is done. Examples of the hydroxyalkyl group in W 2 and W 3 include 2-hydroxyethyl group, 2-hydroxypropyl group, 3-hydroxypropyl group, 4-hydroxybutyl group, 3-hydroxybutyl group, and 5-hydroxypentyl. Group, 6-hydroxyhexyl group and the like.
上記構造単位(5)となりうるフッ素含有オレフィン系単量体としては、少なくとも1個の重合性の不飽和二重結合基と、少なくとも1個のフッ素原子を有する化合物を挙げることができる。具体的には、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、3,3,3−トリフルオロプロピレン等のフルオロオレフィン類;
一般式 CF2=CF−O−W1(W1は前記と同様である。)で表されるアルキルパーフルオロビニルエーテルもしくはフルオロアルキルパーフルオロビニルエーテル類;
パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)、パーフルオロ(ブチルビニルエーテル)、パーフルオロ(イソブチルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)類;パーフルオロ(プロポキシプロピルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)類などを挙げることができる。
Examples of the fluorine-containing olefin monomer that can be the structural unit (5) include compounds having at least one polymerizable unsaturated double bond group and at least one fluorine atom. Specifically, fluoroolefins such as tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and 3,3,3-trifluoropropylene;
Alkyl perfluorovinyl ethers or fluoroalkyl perfluorovinyl ethers represented by the general formula CF 2 ═CF—O—W 1 (W 1 is as defined above);
Perfluoro (alkyl vinyl ether) s such as perfluoro (methyl vinyl ether), perfluoro (ethyl vinyl ether), perfluoro (propyl vinyl ether), perfluoro (butyl vinyl ether), perfluoro (isobutyl vinyl ether); perfluoro (propoxypropyl vinyl ether) Perfluoro (alkoxyalkyl vinyl ethers) such as
上記フッ素含有オレフィン系単量体は1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。上記フッ素含有オレフィン系単量体の中では、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルパーフルオロビニルエーテル及びパーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)が好ましく、これらを組み合わせて使用することがより好ましい。 The said fluorine-containing olefin type monomer may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together. Among the fluorine-containing olefin monomers, hexafluoropropylene, perfluoroalkyl perfluorovinyl ether and perfluoro (alkoxyalkyl vinyl ether) are preferable, and it is more preferable to use these in combination.
上記含フッ素共重合体(b)における構造単位(5)の含有量は、20〜70モル%、好ましくは25〜60モル%、さらに好ましくは30〜55モル%である。構造単位(5)の含有量が上記範囲よりも低いと、電極の排水性が劣る傾向にあるため、高湿条件にて良好な発電性能が得られない場合がある。一方、上記範囲を超えると、得られる含フッ素共重合体(b)の有機溶剤への溶解性が著しく低下し、均一な電極ペーストの作製が困難となる場合がある。 Content of the structural unit (5) in the said fluorine-containing copolymer (b) is 20-70 mol%, Preferably it is 25-60 mol%, More preferably, it is 30-55 mol%. If the content of the structural unit (5) is lower than the above range, the drainage property of the electrode tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions. On the other hand, when the above range is exceeded, the solubility of the resulting fluorine-containing copolymer (b) in an organic solvent is remarkably lowered, and it may be difficult to produce a uniform electrode paste.
上記構造単位(6)となりうるビニルエーテル系単量体としては、たとえば、
メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、tert−ブチルビニルエーテル、n−ペンチルビニルエーテル、n−ヘキシルビニルエーテル、n−オクチルビニルエーテル、n−ドデシルビニルエーテル、2−エチルヘキシルビニル
エーテル、シクロヘキシルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテルもしくはシクロアルキルビニルエーテル類;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル、カプロン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ステアリン酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル類;メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル(メタ)アクリレート、2−(n−プロポキシ)エチル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル類;(メタ)アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等のカルボキシル基含有化合物などを挙げることができる。
As a vinyl ether monomer that can be the structural unit (6), for example,
Methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, n-propyl vinyl ether, isopropyl vinyl ether, n-butyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, tert-butyl vinyl ether, n-pentyl vinyl ether, n-hexyl vinyl ether, n-octyl vinyl ether, n-dodecyl vinyl ether, 2-ethylhexyl Alkyl vinyl ethers or cycloalkyl vinyl ethers such as vinyl ether and cyclohexyl vinyl ether; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, vinyl caproate, vinyl versatate, vinyl stearate, etc .; methyl (meta ) Acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, (Meth) acrylic acid esters such as butyl (meth) acrylate, 2-methoxyethyl (meth) acrylate, 2-ethoxyethyl (meth) acrylate, 2- (n-propoxy) ethyl (meth) acrylate; (meth) acrylic Examples thereof include carboxyl group-containing compounds such as acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, and itaconic acid.
上記含フッ素共重合体(b)における構造単位(6)の含有量は、5〜70モル%、好ましくは10〜60モル%、さらに好ましくは20〜50モル%である。構造単位(6)の含有量が上記範囲よりも低いと、電極中の保水性が劣る傾向にあるため、低湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。一方、上記範囲を超えると、電極の排水性が劣る傾向にあるため、高湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。 Content of the structural unit (6) in the said fluorine-containing copolymer (b) is 5-70 mol%, Preferably it is 10-60 mol%, More preferably, it is 20-50 mol%. When the content of the structural unit (6) is lower than the above range, the water retention in the electrode tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under low humidity conditions. On the other hand, if the above range is exceeded, the drainage property of the electrode tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions.
上記水酸基含有構造単位となりうる水酸基を含有する単量体としては、たとえば、2−ヒドロキシエチルビニルエーテル、3−ヒドロキシプロピルビニルエーテル、2−ヒドロキシプロピルビニルエーテル、4−ヒドロキシブチルビニルエーテル、3−ヒドロキシブチルビニルエーテル、5−ヒドロキシペンチルビニルエーテル、6−ヒドロキシヘキシルビニルエーテル等の水酸基含有ビニルエーテル類;2−ヒドロキシエチルアリルエーテル、4−ヒドロキシブチルアリルエーテル、グリセロールモノアリルエーテル等の水酸基含有アリルエーテル類;アリルアルコール;ヒドロキシエチル(メタ)アクリル酸エステルなどを挙げることができる。これらの化合物は、1種単独で用いても、2種類以上を併用してもよい。 Examples of the monomer containing a hydroxyl group that can be a hydroxyl group-containing structural unit include 2-hydroxyethyl vinyl ether, 3-hydroxypropyl vinyl ether, 2-hydroxypropyl vinyl ether, 4-hydroxybutyl vinyl ether, 3-hydroxybutyl vinyl ether, 5 Hydroxyl group-containing vinyl ethers such as hydroxypentyl vinyl ether and 6-hydroxyhexyl vinyl ether; hydroxyl group-containing allyl ethers such as 2-hydroxyethyl allyl ether, 4-hydroxybutyl allyl ether and glycerol monoallyl ether; allyl alcohol; ) Acrylic acid ester and the like. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
上記含フッ素共重合体(b)中の水酸基含有構造単位の含有量は、5〜70モル%、好ましくは10〜60モル%、さらに好ましくは20〜50モル%である。水酸基含有構造単位の含有量が上記範囲よりも低いと、電極中の保水性が劣る傾向にあるため、低湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。一方、上記範囲を超えると、電極の排水性が劣る傾向にあるため、高湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。 Content of the hydroxyl-containing structural unit in the said fluorine-containing copolymer (b) is 5-70 mol%, Preferably it is 10-60 mol%, More preferably, it is 20-50 mol%. When the content of the hydroxyl group-containing structural unit is lower than the above range, the water retention in the electrode tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under low humidity conditions. On the other hand, if the above range is exceeded, the drainage property of the electrode tends to be inferior, and thus good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions.
上記含フッ素共重合体(b)の製造に際して、上記水酸基を含有する単量体を用いる場合、重合反応における収率を高める観点から、上記ビニルエーテル系単量体として、アルキルビニルエーテル類、シクロアルキルビニルエーテル類、カルボン酸ビニルエステル類またはカルボキシル基含有化合物を用いることが好ましい。特に、含フッ素共重合体(B)中に共重合されるフッ素含量を高める観点から、たとえば、メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等の低分子量単量体が好ましい。 In the production of the fluorine-containing copolymer (b), when the monomer containing the hydroxyl group is used, from the viewpoint of increasing the yield in the polymerization reaction, the vinyl ether monomers are alkyl vinyl ethers, cycloalkyl vinyl ethers. It is preferable to use carboxylic acid vinyl esters or carboxyl group-containing compounds. In particular, from the viewpoint of increasing the fluorine content copolymerized in the fluorine-containing copolymer (B), for example, methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, n-propyl vinyl ether, isopropyl vinyl ether, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, pivalin. Low molecular weight monomers such as vinyl acid are preferred.
上記含フッ素共重合体(b)中のフッ素含量は、30〜70重量%、好ましくは40〜60重量%である。フッ素含量が上記範囲より低いと、電極の撥水性が低下し、高湿条件において良好な発電性能が得られない場合があり、一方、フッ素含量が上記範囲を超えると、電極の保水性が低下し、低湿条件において良好な発電性能が得られない場合がある。なお、上記フッ素含量は、フッ素原子の重量をアリザリコンプレクソン法で測定したものである。 The fluorine content in the fluorine-containing copolymer (b) is 30 to 70% by weight, preferably 40 to 60% by weight. If the fluorine content is lower than the above range, the water repellency of the electrode may decrease, and good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions. On the other hand, if the fluorine content exceeds the above range, the water retention of the electrode will decrease. However, good power generation performance may not be obtained under low humidity conditions. In addition, the said fluorine content measures the weight of a fluorine atom by the Alizari complexone method.
上記含フッ素共重合体(b)のMnは、テトラヒドロフラン(THF)を溶剤としてゲルパーミエーションクロマトグラフィティー(GPC)で測定したポリスチレン換算の値
で、5,000〜500,000、好ましくは10,000〜300,000、更に好ましくは10,000〜100,000である。Mnが上記範囲より小さいと電極の撥水性が低下し、高湿条件において良好な発電性能が得られない場合があり、一方、上記範囲を超えると電極ペーストの粘度が高くなり、電極の作製が困難となる場合がある。
Mn of the fluorine-containing copolymer (b) is a value in terms of polystyrene measured by gel permeation chromatography (GPC) using tetrahydrofuran (THF) as a solvent, and is 5,000 to 500,000, preferably 10,000. To 300,000, more preferably 10,000 to 100,000. If Mn is smaller than the above range, the water repellency of the electrode may be reduced, and good power generation performance may not be obtained under high humidity conditions. It can be difficult.
上記含フッ素共重合体(b)を製造する重合様式としては、ラジカル重合開始剤の存在下、乳化、懸濁、塊状または溶液重合法のいずれでもよく、回分式、半連続式または連続式の操作を適宜選択できる。ラジカル重合開始剤としては、アゾ基含有ポリシロキサンを使用できるが、他のラジカル開始剤も併用することもできる。 The polymerization mode for producing the fluorine-containing copolymer (b) may be any of emulsion, suspension, bulk or solution polymerization in the presence of a radical polymerization initiator, and may be batch, semi-continuous or continuous. The operation can be selected as appropriate. As the radical polymerization initiator, azo group-containing polysiloxane can be used, but other radical initiators can also be used in combination.
前記併用することができる他のラジカル重合開始剤としては、たとえば、
アセチルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド等のジアシルパーオキサイド類;メチルエチルケトンパーオキサイド、シクロヘキサノンパーオキサイド等のケトンパーオキサイド類;過酸化水素、tert-ブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキ
サイド等のハイドロパーオキサイド類;ジ−tert-ブチルパーオキサイド、ジクミルパー
オキサイド、ジラウロイルパーオキサイド等のジアルキルパーオキサイド類;tert-ブチ
ルパーオキシアセテート、tert-ブチルパーオキシピバレート等のパーオキシエステル類
;アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスイソバレロニトリル等のアゾ系化合物;過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム等の過硫酸塩;パーフルオロエチルアイオダイド、パーフルオロプロピルアイオダイド、パーフルオロブチルアイオダイド、(パーフルオロブチル)エチルアイオダイド、パーフルオロヘキシルアイオダイド、2−(パーフルオロヘキシル)エチルアイオダイド、パーフルオロヘプチルアイオダイド、パーフルオロオクチルアイオダイド、2−(パーフルオロオクチル)エチルアイオダイド、パーフルオロデシルアイオダイド、2−(パーフルオロデシル)エチルアイオダイド、ヘプタフルオロ−2−ヨードプロパン、パーフルオロ−3−メチルブチルアイオダイド、パーフルオロ−5−メチルヘキシルアイオダイド、2−(パーフルオロ−5−メチルヘキシル)エチルアイオダイド、パーフルオロ−7−メチルオクチルアイオダイド、2−(パーフルオロ−7−メチルオクチル)エチルアイオダイド、パーフルオロ−9−メチルデシルアイオダイド、2−(パーフルオロ−9−メチルデシル)エチルアイオダイド、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルアイオダイド、1H,H,5H−オクタフルオロペンチルアイオダイド、1H,1H,7H−ドデカフルオロヘプチルアイオダイド、テトラフルオロ−1,2−ジヨードエタン、オクタフルオロ−1,4−ジヨードブタン、ドデカフルオロ−1,6−ジヨードヘキサン等のヨウ素含有フッ素化合物などを挙げることができる。
Examples of other radical polymerization initiators that can be used in combination include:
Diacyl peroxides such as acetyl peroxide and benzoyl peroxide; ketone peroxides such as methyl ethyl ketone peroxide and cyclohexanone peroxide; hydroperoxides such as hydrogen peroxide, tert-butyl hydroperoxide and cumene hydroperoxide; Dialkyl peroxides such as di-tert-butyl peroxide, dicumyl peroxide and dilauroyl peroxide; peroxy esters such as tert-butyl peroxyacetate and tert-butyl peroxypivalate; azobisisobutyro Azo compounds such as nitrile and azobisisovaleronitrile; persulfates such as ammonium persulfate, sodium persulfate and potassium persulfate; perfluoroethyl iodide, perfluoropropyl eye Dide, perfluorobutyl iodide, (perfluorobutyl) ethyl iodide, perfluorohexyl iodide, 2- (perfluorohexyl) ethyl iodide, perfluoroheptyl iodide, perfluorooctyl iodide, 2- (per Fluorooctyl) ethyl iodide, perfluorodecyl iodide, 2- (perfluorodecyl) ethyl iodide, heptafluoro-2-iodopropane, perfluoro-3-methylbutyl iodide, perfluoro-5-methylhexylio Dye, 2- (perfluoro-5-methylhexyl) ethyl iodide, perfluoro-7-methyloctyl iodide, 2- (perfluoro-7-methyloctyl) ethyl iodide, perfluoro-9 -Methyldecyl iodide, 2- (perfluoro-9-methyldecyl) ethyl iodide, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl iodide, 1H, H, 5H-octafluoropentyl iodide, 1H, 1H, Examples thereof include iodine-containing fluorine compounds such as 7H-dodecafluoroheptyl iodide, tetrafluoro-1,2-diiodoethane, octafluoro-1,4-diiodobutane and dodecafluoro-1,6-diiodohexane.
また、上記ラジカル重合開始剤には、必要に応じて亜硫酸水素ナトリウム、ピロ亜硫酸ナトリウム等の無機還元剤、ナフテン酸コバルト、ジメチルアニリン等の有機還元剤を併用することができる。 In addition, the radical polymerization initiator may be used in combination with an inorganic reducing agent such as sodium hydrogen sulfite and sodium pyrosulfite, and an organic reducing agent such as cobalt naphthenate and dimethylaniline as necessary.
上記含フッ素共重合体(b)の製造は、溶剤を用いた溶剤系で重合させることが好ましい。前記溶剤としては、たとえば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソプロピル、酢酸イソブチル、酢酸セロソルブ等のエステル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;テトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド類;トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類などが挙げられ、これらに必要に応じてアルコール類、脂肪族炭化水素類などを混合して使用することもできる。 The production of the fluorinated copolymer (b) is preferably carried out in a solvent system using a solvent. Examples of the solvent include esters such as ethyl acetate, butyl acetate, isopropyl acetate, isobutyl acetate, and cellosolve; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone; cyclic ethers such as tetrahydrofuran and dioxane; N Amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide; aromatic hydrocarbons such as toluene and xylene, etc., and alcohols and aliphatic hydrocarbons may be mixed as necessary. Can also be used.
形成された電極中の上記触媒粒子は20〜90重量%、好ましくは40〜85重量%の割合で含有され、上記高分子電解質は、5〜60重量%、好ましくは10〜50重量%の割合で含有される。また、必要に応じて用いられる撥水剤は、電極中に0〜20重量%、好ましくは1〜10重量%の割合で含有され、分散剤は0〜10重量%、好ましくは0〜
3重量%の割合で含有され、炭素繊維は0〜20重量%、好ましくは1〜10重量%の割合で含有されることが望ましい(なお、これらの合計を100重量%とする)。
The catalyst particles in the formed electrode are contained in a proportion of 20 to 90% by weight, preferably 40 to 85% by weight, and the polymer electrolyte is a proportion of 5 to 60% by weight, preferably 10 to 50% by weight. Contained. Moreover, the water repellent used as needed is contained in the electrode in a proportion of 0 to 20 wt%, preferably 1 to 10 wt%, and the dispersant is 0 to 10 wt%, preferably 0 to 0 wt%.
It is desirable that the carbon fiber is contained in a proportion of 3% by weight, and the carbon fiber is contained in a proportion of 0 to 20% by weight, preferably 1 to 10% by weight (the total of these is 100% by weight).
触媒粒子の割合が、上記範囲よりも低いと、電極反応率が低下することがあり、上記範囲を超えると、プロトン伝導性効率が低下する恐れがあるとともに、電極中に発電性能に十分な細孔容積を確保できない傾向にある。高分子電解質の割合が、上記範囲よりも低いと、プロトン伝導度が低下する傾向にあるとともに、バインダーとしての役割を果たせなくなり電極を形成できないことがあり、一方、上記範囲を超えると、電極中の細孔容積が減少する傾向にある。撥水剤の割合が上記範囲内にあると、電極中の湿潤状態を適切に維持でき、発電出力が向上する。 If the ratio of the catalyst particles is lower than the above range, the electrode reaction rate may decrease, and if it exceeds the above range, the proton conductivity efficiency may decrease, and the power generation performance in the electrode is sufficiently low. There is a tendency that the pore volume cannot be secured. If the ratio of the polymer electrolyte is lower than the above range, the proton conductivity tends to decrease, and the electrode may not be formed because it cannot function as a binder. The pore volume tends to decrease. When the ratio of the water repellent is within the above range, the wet state in the electrode can be appropriately maintained, and the power generation output is improved.
分散剤の割合が上記範囲内にあると、保存安定性に優れた電極ペーストが得られるとともに、分散性に優れた電極が得られる。炭素繊維が上記範囲内にあると、細孔容積が適度に確保され、排水性が良好になり発電出力が向上する。
(iii)有機溶剤および水
前記電極ペーストの調製には通常、有機溶剤が使用される。有機溶剤としては、特に限定されることはないが、好ましくは、沸点(b.p.)が75〜250℃、かつ-O-、-OH、-CO-、-SO-、-SO2-、-COO-、-CONR-(Rは、水素原子、炭化水素基)からなる基を少なくと
も1種類以上有する有機溶剤を用いることができる。
When the proportion of the dispersant is within the above range, an electrode paste excellent in storage stability can be obtained and an electrode excellent in dispersibility can be obtained. When the carbon fiber is within the above range, the pore volume is appropriately secured, the drainage is good, and the power generation output is improved.
(Iii) Organic solvent and water An organic solvent is usually used for the preparation of the electrode paste. The organic solvent is not particularly limited, but preferably has a boiling point (b.p.) of 75 to 250 ° C., and —O—, —OH, —CO—, —SO—, —SO 2 —. , —COO—, —CONR— (wherein R is a hydrogen atom, a hydrocarbon group), an organic solvent having at least one kind of group can be used.
上記有機溶剤の沸点が上記範囲未満であると、電極ペーストの乾燥性が速く、ダイのノズルが詰まり易い等の現象により、塗工時の生産性が低下することがあり、一方、上記有機溶媒の沸点が上記範囲を越えると、溶媒の除去が困難となり、電極中の細孔が閉塞し、発電性能が低下することがある。 If the boiling point of the organic solvent is less than the above range, the productivity of the coating may decrease due to the phenomenon that the drying property of the electrode paste is fast and the nozzle of the die is easily clogged. If the boiling point exceeds the above range, removal of the solvent becomes difficult, pores in the electrode are blocked, and power generation performance may be reduced.
上記有機溶剤の具体例としては、エタノール(b.p.78.3℃)、n−プロピルアルコール(b.p.97℃)、2−プロパノール(b.p.82.4℃)、2−メチル−2−プロパノール(b.p.82.5℃)、2−ブタノール(b.p.99.5℃)、n−ブチルアルコール(b.p.117℃)、2−メチル−1−プロパノール(b.p.108℃)、1−ペンタノール(b.p.138℃)、2−ペンタノール(b.p.119℃)、3−ペンタノール(b.p.115℃)、2−メチル−1−ブタノール(b.p.129℃)、3−メチル−1−ブタノール(b.p.131℃)、2−メチル−2−ブタノール(b.p.102℃)、3−メチル−2−ブタノール(b.p.112℃)、2,2−ジメチル1−プロパノール
(b.p.113℃)、シクロヘキサノール(b.p.161℃)、1−ヘキサノール(b.
p.157℃)、2−メチル−1−ペンタノール(b.p.148℃)、2−メチル−2−
ペンタノール(b.p.121℃)、4−メチル−2−ペンタノール(b.p.132℃)、2−エチル−1−ブタノール(b.p.147℃)、1−メチルシクロヘキサノール(b.
p.156)、2−メチルシクロヘキサノール(b.p.168℃)、3−メチルシクロヘ
キサノール(b.p.168℃)、4−メチルシクロヘキサノール(b.p.171℃)、1−オクタノール(bp.195℃)、2−オクタノール(b.p.180℃)、2−エチル−1−ヘキサノール(b.p.184℃)、ジオキサン(b.p.101℃)、ブチルエーテル(b.p.140℃)、フェニルエーテル(b.p.187℃)、イソペンチルエーテル(b.p.173℃)、1,2−ジメトキシエタン(b.p.85.2℃)、ジエトキシエタン(b.p.102℃)、ビス(2−メトキシエチル)エーテル(b.p.160℃)、ビス(2−エトキシエチル)エーテル(b.p.189℃)、シネオール(b.p.176℃)、ベンジルエチルエーテル(b.p.185℃)、アニソール(b.p.154℃)、フェネトール(b.p.170℃)、アセタール(b.p.104℃)、メチルエチルケトン(b.p.79.6℃)、2−ペンタノン(b.p.102℃)、3−ペンタノン(b.p.102℃)、シクロペンタノン(b.p.131℃)、シクロヘキサノン(b.p.156℃)、2−ヘキサノン(b.p.128℃)、4−メチル−2−ペンタノン(b.p.117℃、)、2−ヘ
プタノン(b.p.151℃)、2,4−ジメチル−3−ペンタノン(b.p.125℃)、
2−オクタノン(b.p.173℃)、γーブチロラクトン(b.p.204℃)、酢酸−n−ブチル(b.p.126℃)、酢酸イソブチル(b.p.126℃)、酢酸sec-ブチル(b.p.112℃)、酢酸ペンチル(b.p.150℃)、酢酸イソペンチル(b.p.142℃)、3−メトキシブチルアセタート(b.p.173℃)、酪酸メチル(b.p.102℃)、酪酸エチル(b.p.121℃)、乳酸メチル(b.p.145℃)、乳酸エチル(b.p.155℃)、乳酸ブチル(b.p.185℃)、2−メトキシエタノール(b.p.125℃)、2−エトキシエタノール(b.p.136℃)、2−(メトキシメトキシ)エタノール(b.p.168℃)、2−イソプロポキシエタノール(b.p.142℃)、1−メトキシ−2−プロパノール(b.p.120℃)、1−エトキシ−2−プロパノール(b.p.132℃)、ジメチルスルホキシド(b.p.189℃)、N−メチルホルムアミド(b.p.185℃)、N,N−ジメチルホルムアミド(b.p.153℃)、N,N−ジエチルホルムアミド(b.p.178℃)、N,N−ジメチルアセトアミド(b.p.166℃)、N−メチ
ル−2−ピロリドン(b.p.202℃)、テトラメチル尿素(b.p.177.5℃)などを挙げることができ、これらは1種類以上を組み合わせて用いることもできる。
Specific examples of the organic solvent include ethanol (bp 78.3 ° C), n-propyl alcohol (bp 97 ° C), 2-propanol (bp 82.4 ° C), 2- Methyl-2-propanol (bp 82.5 ° C.), 2-butanol (bp 99.5 ° C.), n-butyl alcohol (bp 117 ° C.), 2-methyl-1-propanol (Bp 108 ° C), 1-pentanol (bp 138 ° C), 2-pentanol (bp 119 ° C), 3-pentanol (bp 115 ° C), 2- Methyl-1-butanol (bp 129 ° C.), 3-methyl-1-butanol (bp 131 ° C.), 2-methyl-2-butanol (bp 102 ° C.), 3-methyl- 2-butanol (bp 112 ° C), 2,2-dimethyl 1-propanol (bp 113 ° C), cyclohexanol ( b.p. 161 ° C.), 1-hexanol (b.
p.157 ° C.), 2-methyl-1-pentanol (bp 148 ° C.), 2-methyl-2-
Pentanol (bp 121 ° C), 4-methyl-2-pentanol (bp 132 ° C), 2-ethyl-1-butanol (bp 147 ° C), 1-methylcyclohexanol ( b.
156), 2-methylcyclohexanol (bp 168 ° C), 3-methylcyclohexanol (bp 168 ° C), 4-methylcyclohexanol (bp 171 ° C), 1-octanol (Bp. 195 ° C), 2-octanol (bp 180 ° C), 2-ethyl-1-hexanol (bp 184 ° C), dioxane (bp 101 ° C), butyl ether (bp 140 ° C), phenyl ether (bp 187 ° C), isopentyl ether (bp 173 ° C), 1,2-dimethoxyethane (bp 85.2 ° C), diethoxyethane (b p.102 ° C), bis (2-methoxyethyl) ether (bp 160 ° C), bis (2-ethoxyethyl) ether (bp 189 ° C), cineol (bp 176 ° C) , Benzyl ethyl ether (bp 185 ° C.) , Anisole (bp 154 ° C), phenetole (bp 170 ° C), acetal (bp 104 ° C), methyl ethyl ketone (bp 79.6 ° C), 2-pentanone (bp .102 ° C.), 3-pentanone (bp 102 ° C.), cyclopentanone (bp 131 ° C.), cyclohexanone (bp 156 ° C.), 2-hexanone (bp 128 ° C.) 4-methyl-2-pentanone (bp 117 ° C.), 2-heptanone (bp 151 ° C.), 2,4-dimethyl-3-pentanone (bp 125 ° C.),
2-octanone (bp 173 ° C.), γ-butyrolactone (bp 204 ° C.), n-butyl acetate (bp 126 ° C.), isobutyl acetate (bp 126 ° C.), acetic acid sec-butyl (bp 112 ° C), pentyl acetate (bp 150 ° C), isopentyl acetate (bp 142 ° C), 3-methoxybutyl acetate (bp 173 ° C), butyric acid Methyl (bp 102 ° C), ethyl butyrate (bp 121 ° C), methyl lactate (bp 145 ° C), ethyl lactate (bp 155 ° C), butyl lactate (bp 185 ° C), 2-methoxyethanol (bp 125 ° C), 2-ethoxyethanol (bp 136 ° C), 2- (methoxymethoxy) ethanol (bp 168 ° C), 2-isopropoxy Ethanol (bp 142 ° C), 1-methoxy-2-propanol (bp 120 ° C), 1 Ethoxy-2-propanol (bp 132 ° C), dimethyl sulfoxide (bp 189 ° C), N-methylformamide (bp 185 ° C), N, N-dimethylformamide (bp 153) ), N, N-diethylformamide (bp 178 ° C.), N, N-dimethylacetamide (bp 166 ° C.), N-methyl-2-pyrrolidone (bp 202 ° C.), tetra Examples include methylurea (bp 177.5 ° C.), and these can be used in combination of one or more.
上記電極ペーストは、必要に応じて水を含んでいてもよい。水としては、蒸留水、イオン交換水等を挙げることができる。水の添加により、電極ペースト調製時の発熱を低減する効果がある。 The electrode paste may contain water as necessary. Examples of water include distilled water and ion exchange water. The addition of water has the effect of reducing heat generation during electrode paste preparation.
また、前記有機溶媒および水の除去は、乾燥温度20℃〜180℃、好ましくは50℃〜160℃、乾燥時間5分〜600分、好ましくは30分〜400分で行う。必要に応じて、水浸漬により除去することもできる。水浸漬温度5℃〜120℃、好ましくは15℃〜95℃、水浸漬時間は1分〜72時間、好ましくは5分〜48時間である。 The organic solvent and water are removed at a drying temperature of 20 ° C. to 180 ° C., preferably 50 ° C. to 160 ° C., and a drying time of 5 minutes to 600 minutes, preferably 30 minutes to 400 minutes. If necessary, it can be removed by immersion in water. The water immersion temperature is 5 ° C to 120 ° C, preferably 15 ° C to 95 ° C, and the water immersion time is 1 minute to 72 hours, preferably 5 minutes to 48 hours.
有機溶媒の使用量は、該ペースト全体を100重量%とした場合に、5〜95重量%、好ましくは15〜90重量%であり、必要に応じて用いられる水の使用量は、0〜70重量%、好ましくは2〜30重量%である。 The amount of the organic solvent used is 5 to 95% by weight, preferably 15 to 90% by weight, based on 100% by weight of the entire paste. The amount of water used as necessary is 0 to 70%. % By weight, preferably 2 to 30% by weight.
有機溶媒の使用量が上記範囲内にあると、組成物がペースト状となりハンドリングに好適である。水の使用量が上記範囲内にあると、電極ペースト調製時の発熱を効率的に低減できる。
(iv)分散剤
電極ペーストには、さらに任意で分散剤が含まれていてもよい。
When the amount of the organic solvent used is within the above range, the composition becomes a paste and is suitable for handling. When the amount of water used is within the above range, heat generation during electrode paste preparation can be efficiently reduced.
(Iv) Dispersant The electrode paste may further optionally contain a dispersant.
分散剤は、電極ペーストの分散性、保存安定性および流動性を向上させるために添加され、これによって電極形成時のペースト塗工に際し、生産性が向上する。
上記分散剤としては、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成燐酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、αーオレフィンスルホン酸塩、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等のアニオン界面活性剤、
ベンジルジメチル{2−[2−(P−1,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキ
シ)エトオキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラ
デシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル-2-牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、
ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物等のカチオン界面活性剤、およびジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ωーフルオロアクカノイルーN−エチルアミノ]ー1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]ーN,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベタイン等の両性界面活性剤、およびヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、
ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステル、等の非イオン界面活性剤、およびラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン等の両性界面活性剤などを挙げることができ、これらは1種類以上を組み合わせて用いることもでき、好ましくは、塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性もしくは、カチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは、分子量5千〜3万の界面活性剤である。
The dispersant is added to improve the dispersibility, storage stability, and fluidity of the electrode paste, thereby improving the productivity when applying the paste during electrode formation.
Examples of the dispersant include oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, amine of special modified polyether ester acid Salts, amine salts of higher fatty acid derivatives, amine salts of specially modified polyester acids, amine salts of high molecular weight polyetherester acids, amine salts of specially modified phosphoric acid esters, high molecular weight polyester acid amidoamine salts, amidoamine salts of special fatty acid derivatives, higher Fatty acid alkylamine salts, high molecular weight polycarboxylic acid amidoamine salts, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate sodium lauryl sulfate, sodium cetyl sulfate Salt, sodium stearyl sulfate, sodium oleyl sulfate, lauryl ether sulfate, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, higher alcohol phosphate monoester disodium salt, higher Anionic surfactants such as alcohol phosphate diester disodium salt, zinc dialkyldithiophosphate,
Benzyldimethyl {2- [2- (P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, beef tallow trimethyl Ammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, palm trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, palm dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1 -Hydroxyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2 Hepta de Seni Lou hydroxyethyl imidazoline,
Stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkyl amine ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, perfluoroalkyl Cationic surfactants such as quaternary ammonium iodide, and dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine , Lecithin, 3- [ω-fluoroaccanoyl-N-ethylamino] -1-sodium propanesulfonate, N- [3- (par (Luorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethylene ammonium betaine and other amphoteric surfactants, and coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type) , Bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol coconut amine, polyethylene Glycol stearylamine, polyethylene glycol tallowamine,
Polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleyl amine, dimethyl lauryl amine oxide, dimethyl stearyl amine oxide, dihydroxyethyl lauryl amine oxide, perfluoroalkyl amine oxide, polyvinyl pyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid Nonionic surfactants such as ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid ester of pentaerythritol, fatty acid ester of sorbit, fatty acid ester of sorbitan, fatty acid ester of sugar, and laurylamino Sodium propionate, stearyl dimethyl betaine, Amphoteric surfactants such as rildihydroxyethylbetaine can be mentioned, and these can be used in combination of one or more, preferably a surfactant having a basic group, more preferably anionic or A cationic surfactant, and more preferably a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000.
(v)炭素繊維
さらに、電極ペーストは、必要に応じて炭素繊維を含んでいてもよい。本発明で用いられる炭素繊維としては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバー系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等を用いることができ、好ましくは、気相成長炭素繊維が用いられる。電極ペースト炭素繊維が含まれていると電極の細孔容積が増大し、ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディング現象を改善でき、発電性能が向上させることが可能となる。
[III.イオン伝導膜]
本発明の膜−電極接合体を構成するイオン伝導膜としては、特に限定されず、公知のイオン伝導膜を用いることができるが、該イオン伝導膜を構成する成分としては、前記例示した高分子電解質が好ましい。この高分子電解質のイオン交換容量は、0.3〜5.0meq/g、好ましくは0.5〜4.0meq/gの範囲にあることが望ましい。
(V) Carbon fiber Furthermore, the electrode paste may contain carbon fiber as needed. As the carbon fiber used in the present invention, rayon-based carbon fiber, PAN-based carbon fiber, lignin pover-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, etc. can be used, preferably vapor-grown carbon fiber. Is used. When the electrode paste carbon fiber is contained, the pore volume of the electrode is increased, the gas diffusibility is improved, the flooding phenomenon due to the generated water can be improved, and the power generation performance can be improved.
[III. Ion conductive membrane]
The ion conductive film constituting the membrane-electrode assembly of the present invention is not particularly limited, and a known ion conductive film can be used. As the component constituting the ion conductive film, the polymer exemplified above is used. An electrolyte is preferred. The polymer electrolyte has an ion exchange capacity of 0.3 to 5.0 meq / g, preferably 0.5 to 4.0 meq / g.
上記高分子電解質を用いたイオン伝導膜は、たとえば、前記電極ペーストで用いられる有機溶媒と同様の有機溶媒を用いてイオン伝導膜形成用の組成物を調製し、この組成物を基材上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法などにより製造することができる。なお、前記組成物は、高分子電解質および有機溶媒以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを含んでもよい。 For the ion conductive membrane using the polymer electrolyte, for example, a composition for forming an ion conductive membrane is prepared using an organic solvent similar to the organic solvent used in the electrode paste, and the composition is applied on a substrate. It can be produced by a casting method in which it is cast and formed into a film. In addition to the polymer electrolyte and the organic solvent, the composition may contain an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, and the like.
上記組成物中のポリマー濃度は、高分子電解質の分子量にもよるが、通常、5〜40重量%、好ましくは7〜25重量%である。ポリマー濃度が前記範囲よりも低いと、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすくなる傾向にあり、一方、上記範囲を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。 The polymer concentration in the composition is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25% by weight, although it depends on the molecular weight of the polymer electrolyte. If the polymer concentration is lower than the above range, it is difficult to increase the film thickness, and pinholes tend to be easily generated. On the other hand, if the polymer concentration exceeds the above range, the solution viscosity is too high to form a film, and the surface smoothness is reduced. May lack sexuality.
上記組成物の溶液粘度は、共重合体の分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,
000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sであ
る。溶液粘度が上記範囲よりも低いと、加工中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがあり、一方、上記範囲を超えると、高粘度過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。
The solution viscosity of the above composition depends on the molecular weight of the copolymer and the polymer concentration.
000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s. If the solution viscosity is lower than the above range, the retention of the solution during processing is poor and may flow from the substrate.On the other hand, if it exceeds the above range, the viscosity is too high to be extruded from the die, Film formation by the casting method may be difficult.
上記組成物は、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法、例えばウエーブローター、ホモジナイザー、ディスパーサー、ペイントコンディショナー、ボールミルなどの混合機を用いて混合することにより調製することができる。 The above composition is prepared by, for example, mixing the above-described components at a predetermined ratio and mixing them using a conventionally known method, for example, a mixer such as a wafer blower, a homogenizer, a disperser, a paint conditioner, or a ball mill. Can do.
上記基材としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基材であれば特に限定されず、たとえばプラスチック製や金属製などの基材が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基材が用いられる。また、上記電極を基材として用いることもできる。 The base material is not particularly limited as long as it is a base material used in a normal solution casting method. For example, a base material made of plastic or metal is used, and preferably heat such as polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate made of a plastic resin is used. Moreover, the said electrode can also be used as a base material.
上記キャスティング法による製膜後、30〜160℃、好ましくは50〜150℃の温度で、3〜180分、好ましくは5〜120分間乾燥することにより、高分子電解質膜を得ることができる。その乾燥膜厚は、通常、10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。乾燥後、膜中に溶媒が残存する場合は、必要に応じて、水抽出により脱溶媒することもできる。
[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、スルホン酸当量、分子量、および細孔容積、白金原子(触媒粒子に由来の原子)/硫黄原子(スルホン化ポリアリーレンに由来の原子)の強度比
、燃料電池の作成及び発電性能、及び発電耐久性の評価は以下のようにして求めた。
1.スルホン酸当量
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からスルホン酸当量を求めた。
2.分子量の測定
スルホン酸基を有しないポリアリーレンの分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。
3.電極の細孔容積
イオン伝導膜側から電極表面への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極を、電極表面(電極基材との接合面)からイオン伝導膜側への厚み方向で全電極重量の50%分
までを均一に削りとった。この電極の細孔容積(V2)を水銀圧入法により測定した。
After film formation by the above casting method, a polymer electrolyte membrane can be obtained by drying at a temperature of 30 to 160 ° C., preferably 50 to 150 ° C. for 3 to 180 minutes, preferably 5 to 120 minutes. The dry film thickness is usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm. If the solvent remains in the membrane after drying, the solvent may be removed by water extraction as necessary.
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. In addition, sulfonic acid equivalent, molecular weight, and pore volume, strength ratio of platinum atom (atom derived from catalyst particles) / sulfur atom (atom derived from sulfonated polyarylene), fuel cell creation and power generation performance, and power generation The durability was evaluated as follows.
1. Sulfonic acid equivalent The polymer having the sulfonic acid group was washed with water until the water was neutral, thoroughly washed with water except for free remaining acid, dried, weighed a predetermined amount, THF / Phenolphthalein dissolved in a mixed solvent of water was used as an indicator, titration was performed using a standard solution of NaOH, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.
2. Measurement of Molecular Weight The molecular weight of polyarylene having no sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene (THF) as a solvent and the molecular weight in terms of polystyrene. The molecular weight of polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene as a molecular weight using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent.
3. Electrode pore volume Up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction from the ion conductive membrane side to the electrode surface, the thickness direction from the electrode surface (joint surface with the electrode substrate) to the ion conductive membrane side Then, up to 50% of the total electrode weight was uniformly removed. The pore volume (V2) of this electrode was measured by mercury porosimetry.
一方、あらかじめ全電極の細孔容積を同様に水銀圧入法により測定しておき、電極の細孔容積から、V2を差し引くことで、電極表面(電極基材との接合面)からイオン伝導膜側への厚み方向で全電極重量の50%分までの電極の細孔容積(V1)を求め、(V2/V1)
を算出した。
4.白金原子/硫黄原子の強度比
電極表面からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極は、膜―電極接合体において電極表面側からメスで全電極重量の50%分を電極の面方向に均一に削りとり、それを採取した(W1を測定)。
On the other hand, the pore volume of all electrodes is measured in advance by the mercury intrusion method in advance, and V2 is subtracted from the pore volume of the electrode, so that the ion conductive membrane side from the electrode surface (joint surface with the electrode substrate) Find the electrode pore volume (V1) up to 50% of the total electrode weight in the thickness direction to (V2 / V1)
Was calculated.
4). Intensity ratio of platinum atom / sulfur atom In the thickness direction from the electrode surface to the ion conductive membrane side, the electrode up to 50% of the total electrode weight is 50% of the total electrode weight with a knife from the electrode surface side in the membrane-electrode assembly. % Was uniformly cut in the direction of the electrode surface and collected (measured W1).
また、イオン伝導膜側から電極方面への厚み方向に、全電極重量の50%分の電極は、前記電極を同様の方法で、さらにイオン伝導膜側に向かってイオン伝導膜がコンタミしない限界までメスで削り取り、それを採取した(W2を測定)。これらの電極を蛍光X線装置(スペクトリス社製 MagiX PRO)で測定し、電極中の高分子電解質固有の原子(スルホン酸由来の硫黄原子)と触媒粒子由来の原子(白金原子)の強度を求め、硫黄原子/白金原子(S/Pt)の強度比(W2/W1)を算出した。その強度比を用いて、高分子電解
質/触媒粒子の重量比の指標とした。
[スルホン化ポリフェニレンエーテルの合成]
本発明に係るスルホン酸基含有芳香族系ポリマーとして好ましく用いられるスルホン化ポリアリーレンの合成例について示す。本発明は以下の合成例に特に限定されるものではないが、これらのスルホン化ポリアリーレンを電極中イオン伝導性基含有ポリマー、若しくはイオン交換膜として用いた場合、良好な発電特性を示す燃料電池を得ることができる。
[合成例1](1)疎水性ユニットの合成
攪拌機、温度計、Dean−Stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル48.8g(284mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン89.5g(266mmol)、炭酸カリウム47.8g(346mmol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン346mL、トルエン173mLを加えて攪拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−Stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−Stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を200℃に上げ、3時間攪拌を続けた後、2,6−ジクロロベンゾニトリル9.2g(53mmol)を加え、さらに5時間反応させた。
Further, in the thickness direction from the ion conductive membrane side to the electrode direction, the electrode corresponding to 50% of the total electrode weight is the same method as the electrode, and further to the limit where the ion conductive membrane is not contaminated toward the ion conductive membrane side. It was scraped off with a scalpel and collected (measured W2). These electrodes are measured with a fluorescent X-ray apparatus (MagiX PRO manufactured by Spectris Co., Ltd.), and the intensities of atoms unique to the polymer electrolyte (sulfur atoms derived from sulfonic acid) and atoms derived from catalyst particles (platinum atoms) in the electrodes are obtained. The intensity ratio (W2 / W1) of sulfur atom / platinum atom (S / Pt) was calculated. The strength ratio was used as an index of the weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles.
[Synthesis of sulfonated polyphenylene ether]
A synthesis example of a sulfonated polyarylene preferably used as a sulfonic acid group-containing aromatic polymer according to the present invention will be described. The present invention is not particularly limited to the following synthesis examples. However, when these sulfonated polyarylenes are used as an ion conductive group-containing polymer in an electrode or an ion exchange membrane, a fuel cell exhibiting good power generation characteristics. Can be obtained.
[Synthesis Example 1] (1) Synthesis of hydrophobic unit 48.8 g (284 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-Stark tube, nitrogen introduction tube, and cooling tube. ), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (89.5 g, 266 mmol) and potassium carbonate (47.8 g, 346 mmol). After nitrogen substitution, 346 mL of sulfolane and 173 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-Stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-Stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 200 ° C. and stirring was continued for 3 hours. Then, 9.2 g (53 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further continued for 5 hours.
反応液を放冷後、トルエン100mLを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩を濾過し、濾液をメタノール2Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥後、テトラヒドロフラン250mLに溶解し、これをメタノール2Lに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末を濾過、乾燥し、目的物109gを得た。GPCで測定した数平均分子量(Mn)は9,500であった。得られた化合物は式(I)で表されるオリゴマーで
あることを確認した。
The reaction solution was allowed to cool, and diluted with 100 mL of toluene. Inorganic salts insoluble in the reaction solution were filtered, and the filtrate was poured into 2 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried, then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran, and poured into 2 L of methanol for reprecipitation. The precipitated white powder was filtered and dried to obtain 109 g of the desired product. The number average molecular weight (Mn) measured by GPC was 9,500. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (I).
(2)塩基性ユニットの合成
2,5-ジクロロ-4'-(1−イミダゾリル)ベンゾフェノンの合成
(2) Synthesis of basic unit
Synthesis of 2,5-dichloro-4 '-(1-imidazolyl) benzophenone
攪拌機、温度計、冷却管、窒素導入管を取り付けた2L三口フラスコに、2,5-ジクロロ-4’-フルオロベンゾフェノン150.7g(0.560mol)、イミダゾール 114
.4g(1.68mol)、炭酸カリウム100.6g(0.728mol)、N,N’−ジメチルアセトアミド 840mlを量りとった。反応溶液を、窒素雰囲気下オイルバスを
用いて110℃で2時間加熱した。薄層クロマトグラフィーにより原料の消失を確認した後、反応液を室温まで放冷した。その後、反応液を3Lの水に徐々に加え、生成物を凝固させ、ろ過した。ろ過により得られた生成物をTHF(1.2L)で溶かし、トルエン(4
L)を加えた後、水層が中性になるまで食塩水により洗浄した。有機層を硫酸マグネシウ
ムにより乾燥させた後、エバポレーターにより溶媒を留去した。粗収量180gであった。80℃に加熱したトルエン1Lとメタノール20mlの混合溶媒を用いて再結晶単離操作を行い、白色固体の(III)を155g、収率87%で得た。
(3)スルホン化ポリアリーレンの合成
乾燥したN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)540mLを、3−(2,5−ジ
クロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.0g(336ミリモル)と、(合成例1)で合成した疎水性ユニット(I)40.7g(5.6ミリモル)、塩基性
ユニット(III)の2,5−ジクロロ−4’−(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン6.
71g(16.8ミリモル)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3ミリモル)、トリフェニルホスフィン35.9g(137ミリモル)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3ミリモル)、亜鉛53.7g(821ミリモル)の混合物中に窒素下で加えた。
In a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, a condenser tube, and a nitrogen inlet tube, 150.7 g (0.560 mol) of 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone, imidazole 114
. 4 g (1.68 mol), 100.6 g (0.728 mol) of potassium carbonate, and 840 ml of N, N′-dimethylacetamide were weighed. The reaction solution was heated at 110 ° C. for 2 hours using an oil bath in a nitrogen atmosphere. After confirming disappearance of the raw material by thin layer chromatography, the reaction solution was allowed to cool to room temperature. Thereafter, the reaction solution was gradually added to 3 L of water to coagulate the product and filtered. The product obtained by filtration was dissolved in THF (1.2 L), and toluene (4
After adding L), it was washed with brine until the aqueous layer was neutral. After the organic layer was dried with magnesium sulfate, the solvent was distilled off by an evaporator. The crude yield was 180 g. Recrystallization isolation operation was performed using a mixed solvent of 1 L of toluene heated to 80 ° C. and 20 ml of methanol to obtain 155 g of white solid (III) in a yield of 87%.
(3) Synthesis of sulfonated polyarylene 540 mL of dried N, N-dimethylacetamide (DMAc) was mixed with 135.0 g (336 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate (Synthesis Example 1). ), 40.7 g (5.6 mmol) of the hydrophobic unit (I) synthesized with 2,5-dichloro-4 ′-(1-imidazolyl) benzophenone of the basic unit (III).
71 g (16.8 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 6.71 g (10.3 mmol), triphenylphosphine 35.9 g (137 mmol), sodium iodide 1.54 g (10.3 mmol), A mixture of 53.7 g (821 mmol) of zinc was added under nitrogen.
反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc730mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。 The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 730 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.
濾液の一部をメタノールに注ぎ、凝固させた。ネオペンチル基で保護されたスルホン酸誘導体からなる共重合体のGPCによる分子量は、Mn=58000、Mw=135,3
00であった。
A part of the filtrate was poured into methanol and solidified. The molecular weight by GPC of the copolymer comprising a sulfonic acid derivative protected with a neopentyl group is Mn = 58000, Mw = 135,3.
00.
前記濾液をエバポレーターで濃縮し、濾液に臭化リチウム43.8g(505モル)を加え、内温110℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン4Lに注ぎ、凝固した。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、1N塩酸1500mLで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄後、80℃で一晩乾燥し、目的のスルホン化ポリマー23.0gを得た。この脱保護後のスルホン化ポリマーの分子量は、Mn=60000、Mw=175000であった。このポリマーのイオン交換容量は2.4meq/gであった。得られたスルホン酸基を有するポリアリーレンは、構造式(IV)で表される化合物である。 The filtrate was concentrated with an evaporator, 43.8 g (505 mol) of lithium bromide was added to the filtrate, and the mixture was reacted at an internal temperature of 110 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 4 L of acetone and solidified. The coagulated product was collected by filtration, air-dried, pulverized with a mixer, and washed with 1500 mL of 1N hydrochloric acid while stirring. After filtration, the product was washed with ion-exchanged water until the pH of the washing solution reached 5 or higher, and then dried at 80 ° C. overnight to obtain 23.0 g of the target sulfonated polymer. The molecular weight of the sulfonated polymer after this deprotection was Mn = 60000 and Mw = 175000. The ion exchange capacity of this polymer was 2.4 meq / g. The obtained polyarylene having a sulfonic acid group is a compound represented by the structural formula (IV).
[実施例1]
<イオン伝導膜の調製>
攪拌子を入れた50mlのスクリュー管に、合成例1で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)を4.5g、N―メチル−2−ピロリドン15.3g、メタノールを10.2gをとり、室温で4時間攪拌した。この溶液を、ペットフィルム上にドクターブレードを用いてキャストし、恒温槽を用いて、60℃で1時間、120℃で1時間乾燥し、溶媒を留去した。乾燥後、ペットフィルムから剥がし、厚さ50μmの高分子電解質膜を得た。以下の評価では、この膜を用い発電評価を行った。
[Example 1]
<Preparation of ion conductive membrane>
Into a 50 ml screw tube containing a stirrer, 4.5 g of the sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 1, 15.3 g of N-methyl-2-pyrrolidone, and 10.2 g of methanol were taken at room temperature. For 4 hours. This solution was cast on a pet film using a doctor blade, and dried at 60 ° C. for 1 hour and 120 ° C. for 1 hour using a thermostatic bath, and the solvent was distilled off. After drying, it was peeled off from the pet film to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm. In the following evaluation, power generation evaluation was performed using this film.
<アノード電極ペーストの調製>
50mLのポリボトルに直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:50重量%担持、田中貴金属工業株式会社製)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)4.28g、N−メチル−2−ピロリドン12.47g、を加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、アノード電極ペーストAを得た。
<Preparation of anode electrode paste>
In a 50 mL plastic bottle, 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) are placed, 1.51 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 50 wt% supported, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), distilled
<カソード電極ペーストの調製1>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)3.23g、N−メチル−
2−ピロリドン12.47g、気相法炭素繊維((昭和電工社製「VGCF」)0.49、ヘキサフルオロプロピレン及びヒドロキシエチルビニルエーテルを含む単量体を用いて製造された含フッ素共重合体Bのメチルエチルケトン溶液(固形分15重量%)0.8g
からなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、カソード電極ペーストBを得た。
<Preparation 1 of cathode electrode paste>
Platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1.51 g in a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 0.88 g of distilled water, 3.23 g of N-methyl-2-pyrrolidone solution of polymer (IV) of Synthesis Example 1 (solid content 15% by weight), N-methyl-
Fluorine-containing copolymer B produced using 12.47 g of 2-pyrrolidone, vapor grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko KK) 0.49, hexafluoropropylene and hydroxyethyl vinyl ether 0.8g of methyl ethyl ketone solution (solid content 15% by weight)
A cathode electrode paste B was obtained by adding a mixture of and stirring with a paint shaker for 60 minutes.
<カソード電極ペーストの調製2>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)5.38g、N−メチル−
2−ピロリドン12.47g、気相法炭素繊維(昭和電工社製「VGCF」)0.49、ヘキサフルオロプロピレン及びヒドロキシエチルビニルエーテルを含む単量体を用いて製造された含フッ素共重合体Bのメチルエチルケトン溶液(固形分15重量%)1.33g
からなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、カソード電極ペーストCを得た。
<Preparation 2 of cathode electrode paste>
Platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1.51 g in a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 0.88 g of distilled water, 5.38 g of N-methyl-2-pyrrolidone solution of polymer (IV) of Synthesis Example 1 (solid content 15% by weight), N-methyl-
Of fluorinated copolymer B produced using a monomer containing 12.47 g of 2-pyrrolidone, vapor-grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko KK) 0.49, hexafluoropropylene and hydroxyethyl vinyl ether 1.33 g of methyl ethyl ketone solution (solid content 15% by weight)
The mixture consisting of was put and stirred for 60 minutes with a paint shaker to obtain cathode electrode paste C.
<電極の作製>
上記の様に調製したイオン伝導膜の片面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて上記アノード電極ペーストAをドクターブレードにて塗布し、また上記アノード電極ペーストAを塗布していない面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて、ドクターブレードにてカソード電極ペーストBを塗布した上に、カソード電極ペーストCを塗布した。これを120℃で60分間乾燥することにより、アノード電極Aの白金塗布量が0.30mg/cm2、またカソード電極Bの白金塗布量が0.25mg/cm2、カソ
ード電極Cの白金塗布量が0.25mg/cm2になるアノード電極Aとカソード電極B
Cを形成した。
<Production of electrode>
The anode electrode paste A is applied to one side of the ion conductive membrane prepared as described above with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm, and the surface to which the anode electrode paste A is not applied is applied. Cathode electrode paste C was applied after applying cathode electrode paste B with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm. By drying this at 120 ° C. for 60 minutes, the platinum coating amount of the anode electrode A is 0.30 mg / cm 2 , the platinum coating amount of the cathode electrode B is 0.25 mg / cm 2 , and the platinum coating amount of the cathode electrode C Anode electrode A and cathode electrode B with 0.25 mg / cm 2
C was formed.
1層目に使用するカソード電極ペーストB中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(P2)に対して、2層目に使用するカソード電極ペーストC中の高分子電解質/触媒粒子の重量
比(P1)の比率(P1/P2)は167%であった。
The weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles in the cathode electrode paste C used in the second layer to the weight ratio (P2) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the cathode electrode paste B used in the first layer ( The ratio of P1) (P1 / P2) was 167%.
<燃料電池の作製>
上記アノード電極Aとカソード電極BCが各面に形成された電解質膜を、それぞれのアノード電極Aとカソード電極BCに接するように2枚の撥水処理を施したカーボンペーパーで挟み、圧力30kg/cm2下、160℃×15minの条件でホットプレス成形し
て、膜−電極接合体を作製した。得られた電極−膜接合体を2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の評価用燃料電池を作製し
た。
[実施例2]
<アノード電極ペーストの調製>
実施例1と同様にしてアノード電極ペーストAを得た。
<Fabrication of fuel cell>
The electrolyte membrane in which the anode electrode A and the cathode electrode BC are formed on each surface is sandwiched between two water-repellent carbon papers so as to be in contact with the anode electrode A and the cathode electrode BC, and the pressure is 30 kg / cm. 2 and hot press molding under the conditions of 160 ° C. × 15 min to produce a membrane-electrode assembly. The obtained electrode-membrane assembly was sandwiched between two titanium current collectors, and a heater was placed on the outside thereof to produce a fuel cell for evaluation having an effective area of 25 cm 2 .
[Example 2]
<Preparation of anode electrode paste>
An anode electrode paste A was obtained in the same manner as in Example 1.
<カソード電極ペーストの調製1>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)4.00g、N−メチル−
2−ピロリドン12.47g、気相法炭素繊維(昭和電工社製「VGCF」)0.82g、ヘキサフルオロプロピレン及びヒドロキシエチルビニルエーテルを含む単量体を用いて製造された含フッ素共重合体Bのメチルエチルケトン溶液(固形分15重量%)1.07g、からなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、カソー
ド電極ペーストDを得た。
<Preparation 1 of cathode electrode paste>
Platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1.51 g in a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) , 0.88 g of distilled water, 4.00 g of an N-methyl-2-pyrrolidone solution of polymer (IV) of Synthesis Example 1 (solid content 15 wt%), N-methyl-
Of fluorine-containing copolymer B produced by using 12.47 g of 2-pyrrolidone, 0.82 g of vapor grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko KK), a monomer containing hexafluoropropylene and hydroxyethyl vinyl ether A cathode electrode paste D was obtained by adding a mixture of 1.07 g of methyl ethyl ketone solution (solid content 15% by weight) and stirring for 60 minutes with a paint shaker.
<カソード電極ペーストの調製2>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)4.62g、N−メチル−
2−ピロリドン12.47g、気相法炭素繊維(昭和電工社製「VGCF」)0.49g、ヘキサフルオロプロピレン及びヒドロキシエチルビニルエーテルを含む単量体を用いて製造された含フッ素共重合体Bのメチルエチルケトン溶液(固形分15重量%)1.07gからなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、カソード
電極ペーストEを得た。
<Preparation 2 of cathode electrode paste>
Platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1.51 g in a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 0.88 g of distilled water, 4.62 g of N-methyl-2-pyrrolidone solution of polymer (IV) of Synthesis Example 1 (solid content 15% by weight), N-methyl-
Of fluorine-containing copolymer B produced by using 12.47 g of 2-pyrrolidone, 0.49 g of vapor grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko KK), a monomer containing hexafluoropropylene and hydroxyethyl vinyl ether A mixture composed of 1.07 g of a methyl ethyl ketone solution (solid content: 15% by weight) was added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a paint shaker to obtain cathode electrode paste E.
<電極の製造>
上記のようにして得られたアノード電極ペーストDおよびカソード電極ペーストD、Eを用いる(最初にカソード電極ペーストDを塗布した上に、カソード電極ペーストEを塗
布)以外は、実施例1と同様にして、アノード電極Aおよびカソード電極DEを形成した。
<Manufacture of electrodes>
Except that the anode electrode paste D and cathode electrode pastes D and E obtained as described above were used (the cathode electrode paste D was first applied and then the cathode electrode paste E was applied), the same as in Example 1. Thus, an anode electrode A and a cathode electrode DE were formed.
1層目に使用するカソード電極ペーストD中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(P2)に対して、2層目に使用するカソード電極ペーストE中の高分子電解質/触媒粒子の重量
比(P1)の比率(P1/P2)は116%であった。
The weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles in the cathode electrode paste E used in the second layer to the weight ratio (P2) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the cathode electrode paste D used in the first layer ( The ratio of P1) (P1 / P2) was 116%.
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極Aおよびカソード電極DEを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
[実施例3]
<アノード電極ペーストの調製1>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:50重量%担持、田中貴金属工業株式会社製)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)3.23g、N−メチル−2−ピロリドン12.47gからなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、アノード電極ペーストFを得た。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode A and the cathode electrode DE obtained as described above were used.
[Example 3]
<Preparation of anode electrode paste 1>
In a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.), 1.51 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 50 wt% supported, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), distilled water 0.88 g, a mixture consisting of N-methyl-2-pyrrolidone solution (solid content 15% by weight) of polymer (IV) of Synthesis Example 1 (solid content 15% by weight), and N-methyl-2-pyrrolidone 12.47 g were put into a paint shaker. Was stirred for 60 minutes to obtain anode electrode paste F.
<アノード電極ペーストの調製2>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:50重量%担持、田中貴金属工業株式会社製)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)5.38g、N−メチル−2−ピロリドン12.47gからなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、アノード電極ペーストGを得た。
<Preparation 2 of anode electrode paste>
In a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.), 1.51 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 50 wt% supported, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), distilled water A mixture of 0.88 g, 5.38 g of an N-methyl-2-pyrrolidone solution of the polymer (IV) of Synthesis Example 1 (solid content 15% by weight) and 12.47 g of N-methyl-2-pyrrolidone was added, and a paint shaker was added. Was stirred for 60 minutes to obtain an anode electrode paste G.
<カソード電極ペーストの調製1>
実施例1と同様にしてカソード電極ペーストBを得た。
<カソード電極ペーストの調製2>
実施例1と同様にしてカソード電極ペーストCを得た。
<Preparation 1 of cathode electrode paste>
Cathode electrode paste B was obtained in the same manner as Example 1.
<Preparation 2 of cathode electrode paste>
Cathode electrode paste C was obtained in the same manner as Example 1.
<電極の作製>
上記の様に調製したイオン伝導膜の片面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて上記アノード電極ペーストFをドクターブレードにて塗布し、その上にアノード電極ペーストGを塗布した。また上記アノード電極ペーストF,Gを塗布していない面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて、ドクターブレードにてカソード電極ペーストBを塗布した上に、カソード電極ペーストCを塗布した。これを120℃で60分間乾燥することにより、アノード電極Fの白金塗布量が0.15mg/cm2、アノード電極
Gの白金塗布量が0.15mg/cm2、またカソード電極Bの白金塗布量が0.25m
g/cm2、カソード電極Cの白金塗布量が0.25mg/cm2になるアノード電極FGとカソード電極BCを形成した。
<Production of electrode>
The anode electrode paste F was applied to one side of the ion conductive film prepared as described above with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm, and the anode electrode paste G was applied thereon. In addition, the cathode electrode paste C was applied on the surface on which the anode electrode pastes F and G were not applied, using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm, and applying the cathode electrode paste B with a doctor blade. By drying this at 120 ° C. for 60 minutes, the platinum coating amount of the anode electrode F is 0.15 mg / cm 2 , the platinum coating amount of the anode electrode G is 0.15 mg / cm 2 , and the platinum coating amount of the cathode electrode B Is 0.25m
An anode electrode FG and a cathode electrode BC having g / cm 2 and a platinum coating amount of 0.25 mg / cm 2 on the cathode electrode C were formed.
1層目に使用するアノード電極ペーストF中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(P2)に対して、2層目に使用するアノード電極ペーストG中の高分子電解質/触媒粒子の重量
比(P1)の比率(P1/P2)は167%であった。
The weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles in the anode electrode paste G used in the second layer to the weight ratio (P2) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the anode electrode paste F used in the first layer ( The ratio of P1) (P1 / P2) was 167%.
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極FGおよびカソード電極BCを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
[比較例1]
<アノード電極ペーストの調製>
実施例1と同様にしてアノード電極ペーストAを得た。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode FG and the cathode electrode BC obtained as described above were used.
[Comparative Example 1]
<Preparation of anode electrode paste>
An anode electrode paste A was obtained in the same manner as in Example 1.
<カソード電極ペーストの調製>
実施例2と同様にしてカソード電極ペーストEを得た。
<電極の作製>
上記の様に調製したイオン伝導膜の片面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて上記アノード電極ペーストAをドクターブレードにて塗布し、また上記アノード電極ペーストAを塗布していない面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて、ドクターブレードにてカソード電極ペーストEを塗布した。これを120℃で60分間乾燥することにより、アノード電極Aの白金塗布量が0.30mg/cm2、またカソード電極
Eの白金塗布量が0.50mg/cm2になるアノード電極Aとカソード電極Eを形成し
た(ともに1層のみ)。
<Preparation of cathode electrode paste>
Cathode electrode paste E was obtained in the same manner as Example 2.
<Production of electrode>
The anode electrode paste A is applied to one side of the ion conductive membrane prepared as described above with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm, and the surface to which the anode electrode paste A is not applied is applied. Cathode electrode paste E was applied with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm. By drying this at 120 ° C. for 60 minutes, the anode coating amount of the anode A is 0.30 mg / cm 2 and the cathode coating amount of the cathode E is 0.50 mg / cm 2. E was formed (both only one layer).
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極Aおよびカソード電極Eを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode A and the cathode electrode E obtained as described above were used.
[比較例2]
<アノード電極ペーストの調製>
実施例1と同様にしてアノード電極ペーストAを得た。
[Comparative Example 2]
<Preparation of anode electrode paste>
An anode electrode paste A was obtained in the same manner as in Example 1.
<カソード電極ペーストの調製1>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)1.09g、N−メチル−
2−ピロリドン12.47g、気相法炭素繊維((昭和電工社製「VGCF」)0.49、ヘキサフルオロプロピレン及びヒドロキシエチルビニルエーテルを含む単量体を用いて製造された含フッ素共重合体Bのメチルエチルケトン溶液(固形分15重量%)0.27gからなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、カソード
電極ペーストHを得た。
<Preparation 1 of cathode electrode paste>
Platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1.51 g in a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 0.88 g of distilled water, 1.09 g of N-methyl-2-pyrrolidone solution of polymer (IV) of Synthesis Example 1 (solid content 15% by weight), N-methyl-
Fluorine-containing copolymer B produced using 12.47 g of 2-pyrrolidone, vapor grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko KK) 0.49, hexafluoropropylene and hydroxyethyl vinyl ether A mixture of 0.27 g of methyl ethyl ketone solution (solid content 15% by weight) was added and stirred for 60 minutes with a paint shaker to obtain cathode electrode paste H.
<カソード電極ペーストの調製2>
直径10mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れた50mLのポリ瓶に、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1のポリマー(IV)のN−メチル−2−ピロリドン溶液(固形分15重量%)7.50g、N−メチル−
2−ピロリドン12.47g、気相法炭素繊維(昭和電工社製「VGCF」)0.49、ヘキサフルオロプロピレン及びヒドロキシエチルビニルエーテルを含む単量体を用いて製造された含フッ素共重合体Bのメチルエチルケトン溶液(固形分15重量%)1.86g
からなる混合物を入れ、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、カソード電極ペーストIを得た。
<Preparation 2 of cathode electrode paste>
Platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1.51 g in a 50 mL plastic bottle containing 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) , 0.88 g of distilled water, 7.50 g of N-methyl-2-pyrrolidone solution of polymer (IV) of Synthesis Example 1 (solid content 15% by weight), N-methyl-
Of fluorinated copolymer B produced using a monomer containing 12.47 g of 2-pyrrolidone, vapor-grown carbon fiber (“VGCF” manufactured by Showa Denko KK) 0.49, hexafluoropropylene and hydroxyethyl vinyl ether 1.86 g of methyl ethyl ketone solution (solid content 15% by weight)
A cathode electrode paste I was obtained by adding a mixture of and stirring with a paint shaker for 60 minutes.
<電極の作製>
上記の様に調製したイオン伝導膜の片面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて上記アノード電極ペーストAをドクターブレードにて塗布し、また上記アノード電極ペーストAを塗布していない面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて、ドクターブレードにてカソード電極ペーストHを塗布した上に、カソード電極ペーストIを塗
布した。これを120℃で60分間乾燥することにより、アノード電極Aの白金塗布量が0.30mg/cm2、またカソード電極Hの白金塗布量が0.25mg/cm2、カソード電極Iの白金塗布量が0.25mg/cm2になるアノード電極Aとカソード電極HI
を形成した。
<Production of electrode>
The anode electrode paste A is applied to one side of the ion conductive membrane prepared as described above with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm, and the surface to which the anode electrode paste A is not applied is applied. Cathode electrode paste I was applied after applying cathode electrode paste H with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm. By drying this at 120 ° C. for 60 minutes, the platinum coating amount of the anode electrode A is 0.30 mg / cm 2 , the platinum coating amount of the cathode electrode H is 0.25 mg / cm 2 , and the platinum coating amount of the cathode electrode I Anode electrode HI and cathode electrode HI with a 0.25 mg / cm 2
Formed.
1層目に使用するカソード電極ペーストH中の高分子電解質/触媒粒子の重量比(P2)に対して、2層目に使用するカソード電極ペーストI中の高分子電解質/触媒粒子の重量
比(P1)の比率(P1/P2)は688%であった。
The weight ratio of the polymer electrolyte / catalyst particles in the cathode electrode paste I used in the second layer to the weight ratio (P2) of the polymer electrolyte / catalyst particles in the cathode electrode paste H used in the first layer ( The ratio of P1) (P1 / P2) was 688%.
<燃料電池の作製>
上記のようにして得られたアノード電極Aおよびカソード電極HIを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用燃料電池を作製した。
[評価]
実施例1〜3、比較例1〜4で得られた燃料電池の評価方法について示す。
評価1
温度を80℃に保ち、アノード極とカソード極を湿度40%RH及び80%RHの条件で、水素及び空気を2気圧(背圧0.2MPa一定の条件で)供給し、電流密度0.2A
/cm2及び0.8A/cm2での端子間電圧を測定した。結果を表1に示す。
評価2
評価1を測定後、燃料電池の温度を120℃に保ち、湿度40%RHの条件で、耐久評価を行った。水素及び空気を2気圧(背圧0.2MPa一定の条件で)供給し、電流密度
を0.2A/cm2に維持した時のときの端子間電圧が0.3V以下になるまでの時間を
測定した。結果を表2に示す。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode electrode A and the cathode electrode HI obtained as described above were used.
[Evaluation]
It shows about the evaluation method of the fuel cell obtained in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-4.
Evaluation 1
The temperature is maintained at 80 ° C., and the anode and cathode are supplied with 2 atmospheres of hydrogen and air (under a constant back pressure of 0.2 MPa) under conditions of humidity 40% RH and 80% RH, and a current density of 0.2 A.
The voltage between terminals at / cm 2 and 0.8 A / cm 2 was measured. The results are shown in Table 1.
Evaluation 2
After measuring evaluation 1, the temperature of the fuel cell was kept at 120 ° C., and durability evaluation was performed under the condition of humidity 40% RH. Hydrogen and air are supplied at 2 atm (under a constant back pressure of 0.2 MPa), and the time until the terminal voltage becomes 0.3 V or less when the current density is maintained at 0.2 A / cm 2 is determined. It was measured. The results are shown in Table 2.
Claims (9)
アノード電極、カソード電極の少なくも一方において、電極表面からイオン伝導膜側への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の細孔容積(V1)に対して、イオン伝導膜側から電極表面への厚み方向に、全電極重量の50%分までの電極中の細孔容積(V2)の比率(V2/V1)が85%以上100%未満であることを特徴とする膜−電極接合体。 A membrane-electrode assembly having an ion conductive membrane, and an anode electrode and a cathode electrode each containing catalyst particles and a polymer electrolyte on both sides of the ion conductive membrane,
At least one of the anode electrode and the cathode electrode, in the thickness direction from the electrode surface to the ion conductive membrane side, with respect to the pore volume (V1) in the electrode up to 50% of the total electrode weight, the ion conductive membrane side A membrane characterized in that, in the thickness direction from the electrode surface to the electrode surface, the ratio (V2 / V1) of the pore volume (V2) in the electrode up to 50% of the total electrode weight is 85% or more and less than 100% Electrode assembly.
AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2)j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す。)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−または−S−を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部がハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基またはニトリル基を示し、sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。
Zは直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、R20は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。x、y、zは、x+y+z=100mol%とした場合のモル比を示す。] The polymer electrolyte used for at least one of the ion conductive membrane, the anode electrode, and the cathode electrode is a sulfonic acid group-containing polyarylene having a structure represented by the following general formula (1). 6. The membrane-electrode assembly according to any one of 5 above.
A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10. ), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group. ), Cyclohexylidene group, fluorenylidene group, —O— or —S—, B is independently an oxygen atom or sulfur atom, and R 1 to R 16 are each independently hydrogen atom, fluorine atom, alkyl Group, a halogenated alkyl group, allyl group, aryl group, nitro group or nitrile group partially or wholly halogenated, s and t each represent an integer of 0 to 4, and r is 0 or 1 or more Indicates an integer.
Z represents a direct bond or at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—, and Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO. —, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, at least one structure selected from the group consisting of R 20 represents a nitrogen-containing complex A ring group is shown. q represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 4. x, y, z represents a molar ratio when x + y + z = 100 mol%. ]
(A)ポリフルオロアルキル基を含有する(メタ)アクリレート由来の構造単位を有する含フッ素共重合体、 および/または
(B)フッ素含有オレフィン系単量体由来の下記一般式(2)で表される構造単位と、ビニルエーテル系単量体由来の下記一般式(3)で表される構造単位とを有する含フッ素共重合体:
を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の膜−電極接合体。 As a water repellent, at least one of the anode electrode and the cathode electrode,
(A) a fluorine-containing copolymer having a structural unit derived from (meth) acrylate containing a polyfluoroalkyl group, and / or (B) represented by the following general formula (2) derived from a fluorine-containing olefin monomer. And a fluorine-containing copolymer having a structural unit represented by the following general formula (3) derived from a vinyl ether monomer :
The membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006323990A JP5031340B2 (en) | 2006-11-30 | 2006-11-30 | Membrane-electrode assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006323990A JP5031340B2 (en) | 2006-11-30 | 2006-11-30 | Membrane-electrode assembly |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008140608A JP2008140608A (en) | 2008-06-19 |
| JP5031340B2 true JP5031340B2 (en) | 2012-09-19 |
Family
ID=39601867
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006323990A Expired - Fee Related JP5031340B2 (en) | 2006-11-30 | 2006-11-30 | Membrane-electrode assembly |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5031340B2 (en) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5219571B2 (en) * | 2008-03-24 | 2013-06-26 | 三洋電機株式会社 | Membrane electrode assembly and fuel cell |
| JP5458765B2 (en) * | 2008-10-28 | 2014-04-02 | Jsr株式会社 | Proton conducting membrane and method for producing the same, membrane-electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell |
| CN101905122B (en) * | 2010-07-23 | 2012-05-30 | 北京工业大学 | A Self-Assembly Method of Highly Loaded Inorganic Nanoparticle Hybrid Organic Membrane |
| JP7069686B2 (en) * | 2017-10-30 | 2022-05-18 | 凸版印刷株式会社 | Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell |
| JP7388192B2 (en) * | 2018-03-30 | 2023-11-29 | 東レ株式会社 | electrolyte membrane |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3555196B2 (en) * | 1994-09-19 | 2004-08-18 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell and method of manufacturing the same |
| JP3755840B2 (en) * | 1996-03-11 | 2006-03-15 | 田中貴金属工業株式会社 | Electrode for polymer electrolyte fuel cell |
| JP5002874B2 (en) * | 2001-01-25 | 2012-08-15 | トヨタ自動車株式会社 | Method for forming electrode catalyst layer of fuel cell |
| JP2005056583A (en) * | 2002-07-09 | 2005-03-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ELECTROLYTE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, FUEL CELL USING THE SAME, AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME |
| JP2004192950A (en) * | 2002-12-11 | 2004-07-08 | Mitsubishi Electric Corp | Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same |
| JP2006278232A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Jsr Corp | Porous electrode catalyst layer and method for producing the same |
-
2006
- 2006-11-30 JP JP2006323990A patent/JP5031340B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2008140608A (en) | 2008-06-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5100383B2 (en) | Electrode electrolyte for polymer electrolyte fuel cell | |
| JP4994945B2 (en) | Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof | |
| JP5132316B2 (en) | Electrocatalyst layer | |
| JP2007080726A (en) | Electrode-membrane assembly | |
| JP5031340B2 (en) | Membrane-electrode assembly | |
| JP2007048643A (en) | Electrode-membrane assembly | |
| JP2007026819A (en) | Electrode-membrane assembly | |
| JP4896435B2 (en) | Electrolyte for electrode of polymer electrolyte fuel cell | |
| JP5515230B2 (en) | Membrane electrode assembly for stationary or portable fuel cell, stationary or portable fuel cell, and resin paste for gas diffusion layer of stationary or portable fuel cell | |
| JP5144023B2 (en) | Membrane-electrode assembly | |
| JP4871537B2 (en) | Method for producing membrane-electrode assembly | |
| JP5515229B2 (en) | A membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a resin paste for a gas diffusion layer. | |
| JP5116230B2 (en) | Method for producing electrode / electrolyte membrane assembly | |
| JP2007026774A (en) | Method for producing catalyst paste | |
| JP4846273B2 (en) | Electrode electrolyte for polymer electrolyte fuel cell | |
| JP4997965B2 (en) | Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof | |
| JP5364975B2 (en) | Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof | |
| JP2009295324A (en) | Electrode electrolyte for solid polymer fuel cell and electrode varnish, electrode paste, as well as membrane-electrode assembly using the same | |
| JP2007026709A (en) | Electrocatalyst layer | |
| JP5261935B2 (en) | Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof | |
| JP2010010075A (en) | Electrode electrolyte for solid polymer fuel cell, and electrode varnish, electrode paste and membrane-electrode assembly using the same | |
| JP2008251449A (en) | Membrane-electrode assembly for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell | |
| JP2007026708A (en) | Electrocatalyst layer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091111 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20120302 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120312 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120403 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120525 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120612 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120627 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5031340 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150706 Year of fee payment: 3 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |