JP2008031464A - Polyelectrolyte emulsion and use thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池用膜電極接合体に係る発電性能を飛躍的に向上させる、電極材料に好適な高分子電解質エマルションを提供する。
【解決手段】[1]高分子電解質粒子が分散媒中に分散したエマルションであって、該高分子電解質粒子に含まれる高分子電解質が、酸性基を有するセグメントとイオン交換基を実質的に有さないセグメントとからなるブロック共重合体であることを特徴とする高分子電解質エマルション。
[2]酸性基を有するセグメントとして、下記式(1)で表されるセグメントを有する、[1]の高分子電解質エマルション。
(式中、mは5以上の整数を表し、Ar1は酸性基を有する2価の芳香族基を表す。)
[3]上記いずれかに記載の高分子電解質エマルションと触媒成分とを含む触媒組成物から得られる触媒層、該触媒層を有する膜電極接合体および固体高分子型燃料電池。
【選択図】なしThe present invention provides a polymer electrolyte emulsion suitable for an electrode material, which dramatically improves the power generation performance of a membrane electrode assembly for a fuel cell.
[1] An emulsion in which polymer electrolyte particles are dispersed in a dispersion medium, and the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte particles has substantially a segment having an acidic group and an ion exchange group. A polyelectrolyte emulsion characterized by being a block copolymer composed of non-performing segments.
[2] The polymer electrolyte emulsion of [1] having a segment represented by the following formula (1) as a segment having an acidic group.
(In the formula, m represents an integer of 5 or more, and Ar 1 represents a divalent aromatic group having an acidic group.)
[3] A catalyst layer obtained from a catalyst composition containing the polymer electrolyte emulsion according to any one of the above and a catalyst component, a membrane electrode assembly having the catalyst layer, and a polymer electrolyte fuel cell.
[Selection figure] None
Description
本発明は、高分子電解質エマルション、およびこれを用いて製造される電極、膜電極接合体および固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte emulsion, and an electrode, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell produced using the same.
固体高分子型燃料電池は、近年、住宅用や自動車用などの用途における発電機としての実用化が期待されている。固体高分子型燃料電池は、水素と空気の酸化還元反応を促進する白金などの触媒を含む触媒層と呼ばれる電極を、上記高分子電解質膜の両面に形成し、さらに触媒層の外側にガスを効率的に触媒層に供給するためのガス拡散層を有する形態として用いられる。ここで、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成したものは、通常、膜電極接合体(以下、「MEA」ということもある。)と呼ばれている。 In recent years, solid polymer fuel cells are expected to be put to practical use as generators in applications such as residential use and automobile use. In the polymer electrolyte fuel cell, electrodes called catalyst layers containing a catalyst such as platinum that promotes the oxidation-reduction reaction between hydrogen and air are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, and gas is further introduced outside the catalyst layer. It is used as a form having a gas diffusion layer for efficiently supplying the catalyst layer. Here, what formed the catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane is generally called a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”).
かかるMEAは、高分子電解質膜上に直接触媒層を形成する方法、カーボンペーパーなどのガス拡散層となる基材上に触媒層を形成した後に、これを高分子電解質膜と接合する方法や、平板支持基材上に触媒層を形成して、これを高分子電解質膜に転写した後、該支持基材を剥離する方法などを用いて製造される。これらの方法では触媒層を形成するために触媒を分散または溶解させた液状組成物(以下、当業分野で広範に使用されている「触媒インク」という用語で呼ぶこともある。)を使用する。触媒インクは、通常、白金族金属を活性炭などに担持した触媒物質(触媒粉末)、ナフィオンに代表される高分子電解質を含む高分子電解質溶液もしくはディスパージョン、及び必要に応じて溶媒、撥水剤、造孔剤、増粘剤を混合、分散して得られるものである。これまで、このような触媒インクを改良することで、MEAの発電性能を向上させようという技術が多く開示されてきた。 Such MEA is a method of directly forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane, a method of forming a catalyst layer on a base material to be a gas diffusion layer such as carbon paper, and then bonding this to a polymer electrolyte membrane, A catalyst layer is formed on a flat support substrate, transferred to a polymer electrolyte membrane, and then manufactured using a method of peeling the support substrate. In these methods, a liquid composition in which a catalyst is dispersed or dissolved to form a catalyst layer (hereinafter also referred to as “catalyst ink” which is widely used in the art) is used. . The catalyst ink is usually a catalyst material (catalyst powder) in which a platinum group metal is supported on activated carbon, a polymer electrolyte solution or dispersion containing a polymer electrolyte typified by Nafion, and a solvent, water repellent as necessary. , A pore-forming agent and a thickener are mixed and dispersed. Until now, many techniques for improving the power generation performance of MEA by improving such a catalyst ink have been disclosed.
例えば、特許文献1には、ポリオルガノシロキサンを必須成分として含むスルホン化重合体粒子および水系媒体を含む水系分散体(エマルション)が、固体高分子型燃料電池の電極材料として用いることにより、発電性能に優れたMEAが得られることが開示されている。しかしながら、発電性能としては必ずしも充分ではなく、改善の余地があった。
本発明の目的は、MEAの発電性能の飛躍的な向上を可能とする電極材料に好適な高分子電解質エマルションを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte emulsion suitable for an electrode material capable of dramatically improving the power generation performance of MEA.
本発明者らは、より発電性能に優れるMEAを提供できる電極材料について鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、下記[1]に示す高分子電解質エマルションを提供するものである。
[1]高分子電解質粒子が分散媒中に分散した高分子電解質エマルションであって、該高分子電解質粒子に含まれる高分子電解質が、酸性基を有するセグメントとイオン交換基を実質的に有さないセグメントとからなるブロック共重合体であることを特徴とする高分子電解質エマルション
The inventors of the present invention have intensively studied an electrode material that can provide an MEA with more excellent power generation performance. As a result, the present invention has been completed.
That is, the present invention provides a polymer electrolyte emulsion shown in the following [1].
[1] A polymer electrolyte emulsion in which polymer electrolyte particles are dispersed in a dispersion medium, and the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte particles substantially has a segment having an acidic group and an ion exchange group. A polyelectrolyte emulsion characterized by being a block copolymer comprising no segments
さらに、本発明は[1]に適用する好適な高分子電解質として、下記[2]〜[5]を提供する。
[2]動的光散乱法により求められる体積平均粒径が100nm〜200μmである、[1]の高分子電解質エマルション
[3]上記高分子電解質が芳香族炭化水素系高分子である、[1]または[2]の高分子電解質エマルション
[4]上記高分子電解質が、酸性基を有するセグメントとして、下記式(1)で表されるセグメントを有する高分子電解質である、[1]〜[3]のいずれかの高分子電解質エマルション
(式中、mは5以上の整数を表し、Ar1は2価の芳香族基を表し、ここで該2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい。なお、m個あるAr1の一部または全部に酸性基を有する。Xは直接結合または2価の基を表す。)
[5]上記高分子電解質が、イオン交換基を実質的に有さないセグメントとして、下記式(3)で表されるセグメントを有する高分子電解質である、[1]〜[4]のいずれかの高分子電解質エマルション
(式中、a、b、cは互いに独立に0か1を表し、nは5以上の整数を表す。Ar2、Ar3、Ar4、Ar5は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基、置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で、または置換されていてもよいアリールカルボニル基で置換されていてもよい。X、X’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表す。Y、Y'は、互いに独立に酸素原子または硫黄原子を表す。)
Furthermore, the present invention provides the following [2] to [5] as suitable polymer electrolytes applied to [1].
[2] The polymer electrolyte emulsion of [1], wherein the volume average particle size determined by a dynamic light scattering method is 100 nm to 200 μm. [3] The polymer electrolyte is an aromatic hydrocarbon polymer. ] Or [2] polymer electrolyte emulsion [4] The polymer electrolyte is a polymer electrolyte having a segment represented by the following formula (1) as a segment having an acidic group: [1] to [3] ] Any of the polymer electrolyte emulsions
(In the formula, m represents an integer of 5 or more, Ar 1 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group may have a substituent. (A part or all of Ar 1 has an acidic group. X represents a direct bond or a divalent group.)
[5] Any of [1] to [4], wherein the polymer electrolyte is a polymer electrolyte having a segment represented by the following formula (3) as a segment substantially having no ion exchange group. Polyelectrolyte emulsion
(In the formula, a, b and c each independently represent 0 or 1, and n represents an integer of 5 or more. Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 and Ar 5 independently represent a divalent aromatic group. Wherein these divalent aromatic groups are optionally substituted alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms, optionally substituted alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms, An aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and 2 to 2 carbon atoms which may have a substituent. It may be substituted with an acyl group of 20 or an optionally substituted arylcarbonyl group, X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, and Y and Y ′ Independently represents an oxygen atom or a sulfur atom.)
また、本発明は上記いずれかの高分子電解質エマルションを使用した、下記の[6]〜[11]を提供する。
[6]固体高分子型燃料電池の電極用に使用される、[1]〜[5]のいずれかの高分子電解質エマルション
[7]上記高分子電解質に対する良溶媒の含有量が200ppm以下であることを特徴とする、[6]の高分子電解質エマルション
[8]上記いずれかに記載の高分子電解質エマルションと、触媒成分とを含む触媒組成物。
[9][8]の触媒組成物からなる固体高分子型燃料電池用電極
[10][9]の固体高分子型燃料電池用電極を有する、膜電極接合体
[11][10]の膜電極接合体を有する、固体高分子型燃料電池
The present invention also provides the following [6] to [11] using any of the above polymer electrolyte emulsions.
[6] The polymer electrolyte emulsion of any one of [1] to [5] used for an electrode of a solid polymer fuel cell [7] The content of a good solvent with respect to the polymer electrolyte is 200 ppm or less. [6] A polymer composition comprising the polymer electrolyte emulsion according to any one of the above [8] and a catalyst component.
[9] Membrane of membrane electrode assembly [11] [10] having electrode for polymer electrolyte fuel cell [10] [9] comprising polymer catalyst composition of [8] Solid polymer fuel cell having an electrode assembly
本発明の高分子電解質エマルションを用いた触媒インクによれば、優れた発電性能を有するMEAを製造するための電極を提供できる。このようなMEAは、発電性能に優れた燃料電池を提供できるため、工業的に極めて有用である。 According to the catalyst ink using the polymer electrolyte emulsion of the present invention, an electrode for producing MEA having excellent power generation performance can be provided. Such an MEA is extremely useful industrially because it can provide a fuel cell with excellent power generation performance.
以下、本発明の好適な実施態様について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
<高分子電解質>
まず、本発明の高分子電解質エマルションに適用する好適な高分子電解質について説明する。本発明の高分子電解質エマルションでは、イオン交換基として酸性基を有する高分子電解質が使用される。かかる酸性基を有する高分子電解質を用いると、塩基性基を有する高分子電解質に比べ一層発電性能に優れた燃料電池が得ることが可能となる。
<Polymer electrolyte>
First, the suitable polymer electrolyte applied to the polymer electrolyte emulsion of this invention is demonstrated. In the polymer electrolyte emulsion of the present invention, a polymer electrolyte having an acidic group as an ion exchange group is used. When such a polymer electrolyte having an acidic group is used, it becomes possible to obtain a fuel cell having further excellent power generation performance as compared with a polymer electrolyte having a basic group.
該酸性基としては、例えば、スルホン酸基(−SO3H)、カルボキシル基(−COOH)、ホスホン酸基(−PO(OH)2)、ホスフィン酸基(−POH(OH)、スルホンイミド基(−SO2NHSO2−)、フェノール性水酸基(−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す))などが挙げられる。中でも、スルホン酸基またはホスホン酸基がより好ましく、スルホン酸基が更に好ましい。 Examples of the acidic group include a sulfonic acid group (—SO 3 H), a carboxyl group (—COOH), a phosphonic acid group (—PO (OH) 2 ), a phosphinic acid group (—POH (OH), and a sulfonimide group. (-SO 2 NHSO 2- ), phenolic hydroxyl group (-Ph (OH) (Ph represents a phenyl group)), etc. Among them, a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is more preferable, and a sulfonic acid group is more preferable. preferable.
本発明に適用される高分子電解質は、酸性基を有するセグメントと、イオン交換基を実質的に有さないセグメントとからなるブロック共重合体であることを特徴とする。この高分子電解質は、これらのセグメントを一つずつ有するブロック共重合体であってもよく、いずれか一方のセグメントを2つ以上有するブロック共重合体であってもよく、両方のセグメントを2つ以上有するマルチブロック共重合体のいずれであってもよい。
電極材料を製造する、上記特許文献1に記載の水系分散体は、明示はされていないものの、開示されている製造方法から得られる高分子電解質は、その分子中にスルホン酸基(イオン交換基)がランダムに導入されているランダム重合体であった。
The polymer electrolyte applied to the present invention is a block copolymer composed of a segment having an acidic group and a segment having substantially no ion exchange group. This polyelectrolyte may be a block copolymer having one of these segments, or may be a block copolymer having two or more of any one segment, and two of both segments. Any of the above multiblock copolymers may be used.
Although the aqueous dispersion described in
本発明者らは、かかる高分子電解質の重合シーケンスを詳細に検討したところ、驚くべきことに、上記の酸性基を有するセグメントと、イオン交換基を実質的に有さないセグメントとからなるブロック共重合体を用いた高分子電解質エマルションから電極を製造すると、これまで開示されている水系分散体よりも、発電性能を向上できることを見出した。この理由については、定かではないが、上記ブロック共重合体を高分子電解質粒子として含むエマルションは、粒子1つ1つの表面に、酸性基を有するセグメントが密となり、内部はイオン交換基が実質的に有さないセグメントが密となる形態を発現し、かかるエマルションから得られる電極は、電極反応に係るイオン交換基を密とする粒子が連なってなる形態となることから、効率的に電極反応が生じ、発電性能が優れるものが得られると推定される。
かかる推定を、図1を用いて説明する。図1は、実線で表す酸性基を有するブロック1と、一点鎖線で表すイオン交換基を実質的に有さないブロック2からなるジブロック共重合体の場合において形成される、高分子電解質粒子を表す推定模式図である。粒子中心部にブロック2が凝集し、粒子表面に向けてブロック1があるとすると、後述する燃料電池用電極の電極反応に係るブロック1が粒子表面により存在することから、高い発電性能に寄与すると推定される。従来、このような考えに基づいてなる、高分子電解質エマルションは何ら開示されていなかった。
The present inventors have examined the polymerization sequence of such a polyelectrolyte in detail, and surprisingly, it is surprising that a block copolymer comprising the above-mentioned segment having an acidic group and a segment having substantially no ion-exchange group. It has been found that when an electrode is produced from a polymer electrolyte emulsion using a polymer, the power generation performance can be improved as compared with the aqueous dispersions disclosed so far. The reason for this is not clear, but in the emulsion containing the block copolymer as a polymer electrolyte particle, segments having acidic groups are dense on the surface of each particle, and the inside has substantial ion exchange groups. The electrode obtained from such an emulsion develops a form in which the segments that are not present are dense, and the form in which particles that are dense with the ion exchange groups involved in the electrode reaction are in a continuous form. It is estimated that the power generation performance is excellent.
Such estimation will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows polymer electrolyte particles formed in the case of a diblock copolymer comprising a
なお、「酸性基を有する」セグメントとは、当該セグメントを主として構成している繰り返し単位の多くが酸性基を有していることを意味する。具体的には、酸性基が、かかるセグメントを構成している繰り返し単位1個あたりの平均で計算して、0.5個以上含まれているセグメントである。かかるイオン交換基を有するセグメントとしては、そのセグメントを構成している繰り返し単位1個あたり、酸性基が1.0個以上含まれているセグメントであると、より好ましい。 The “having an acidic group” segment means that many of the repeating units mainly constituting the segment have an acidic group. Specifically, it is a segment containing 0.5 or more acidic groups calculated on the average per repeating unit constituting such a segment. The segment having such an ion exchange group is more preferably a segment containing 1.0 or more acidic groups per repeating unit constituting the segment.
また、「イオン交換基を実質的に有さない」セグメントとは、かかるセグメントを主として構成している繰り返し単位の多くがイオン交換基(酸性基および塩基性基)を有していないことを意味し、具体的には、イオン交換基が、当該セグメントを構成している繰り返し単位1個あたりの平均で計算して、0.1個以下であるセグメントである。かかるイオン交換基を実質的に有さないセグメントとしては、そのセグメントを構成している繰り返し単位1個あたりのイオン交換基が0.05個以下であると好ましく、セグメントを構成している繰り返し単位の全てがイオン交換基を有していないと更に好ましい。 The “substantially free of ion exchange groups” segment means that many of the repeating units mainly constituting such segments do not have ion exchange groups (acidic groups and basic groups). Specifically, the ion exchange group is a segment having an average number of 0.1 or less per repeating unit constituting the segment. As the segment substantially free of ion exchange groups, the number of ion exchange groups per repeating unit constituting the segment is preferably 0.05 or less, and the repeating unit constituting the segment It is more preferable that all of these have no ion exchange group.
イオン交換基を実質的に有さないセグメントの代表例としては、例えば(A)主鎖が脂肪族炭化水素鎖からなるセグメント;(B)脂肪族炭化水素鎖の水素原子が全てあるいは一部がフッ素原子に置換されたセグメント;(C)主鎖が芳香環を有する高分子鎖からなるセグメント;(D)主鎖に実質的に炭素原子を含まないポリシロキサン、ポリフォスファゼンなどの高分子鎖からなるセグメント;(E)主鎖あるいは側鎖に窒素原子を含む高分子鎖からなるセグメントなどが挙げられる。 Typical examples of the segment having substantially no ion exchange group include, for example, (A) a segment in which the main chain is an aliphatic hydrocarbon chain; (B) all or part of the hydrogen atoms in the aliphatic hydrocarbon chain A segment substituted with a fluorine atom; (C) a segment composed of a polymer chain in which the main chain has an aromatic ring; (D) a polymer chain such as polysiloxane or polyphosphazene substantially free of carbon atoms in the main chain. (E) A segment composed of a polymer chain containing a nitrogen atom in the main chain or side chain.
一方、酸性基を有するセグメントの代表例としては、例えば(F)主鎖が脂肪族炭化水素からなる高分子鎖に酸性基が導入されたセグメント;(G)脂肪族炭化水素の水素原子が全てあるいは一部がフッ素原子に置換された高分子鎖に酸性基が導入されたセグメント;(H)主鎖が芳香環を有する高分子鎖に酸性基が導入されたセグメント;(I)主鎖に実質的に炭素原子を含まないポリシロキサン、ポリフォスファゼンなどの高分子鎖からなり、該高分子鎖に酸性基が導入されたセグメント;(J)ポリベンズイミダゾールなどの主鎖に窒素原子を含む高分子鎖からなり、酸性基が主鎖に直接あるいは側鎖を通して直接結合したセグメント、(K)ポリベンズイミダゾールなどの主鎖に窒素原子を含む高分子鎖からなり、硫酸やリン酸などの酸性化合物をイオン結合により導入したセグメントなどが挙げられる。 On the other hand, typical examples of the segment having an acidic group include, for example, (F) a segment in which an acidic group is introduced into a polymer chain whose main chain is an aliphatic hydrocarbon; and (G) all the hydrogen atoms of the aliphatic hydrocarbon. Or a segment in which an acidic group is introduced into a polymer chain partially substituted with fluorine atoms; (H) a segment in which an acidic group is introduced into a polymer chain in which the main chain has an aromatic ring; A segment consisting of a polymer chain substantially free of carbon atoms such as polysiloxane and polyphosphazene, wherein an acidic group is introduced into the polymer chain; (J) a main chain such as polybenzimidazole containing a nitrogen atom A segment consisting of a polymer chain with an acidic group directly bonded to the main chain or through a side chain, (K) a polymer chain containing a nitrogen atom in the main chain such as polybenzimidazole, sulfuric acid, phosphoric acid, etc. Such as an acidic compound segments introduced by ionic bond.
本発明の高分子電解質においては、イオン交換基を実質的に有さないセグメントとして、上記の(A)〜(E)から選択される少なくとも1つのセグメントと、酸性基を有するセグメントとして、上記の(F)〜(K)から選択される少なくとも1つのセグメントを、それぞれ有するブロック共重合体が例示される。これらのセグメントの組み合わせに特に制限はないが、より本発明の効果を高めるためには、イオン交換基を実質的に有さないセグメントとして、上記(C)のセグメントを有するブロック共重合体が好ましく、酸性基を有するセグメントとして、上記(H)のセグメントを有するブロック共重合体が好ましく、上記(C)で表されるセグメントと、上記(H)であるセグメントを共に有するブロック共重合体、すなわち芳香族炭化水素系高分子電解質がより好ましい。ここで、「芳香族炭化水素系高分子」とは、かかる高分子を構成する主鎖が、主として芳香環が直接あるいは2価の基によって連結された形態であり、該高分子を構成する元素組成において、フッ素原子の重量分率が15重量%以下であることを意味する。 In the polymer electrolyte of the present invention, as a segment having substantially no ion exchange group, at least one segment selected from the above (A) to (E) and a segment having an acidic group, Examples are block copolymers each having at least one segment selected from (F) to (K). The combination of these segments is not particularly limited, but in order to further enhance the effects of the present invention, a block copolymer having the above-mentioned segment (C) is preferable as a segment having substantially no ion exchange group. The block copolymer having the segment (H) is preferable as the segment having an acidic group, and the block copolymer having both the segment (C) and the segment (H), that is, An aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is more preferable. Here, the “aromatic hydrocarbon-based polymer” is a form in which the main chain constituting such a polymer is mainly formed by connecting aromatic rings directly or by a divalent group, and constituting the polymer. In the composition, it means that the weight fraction of fluorine atoms is 15% by weight or less.
上記に示した中でも好適なブロック共重合体である、上記(C)で表されるセグメントと、上記(H)であるセグメントを共に有するブロック共重合体について詳細を説明する。
上記(H)で表されるセグメントとしては、例えば、下記式(1)で表されるセグメントが挙げられる。
(式中、mは5以上の整数を表し、Ar1は2価の芳香族基を表し、ここで該2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい。なお、m個あるAr1の一部または全部に酸性基を有する。Xは直接結合または2価の基を表す。)
The block copolymer having both the segment represented by (C) and the segment (H), which is a preferred block copolymer among the above, will be described in detail.
As a segment represented by said (H), the segment represented by following formula (1) is mentioned, for example.
(In the formula, m represents an integer of 5 or more, Ar 1 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group may have a substituent. (A part or all of Ar 1 has an acidic group. X represents a direct bond or a divalent group.)
ここで、式(1)におけるmは5以上の整数を表し、5〜1000の範囲が好ましく、さらに好ましくは10〜1000であり、特に好ましくは20〜500である。mの値が5以上であると、かかるセグメントが発現するイオン伝導度が十分となり、より発電性能を向上できることから、燃料電池用部材として好ましい。mの値が1000以下であれば、製造がより容易であるので好ましい。 Here, m in Formula (1) represents an integer of 5 or more, preferably in the range of 5 to 1000, more preferably 10 to 1000, and particularly preferably 20 to 500. When the value of m is 5 or more, the ion conductivity expressed by such a segment becomes sufficient, and the power generation performance can be further improved, so that it is preferable as a member for a fuel cell. If the value of m is 1000 or less, it is preferable because production is easier.
上記一般式(1)におけるAr1は、2価の芳香族基を表す。該2価の芳香族基としては、例えば、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基などの2価の単環性芳香族基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基などの2価の縮環系芳香族基、ピリジンジイル基、キノキサリンジイル基、チオフェンジイル基などの2価の芳香族複素環基などが挙げられる。好ましくは2価の単環性芳香族基である。また、上記一般式(1)で表されるセグメントはAr1の一部または全部に酸性基を有するものであり、かかる酸性基は、Ar1にある芳香環に直接結合していてもよく、2価の基をスペーサーとして結合している形態でもよく、その組合わせであってもよい。 Ar 1 in the general formula (1) represents a divalent aromatic group. Examples of the divalent aromatic group include divalent monocyclic aromatic groups such as 1,3-phenylene group and 1,4-phenylene group, 1,3-naphthalenediyl group, and 1,4-naphthalene. Divalent condensed ring system such as diyl group, 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group And divalent aromatic heterocyclic groups such as aromatic groups, pyridinediyl groups, quinoxalinediyl groups, and thiophenediyl groups. A divalent monocyclic aromatic group is preferred. In addition, the segment represented by the general formula (1) has an acidic group in part or all of Ar 1 , and the acidic group may be directly bonded to the aromatic ring in Ar 1 . The form which couple | bonded the bivalent group as a spacer may be sufficient, and the combination may be sufficient.
また、Ar1は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。 Ar 1 may have an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, or a substituent. It is substituted with an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent. May be.
ここで、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、2,2−ジメチルプロピル基、シクロペンチル基、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、2−メチルペンチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、イコシル基などの炭素数1〜20のアルキル基、およびこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアルキル基が挙げられる。 Here, as the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms which may have a substituent, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, sec-butyl group, isobutyl group N-pentyl group, 2,2-dimethylpropyl group, cyclopentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, 2-methylpentyl group, 2-ethylhexyl group, nonyl group, dodecyl group, hexadecyl group, octadecyl group, icosyl group Alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms such as fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group And an alkyl group having a total carbon number of 20 or less.
また、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基としては、例えばメトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、n−ブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、n−ペンチルオキシ基、2,2−ジメチルプロピルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、2−メチルペンチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、ドデシルオキシ基、ヘキサデシルオキシ基、イコシルオキシ基などの炭素数1〜20のアルコキシ基、およびこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアルコキシ基が挙げられる。 Examples of the optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms include methoxy group, ethoxy group, n-propyloxy group, isopropyloxy group, n-butyloxy group, sec-butyloxy group, tert. -Butyloxy group, isobutyloxy group, n-pentyloxy group, 2,2-dimethylpropyloxy group, cyclopentyloxy group, n-hexyloxy group, cyclohexyloxy group, 2-methylpentyloxy group, 2-ethylhexyloxy group, Alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms such as dodecyloxy group, hexadecyloxy group, icosyloxy group and the like, fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl Group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyl group Such as carboxymethyl groups are substituted, the total carbon number and an alkoxy group having 20 or less.
置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基としては、例えばフェニル基、ナフチル基、フェナントレニル基、アントラセニル基などのアリール基、およびこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアリール基が挙げられる。 Examples of the aryl group having 6 to 20 carbon atoms that may have a substituent include aryl groups such as a phenyl group, a naphthyl group, a phenanthrenyl group, and an anthracenyl group, and these groups include a fluorine atom, a hydroxyl group, and a nitrile group. An amino group, a methoxy group, an ethoxy group, an isopropyloxy group, a phenyl group, a naphthyl group, a phenoxy group, a naphthyloxy group, and the like are substituted, and an aryl group having a total carbon number of 20 or less is exemplified.
置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基としては、例えばフェノキシ基、ナフチルオキシ基、フェナントレニルオキシ基、アントラセニルオキシ基などのアリールオキシ基、およびこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアリールオキシ基が挙げられる。 Examples of the aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms that may have a substituent include aryloxy groups such as a phenoxy group, a naphthyloxy group, a phenanthrenyloxy group, and an anthracenyloxy group, and these The group is substituted with fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, etc., and the total number of carbon atoms is 20 or less An aryloxy group is mentioned.
置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基としては、例えばアセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、ベンゾイル基、1−ナフトイル基、2−ナフトイル基などの炭素数2〜20のアシル基、およびこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアシル基が挙げられる。 Examples of the acyl group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent include 2 carbon atoms such as acetyl group, propionyl group, butyryl group, isobutyryl group, benzoyl group, 1-naphthoyl group and 2-naphthoyl group. ~ 20 acyl groups, and these groups are substituted with fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, etc. The acyl group whose total carbon number is 20 or less is mentioned.
上記式(1)で表されるセグメントを具体的に下記に例示する。Xが直接結合である(A−1)〜(A−14)、Xが酸素原子である(B−1)〜(B−13)、Xが酸素原子であり、Ar1が2つの芳香環がスルホニル基、カルボニル基または炭化水素基で結合された芳香族基である(C−1)〜(C−11)、Xが硫黄原子である(D−1)〜(D−6)から選ばれる構造単位が挙げられ、これらがm個結合したセグメントを形成し、かかるセグメントに少なくも0.5×m個以上の酸性基を有するセグメントを挙げることができる。なお、下記の例示において、−Phはフェニル基であることを示す。 Specific examples of the segment represented by the above formula (1) are given below. X is a direct bond (A-1) to (A-14), X is an oxygen atom (B-1) to (B-13), X is an oxygen atom, Ar 1 is two aromatic rings Is an aromatic group bonded with a sulfonyl group, a carbonyl group or a hydrocarbon group (C-1) to (C-11), and X is a sulfur atom (D-1) to (D-6) And a segment having m bonded segments, and a segment having at least 0.5 × m or more acidic groups. In the following examples, -Ph represents a phenyl group.
上記で例示した構造単位において、酸性基を有する構造単位とは、かかる構造単位にある芳香環に、酸性基および下記式(2)に例示したものからなる群から選ばれる、酸性基を有する基が少なくとも1個以上結合していることを意味する。
(上式中、Zは酸性基であり、r、sは、それぞれ独立に、0〜12の整数であり、Tは、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、スルホニル基のいずれかを表す。*は結合手を表す。)
In the structural unit exemplified above, the structural unit having an acidic group is a group having an acidic group selected from the group consisting of an acidic group and those exemplified in the following formula (2) on the aromatic ring in the structural unit. Means that at least one is bonded.
(In the above formula, Z is an acidic group, r and s are each independently an integer of 0 to 12, and T represents any of an oxygen atom, a sulfur atom, a carbonyl group, and a sulfonyl group. Represents a bond.)
上記に例示した、酸性基を有するセグメントを構成する構造単位としては、(A−1)、(A−2)、(A−5)、(A−9)、(A−13)、(B−1)、(B-12)、(C−1)、(C−4)、(C−7)、(C−10)、(C−11)であると好ましく、(A−1)、(A−2)(A−5)、(A−10)、(C−1)、(C−11)であるとさらに好ましく、(A−1)、(A−2)または(A−10)であると特に好ましい。これらの構造単位がm個連結されてなり、かかるセグメントの中で、(0.5×m)個以上の構造単位に、酸性基を有しているセグメントが好ましく、m個ある全ての構造単位に酸性基を有していると特に好ましい。 The structural units constituting the segment having an acidic group exemplified above are (A-1), (A-2), (A-5), (A-9), (A-13), (B -1), (B-12), (C-1), (C-4), (C-7), (C-10), and (C-11), preferably (A-1), (A-2) (A-5), (A-10), (C-1) and (C-11) are more preferred, and (A-1), (A-2) or (A-10). ) Is particularly preferred. Among these segments, m of these structural units are linked, and among these segments, (0.5 × m) or more structural units are preferably segments having an acidic group, and all m structural units It is particularly preferable that has an acidic group.
一方、好適なイオン交換基を実質的に有さないセグメントとは、下記式(3)で表されるセグメントである。
(式中、a、b、cは互いに独立に0か1を表し、nは5以上の整数を表す。Ar2、Ar3、Ar4、Ar5は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基、置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で、または置換されていてもよいアリールカルボニル基で置換されていてもよい。X、X’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表す。Y、Y’は、互いに独立に酸素原子または硫黄原子を表す。)
On the other hand, the segment having substantially no suitable ion exchange group is a segment represented by the following formula (3).
(In the formula, a, b and c each independently represent 0 or 1, and n represents an integer of 5 or more. Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 and Ar 5 independently represent a divalent aromatic group. Wherein these divalent aromatic groups are optionally substituted alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms, optionally substituted alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms, An aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and 2 to 2 carbon atoms which may have a substituent. It may be substituted with an acyl group of 20 or an optionally substituted arylcarbonyl group, X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, and Y and Y ′ Independently represents an oxygen atom or a sulfur atom.)
ここで、式(3)におけるa、b、cは互いに独立に0か1を表す。nは5以上の整数を表し、5〜200であると好ましい。nの値が小さ過ぎると、耐水性や耐久性が不十分であったりするなどの問題が生じやすくなるため、nは10以上であると特に好ましい。
また、式(3)におけるAr2、Ar3、Ar4、Ar5は、互いに独立に2価の芳香族基を表す。2価の芳香族基としてはAr1に例示したものと同様のものが挙げられる。
Here, a, b, and c in Formula (3) each independently represent 0 or 1. n represents an integer of 5 or more, and is preferably 5 to 200. If the value of n is too small, problems such as insufficient water resistance and durability are likely to occur. Therefore, n is particularly preferably 10 or more.
Further, Ar 2, Ar 3 in the formula (3), Ar 4, Ar 5 represents a divalent aromatic group independently of each other. Examples of the divalent aromatic group include the same groups as those exemplified for Ar 1 .
また、Ar2、Ar3、Ar4は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基、置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアリールカルボニル基で、置換されていてもよく、これらは、上記のAr1において例示したものと同様のものが挙げられる。
式(3)におけるY、Y’は、互いに独立に酸素原子または硫黄原子を表す。また、式(3)におけるX、X’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表すものであるが、中でも、カルボニル基、スルホニル基、2,2−イソプロピリデン基、または9,9−フルオレンジイル基であると好ましい。
Ar 2 , Ar 3 , and Ar 4 are each an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and a substituent. An aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and an aryl group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent. It may be substituted with an acylcarbonyl group or an arylcarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and examples thereof include those exemplified for Ar 1 above.
Y and Y ′ in the formula (3) each independently represent an oxygen atom or a sulfur atom. X and X ′ in the formula (3) each independently represent a direct bond or a divalent group. Among them, a carbonyl group, a sulfonyl group, a 2,2-isopropylidene group, or 9,9 -A fluorenediyl group is preferred.
式(3)で表される構造単位の好ましい代表例としては、例えば以下のものが挙げられる。なお、nは上記一般式(3)と同義である。
Preferable representative examples of the structural unit represented by the formula (3) include the following. In addition, n is synonymous with the said General formula (3).
具体的に、本発明に適用する好適なブロック共重合体としては下記の表1、表2および表3に表した、(H−1)〜(H−50)が例示される。 Specifically, (H-1) to (H-50) shown in the following Table 1, Table 2, and Table 3 are exemplified as suitable block copolymers to be applied to the present invention.
とりわけ、好ましいブロック共重合体としては、
が挙げられる。
In particular, preferred block copolymers include
Is mentioned.
なお、ブロック共重合体を形成する酸性基を有するブロックと、イオン交換基を実質的に有さないブロックの存在比率は、各々のブロックの種類によって最適化できるものであるが、好適には、高分子電解質総重量に対して、酸性基を有するブロックが30重量%〜60重量%の範囲である。 The abundance ratio of the block having an acidic group that forms the block copolymer and the block having substantially no ion exchange group can be optimized depending on the type of each block. The block having an acidic group is in the range of 30% by weight to 60% by weight with respect to the total weight of the polymer electrolyte.
<平均粒径>
本発明の高分子電解質エマルションが含有する粒子の平均粒径は動的光散乱法に基づく測定により求められた体積平均粒子径で表して、100nm〜200μmの範囲が好適である。かかる平均粒径としては、好ましくは、150nm〜10μmの範囲であり、さらに好ましくは、200nm〜1μmの範囲である。高分子電解質粒子の平均粒径が上記の範囲であると、得られる高分子電解質エマルションが実用的な貯蔵安定性を有するものとなり、被膜を形成させたとき、該被膜の均一性が比較的良好となる利点がある。なお、上記粒子とは、高分子電解質からなる高分子電解質粒子はもとより、後述するような添加剤を使用する場合は、高分子電解質と添加剤とを含む粒子、添加剤からなる粒子など、高分子電解質エマルションに粒子状に分散している全てを含む概念である。
<Average particle size>
The average particle diameter of the particles contained in the polymer electrolyte emulsion of the present invention is represented by a volume average particle diameter determined by measurement based on a dynamic light scattering method, and is preferably in the range of 100 nm to 200 μm. The average particle size is preferably in the range of 150 nm to 10 μm, and more preferably in the range of 200 nm to 1 μm. When the average particle diameter of the polymer electrolyte particles is in the above range, the obtained polymer electrolyte emulsion has practical storage stability, and when the film is formed, the uniformity of the film is relatively good. There is an advantage to become. The above-mentioned particles are not only polymer electrolyte particles made of a polymer electrolyte but also particles containing a polymer electrolyte and an additive, particles made of an additive, etc. It is a concept that includes all particles dispersed in a molecular electrolyte emulsion.
<高分子電解質エマルション>
本発明の高分子電解質エマルションの作製方法は、高分子電解質からなる高分子電解質粒子が分散媒中に分散させることができる範囲において、特に制限はない。一つの例を挙げると、高分子電解質を、該高分子電解質の良溶媒に溶解して高分子電解質溶液を得、次いで、この高分子電解質溶液を、エマルションの分散媒たる別の溶媒(該高分子電解質の貧溶媒)に滴下して、高分子電解質粒子を貧溶媒中で析出・分散せしめて高分子電解質分散液を得る作製方法が例示される。さらに得られた高分子電解質分散液中に含まれる該良溶媒を透析膜などの膜分離を用いて除去する工程や、さらに、高分子電解質分散液を蒸留などで濃縮して高分子電解質粒子濃度を調整することが、好ましい作製方法として示すことができる。この方法により、あらゆる高分子電解質から高分子電解質エマルションを作製することができる。なお、例示した作製方法において、「良溶媒」と「貧溶媒」の定義は、25℃における溶媒100gに溶解し得る高分子電解質の重量で規定されるものであり、良溶媒とは、0.1g以上の高分子電解質が可溶である溶媒であり、貧溶媒とは、高分子電解質が0.05g以下しか溶解し得ない溶媒である。高分子電解質エマルション中の良溶媒の残存量は、200ppm以下であると好ましく、100ppm以下であるとさらに好ましく、50ppm以下であると、より好ましく、かかる膜分離を経て得られる高分子電解質エマルション中に、高分子電解質溶液を調製する工程にて使用した良溶媒が実質的に含まれない程度まで除去することが、特に好ましい。
<Polymer electrolyte emulsion>
The method for producing the polymer electrolyte emulsion of the present invention is not particularly limited as long as the polymer electrolyte particles comprising the polymer electrolyte can be dispersed in the dispersion medium. As one example, a polymer electrolyte is dissolved in a good solvent of the polymer electrolyte to obtain a polymer electrolyte solution, and then this polymer electrolyte solution is added to another solvent (the high solvent of the emulsion). An example is a production method in which a polymer electrolyte dispersion is obtained by dropping the polymer electrolyte particles into a poor solvent of the molecular electrolyte and precipitating and dispersing the polymer electrolyte particles in the poor solvent. Further, the step of removing the good solvent contained in the obtained polymer electrolyte dispersion using membrane separation such as dialysis membrane, and further, the polymer electrolyte dispersion is concentrated by distillation etc. It can be shown as a preferable manufacturing method to adjust. By this method, a polymer electrolyte emulsion can be produced from any polymer electrolyte. In the exemplified production method, the definitions of “good solvent” and “poor solvent” are defined by the weight of the polymer electrolyte that can be dissolved in 100 g of the solvent at 25 ° C. The solvent in which 1 g or more of the polymer electrolyte is soluble is a poor solvent, and the poor solvent is a solvent in which the polymer electrolyte can dissolve only 0.05 g or less. The residual amount of the good solvent in the polymer electrolyte emulsion is preferably 200 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, more preferably 50 ppm or less, in the polymer electrolyte emulsion obtained through such membrane separation. It is particularly preferable that the good solvent used in the step of preparing the polymer electrolyte solution is removed to such an extent that the good solvent is not substantially contained.
<分散媒>
高分子電解質粒子を分散させる貧溶媒は、適用する高分子電解質の分散安定性を妨げない限り、特に制限はなく、水、メタノールやエタノールなどのアルコール系溶媒、ヘキサンやトルエンなどの非極性有機溶媒、もしくはこれらの混合物が用いられる。しかしながら、工業的に使用した場合の環境負荷低減の観点から、水もしくは水を主成分とした溶媒が好ましく用いられる。
<Dispersion medium>
The poor solvent for dispersing the polymer electrolyte particles is not particularly limited as long as it does not interfere with the dispersion stability of the applied polymer electrolyte. Water, alcohol solvents such as methanol and ethanol, and nonpolar organic solvents such as hexane and toluene Or a mixture thereof. However, from the viewpoint of reducing environmental burden when used industrially, water or a solvent containing water as a main component is preferably used.
<高分子電解質濃度>
本発明の高分子電解質エマルションの高分子電解質濃度は0.1〜10重量%である。ここで、高分子電解質濃度とは、適用した高分子電解質の総重量を、得られた高分子電解質エマルションの総重量で除した値で定義するものである。該高分子電解質濃度としては、好ましくは0.5〜5重量%、さらに好ましくは1〜2重量%である。高分子電解質濃度が上記の範囲であれば、被膜を形成するのに多量の溶媒を必要としないことから効率的であり、塗布性にも優れるため、好ましい。
<Polymer electrolyte concentration>
The polymer electrolyte concentration of the polymer electrolyte emulsion of the present invention is 0.1 to 10% by weight. Here, the polymer electrolyte concentration is defined as a value obtained by dividing the total weight of the applied polymer electrolyte by the total weight of the obtained polymer electrolyte emulsion. The concentration of the polymer electrolyte is preferably 0.5 to 5% by weight, more preferably 1 to 2% by weight. If the polymer electrolyte concentration is in the above range, it is preferable because a large amount of solvent is not required to form a coating film, and it is excellent in coating properties.
<乳化剤>
本発明の高分子電解質エマルションには、より良好な分散安定性を付与するために、本発明の企図する効果を損なわない範囲で、乳化剤を添加してもよい。乳化剤として用いられる界面活性剤としては、例えばアルキル硫酸エステル(塩)、アルキルアリール硫酸エステル(塩)、アルキルリン酸エステル(塩)、脂肪酸(塩)などのアニオン系界面活性剤;アルキルアミン塩、アルキル四級アミン塩などのカチオン系界面活性剤;ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテル、ブロック型ポリエーテルなどのノニオン系界面活性剤;カルボン酸型(例えば、アミノ酸型、ベタイン酸型など)、スルホン酸型などの両性界面活性剤、商品名で、ラテムルS−180A〔花王社製〕、エレミノールJS−2〔三洋化成社製〕、アクアロンHS−10、KH−10〔第一工業製薬社製〕、アデカリアソープSE−10N、SR−10〔旭電化工業社製〕、Antox MS−60〔日本乳化剤社製〕などの反応性乳化剤などのいずれでも使用可能である。
<Emulsifier>
In order to give better dispersion stability to the polymer electrolyte emulsion of the present invention, an emulsifier may be added as long as the effect intended by the present invention is not impaired. Examples of surfactants used as emulsifiers include anionic surfactants such as alkyl sulfates (salts), alkylaryl sulfates (salts), alkyl phosphates (salts), and fatty acids (salts); alkylamine salts, Cationic surfactants such as alkyl quaternary amine salts; Nonionic surfactants such as polyoxyethylene alkyl ethers, polyoxyethylene alkyl aryl ethers and block polyethers; Carboxylic acid types (for example, amino acid types, betaine acid types) ), Amphoteric surfactants such as sulfonic acid type, and trade names of Latmul S-180A (manufactured by Kao Corporation), Eleminol JS-2 (manufactured by Sanyo Kasei Co., Ltd.), Aqualon HS-10, KH-10 (Daiichi Kogyo) Manufactured by Pharmaceutical Co., Ltd.], Adekari Soap SE-10N, SR-10 [Asahi Denka Kogyo Co., Ltd.], An ox MS-60 [manufactured by Nippon Emulsifier Co., Ltd.], it is possible to use any of such reactive emulsifier such as.
親水性基を有するポリマーのうち、分散媒に可溶で、分散機能を有するものも乳化剤として使用することができる。このようなポリマーとしては、スチレン・マレイン酸共重合体、スチレン・アクリル酸共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアルキレングリコール、ポリイソプレンのスルホン化物、水添スチレン・ブタジエン共重合体のスルホン化物、スチレン・マレイン酸共重合体のスルホン化物、スチレン・アクリル酸共重合体のスルホン化物などを挙げることができる。特にスルホン酸基を有するポリマーを酸型のまま用いることで体積抵抗を小さくすることができる。このようなポリマーとしては、ポリイソプレンのスルホン化物、水添スチレン・ブタジエン共重合体のスルホン化物、スチレン・マレイン酸共重合体のスルホン化物、スチレン・アクリル酸共重合体のスルホン化物などを挙げることができる。 Among polymers having a hydrophilic group, those which are soluble in a dispersion medium and have a dispersion function can also be used as an emulsifier. Examples of such polymers include styrene / maleic acid copolymer, styrene / acrylic acid copolymer, polyvinyl alcohol, polyalkylene glycol, sulfonated polyisoprene, sulfonated hydrogenated styrene / butadiene copolymer, styrene / Examples thereof include a sulfonated product of a maleic acid copolymer and a sulfonated product of a styrene / acrylic acid copolymer. In particular, the volume resistance can be reduced by using a polymer having a sulfonic acid group in an acid form. Examples of such a polymer include a sulfonated product of polyisoprene, a sulfonated product of hydrogenated styrene / butadiene copolymer, a sulfonated product of styrene / maleic acid copolymer, and a sulfonated product of styrene / acrylic acid copolymer. Can do.
これらの乳化剤は、単独で、あるいは2種以上を併用することができる。乳化剤を使用する場合、エマルション100重量部に対し通常、0.1〜50重量部の乳化剤を使用する。かかる乳化剤の使用量としては、好ましくは0.2〜20重量部、さらに好ましくは0.5〜5重量部である。乳化剤の使用量が、この範囲であると、高分子電解質粒子の分散安定性を向上させるとともに、泡立ちの抑制などの操作性も良好となるため、好ましい。 These emulsifiers can be used alone or in combination of two or more. When an emulsifier is used, 0.1 to 50 parts by weight of the emulsifier is usually used with respect to 100 parts by weight of the emulsion. The amount of the emulsifier used is preferably 0.2 to 20 parts by weight, more preferably 0.5 to 5 parts by weight. When the amount of the emulsifier used is within this range, it is preferable because the dispersion stability of the polymer electrolyte particles is improved and the operability such as suppression of foaming is improved.
<その他の添加剤>
かくして、本発明の高分子電解質エマルションを作製することができるが、本発明の高分子電解質エマルションは、無機あるいは有機の粒子、密着助剤、増感剤、レベリング剤、着色剤などその他の添加剤を含有していてもよい。また、このような添加剤は、既述のように高分子電解質エマルションを構成する高分子電解質粒子中に含まれていてもよいし、分散媒中に溶解していてもよいし、高分子電解質粒子とは別に、他の成分からなる微粒子として存在していてもよい。
<Other additives>
Thus, the polyelectrolyte emulsion of the present invention can be prepared. However, the polyelectrolyte emulsion of the present invention contains other additives such as inorganic or organic particles, adhesion assistants, sensitizers, leveling agents, and colorants. May be contained. In addition, such an additive may be contained in the polymer electrolyte particles constituting the polymer electrolyte emulsion as described above, or may be dissolved in the dispersion medium, or the polymer electrolyte. Apart from the particles, they may be present as fine particles comprising other components.
<用途>
本発明の高分子電解質エマルションは、固体高分子型燃料電池用を製造するためのバインダー樹脂として好適であるが、高分子電解質膜や、その他コーティング材やバインダー樹脂など種々用途に応用することも可能である。また、このような用途に用いる際に、物性などを設計する観点から、他のポリマーを併用することもできる。他のポリマーとしては、例えばウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル、ポリスチレン、ポリエステルアミド、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、SBRやNBRなどのジエン系ポリマーなど公知のものが挙げられる。
<Application>
The polymer electrolyte emulsion of the present invention is suitable as a binder resin for producing a polymer electrolyte fuel cell, but can also be applied to various uses such as a polymer electrolyte membrane, other coating materials, and a binder resin. It is. Moreover, when using for such a use, another polymer can also be used together from a viewpoint of designing a physical property etc. Examples of other polymers include known resins such as urethane resins, acrylic resins, polyester resins, polyamide resins, polyethers, polystyrenes, polyester amides, polycarbonates, polyvinyl chloride, and diene polymers such as SBR and NBR.
<フィルム成形法>
本発明の高分子電解質エマルションは、さまざまなフィルム成形法にて、精度のよいフィルムを得ることができる。該フィルム成形法として例えば、キャストフィルム成形、スプレー塗布、刷毛塗り、ロールコーター、フローコーター、バーコーター、ディップコーターなどが挙げられ、これらのフィルム成形法を用いて、該高分子電解質エマルションを基材に塗工し、必要に応じて乾燥処理などを施すことでフィルムを成形することができる。塗布膜厚は、用途によって異なるが、乾燥膜厚で、通常、0.01〜1,000μm、好ましくは0.05〜500μmである。
<Film forming method>
The polymer electrolyte emulsion of the present invention can obtain a highly accurate film by various film forming methods. Examples of the film forming method include cast film forming, spray coating, brush coating, roll coater, flow coater, bar coater, dip coater, and the like. Using these film forming methods, the polymer electrolyte emulsion is used as a base material. The film can be formed by coating the film and applying a drying treatment as necessary. The coating film thickness varies depending on the use, but is usually a dry film thickness of 0.01 to 1,000 μm, preferably 0.05 to 500 μm.
また、フィルム成形に使用される基材には特に制限はなく、例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなどの高分子材料、アルミニウム、銅、ジュラルミンなどの非鉄金属、ステンレス、鉄などの鋼板、炭素、ガラス、木材、紙、石膏、アルミナ、無機質硬化体などが挙げられる。基材の形状に特に制限はなく、平面状のものから不織布などの多孔質材料なども使用できる。
さらに、高分子電解質エマルションの好適な用途である固体高分子型燃料電池の触媒層を製造する際には、イオン伝導膜に、該高分子電解質エマルションあるいは該高分子電解質エマルションと触媒成分とを混合してなる触媒インクを直接塗布することで、該イオン伝導膜と触媒層が接合された形態を製造することも可能であり、かかる用途の詳細については後述する。
Moreover, there is no restriction | limiting in particular in the base material used for film shaping | molding, For example, non-ferrous materials, such as high molecular materials, such as polycarbonate resin, an acrylic resin, ABS resin, polyester resin, polyethylene, a polypropylene, nylon, aluminum, copper, duralumin Examples thereof include steel plates such as metals, stainless steel and iron, carbon, glass, wood, paper, gypsum, alumina, and hardened inorganic materials. There is no restriction | limiting in particular in the shape of a base material, Porous materials, such as a nonwoven fabric etc. from a planar thing, can be used.
Furthermore, when producing a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, which is a suitable application of a polymer electrolyte emulsion, the polymer electrolyte emulsion or the polymer electrolyte emulsion and a catalyst component are mixed in an ion conductive membrane. By directly applying the catalyst ink thus formed, it is possible to produce a form in which the ion conductive membrane and the catalyst layer are joined. Details of such use will be described later.
<MEAの説明>
次に、本発明の高分子電解質エマルションを用いて製造されるMEAについて説明する。本発明のMEAはイオン伝導(高分子電解質)膜と触媒層からなるが、触媒層はイオン伝導膜に、触媒インクを塗布することで形成される。また、ガス拡散層になり得る基材に、触媒インクを塗布して、ガス拡散層と触媒層が積層一体化された積層体を得、かかる積層体をイオン伝導膜に接合させれば、本発明のMEAをガス拡散層を有する形態、いわゆる膜電極ガス拡散層積層体(MEGA)として得ることもできる。
<Description of MEA>
Next, the MEA produced using the polymer electrolyte emulsion of the present invention will be described. The MEA of the present invention comprises an ion conductive (polymer electrolyte) membrane and a catalyst layer. The catalyst layer is formed by applying a catalyst ink to the ion conductive membrane. In addition, if a catalyst ink is applied to a substrate that can be a gas diffusion layer to obtain a laminate in which the gas diffusion layer and the catalyst layer are laminated and integrated, and the laminate is bonded to an ion conductive membrane, The MEA of the invention can also be obtained as a form having a gas diffusion layer, that is, a so-called membrane electrode gas diffusion layer laminate (MEGA).
まず、イオン伝導膜について説明する。該イオン伝導膜は、上記の高分子エマルションを構成する高分子電解質として例示したものと同様なブロック共重合体の高分子電解質や、下記の例示から選択される高分子電解質を含み、膜状の形態を有するものである。このように、MEAを構成するイオン伝導膜と、触媒層は共に高分子電解質を含有するものであるが、かかる高分子電解質同士は、同じであっても異なっていてもよい。 First, the ion conductive film will be described. The ion conductive membrane includes a polymer electrolyte of a block copolymer similar to that exemplified as the polymer electrolyte constituting the polymer emulsion, and a polymer electrolyte selected from the following examples, It has a form. As described above, both the ion conductive membrane constituting the MEA and the catalyst layer contain the polymer electrolyte, but the polymer electrolytes may be the same or different.
かかるイオン伝導膜を構成する高分子電解質において、上記のブロック共重合体の高分子電解質以外の具体例としては、例えば(A’)主鎖が脂肪族炭化水素からなる炭化水素系高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質;(B’)脂肪族炭化水素の水素原子が全てあるいは一部がフッ素原子に置換された高分子;(C’)主鎖が芳香環を有する高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した炭化水素系高分子電解質;(D’)主鎖が、脂肪族炭化水素とシロキサン基、フォスファゼン基などの無機の単位構造からなる重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した炭化水素系高分子電解質;(E’)上記(A’)〜(D’)のスルホン酸基および/またはホスホン酸基導入前の高分子を構成する繰り返し単位から選ばれるいずれか2種以上の繰り返し単位からなる共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した炭化水素系高分子電解質;(F’)主鎖あるいは側鎖に窒素原子を含む炭化水素系高分子に、硫酸やリン酸などの酸性化合物をイオン結合により導入した炭化水素系高分子電解質などが挙げられる。 In the polymer electrolyte constituting the ion conductive membrane, specific examples of the block copolymer other than the polymer electrolyte include, for example, (A ′) a hydrocarbon polymer having a main chain made of an aliphatic hydrocarbon and a sulfone. A polymer electrolyte having an acid group and / or a phosphonic acid group introduced; (B ′) a polymer in which all or part of the hydrogen atoms of the aliphatic hydrocarbon are replaced by fluorine atoms; (C ′) a main chain having an aromatic ring Hydrocarbon polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a polymer having a hydrogen atom; (D ′) The main chain is composed of an aliphatic unit and an inorganic unit structure such as a siloxane group or a phosphazene group. Hydrocarbon polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or phosphonic acid group is introduced into the polymer; (E ′) before introduction of the sulfonic acid group and / or phosphonic acid group in (A ′) to (D ′) above. A hydrocarbon-based polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a copolymer composed of any two or more kinds of repeating units selected from repeating units constituting the polymer; (F ′) main chain or A hydrocarbon polymer electrolyte in which an acidic compound such as sulfuric acid or phosphoric acid is introduced into a hydrocarbon polymer containing a nitrogen atom in the side chain by an ionic bond is exemplified.
上記に例示した高分子電解質の中でも、高い発電性能と耐久性を両立させるという観点から、上記(C’)、(E’)の高分子電解質が好ましく、とりわけ、該イオン伝導膜を構成する高分子電解質としても、ブロック共重合体であると好ましく、高分子主鎖が芳香環を有し、スルホン酸基をイオン交換基(イオン伝導性基)として有するものが好ましい。特に好ましくは、スルホン酸基を有するブロックと、イオン交換基を実質的に有さないブロックとからなるブロック共重合体である。
このようなブロック共重合体としては、特開2001−250567号公報に記載のスルホン化された芳香族ポリマーブロックを有するブロック共重合体、特開2003−31232号公報、特開2004−359925号公報、特開2005−232439号公報、特開2003−113136号公報などの特許文献に記載の、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンを主鎖構造とするブロック共重合体を挙げることができる。
Among the polymer electrolytes exemplified above, the polymer electrolytes (C ′) and (E ′) are preferable from the viewpoint of achieving both high power generation performance and durability, and in particular, the high polymer constituting the ion conductive membrane. The molecular electrolyte is preferably a block copolymer, and the polymer main chain preferably has an aromatic ring and has a sulfonic acid group as an ion exchange group (ion conductive group). Particularly preferred is a block copolymer comprising a block having a sulfonic acid group and a block having substantially no ion exchange group.
Examples of such a block copolymer include a block copolymer having a sulfonated aromatic polymer block described in JP-A-2001-250567, JP-A-2003-32322, and JP-A-2004-359925. Examples thereof include block copolymers having a main chain structure of polyether ketone and polyether sulfone described in patent documents such as JP-A-2005-232439 and JP-A-2003-113136.
さらに、該イオン伝導膜は、上記に例示した高分子電解質に加え、所望の特性に応じて、プロトン伝導性を著しく低下させない範囲で他の成分を含んでいてもよい。このような他の成分としては、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤、保水剤などの添加剤が挙げられる。
特に、燃料電池の動作中に、上記に記載の安定剤を高分子電解質膜に含有させると、隣接する触媒層において発生する過酸化物による劣化を抑制させることを可能とし、好ましい。
Furthermore, in addition to the polymer electrolyte exemplified above, the ion conductive membrane may contain other components in a range that does not significantly reduce proton conductivity according to desired characteristics. Examples of such other components include additives such as plasticizers, stabilizers, mold release agents, and water retention agents that are used in ordinary polymers.
In particular, it is preferable to include the stabilizer described above in the polymer electrolyte membrane during the operation of the fuel cell, because it is possible to suppress deterioration due to peroxide generated in the adjacent catalyst layer.
また、上記イオン伝導膜の機械的強度を向上させる目的で、高分子電解質と所定の支持体とを複合化した複合膜を、用いることもできる。支持体としては、フィブリル形状や多孔膜形状などの基材が挙げられる。 For the purpose of improving the mechanical strength of the ion conductive membrane, a composite membrane in which a polymer electrolyte and a predetermined support are combined can also be used. Examples of the support include substrates such as a fibril shape and a porous membrane shape.
上記イオン伝導膜上に、本発明の高分子電解質エマルションからなる触媒インクを用いて触媒層を形成する。
ここで、触媒インクは、本発明の高分子電解質エマルションに加え、触媒物質を必須成分として含むものである。該触媒物質としては、従来の燃料電池において用いられているものをそのまま用いることができ、例えば、白金、白金−ルテニウム合金のような貴金属類や、錯体系電極触媒(例えば、高分子学会燃料電池材料研究会編、「燃料電池と高分子」、103〜112頁、共立出版、2005年11月10日発行に記載されている)が挙げられる。さらに、触媒層での水素イオンと電子の輸送を容易にできるとの観点から、該触媒物質を表面に担持させた導電性材料を用いると好ましい。該導電性材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブなどの導電性カーボン材料、酸化チタンなどのセラミック材料が挙げられる。
A catalyst layer is formed on the ion conductive film using a catalyst ink made of the polymer electrolyte emulsion of the present invention.
Here, the catalyst ink contains a catalyst substance as an essential component in addition to the polymer electrolyte emulsion of the present invention. As the catalyst material, those used in conventional fuel cells can be used as they are, for example, noble metals such as platinum and platinum-ruthenium alloys, complex-based electrode catalysts (for example, polymer society fuel cells). Materials Research Group, “Fuel Cell and Polymer”, pages 103-112, Kyoritsu Shuppan, published on Nov. 10, 2005). Furthermore, from the viewpoint that hydrogen ions and electrons can be easily transported in the catalyst layer, it is preferable to use a conductive material carrying the catalyst substance on the surface. Examples of the conductive material include conductive carbon materials such as carbon black and carbon nanotubes, and ceramic materials such as titanium oxide.
該触媒インクを構成するその他の成分は任意であり、特に制限はないが、触媒インクの粘度を調整する目的で溶媒が添加されることがある。また、触媒層の撥水性を高める目的で、PTFEなどの撥水材が、また触媒層のガス拡散性を高める目的で、炭酸カルシウムなどの造孔材が、さらに得られるMEAの耐久性を高める目的で金属酸化物などの安定剤などが含まれることもある。 The other components constituting the catalyst ink are optional and are not particularly limited, but a solvent may be added for the purpose of adjusting the viscosity of the catalyst ink. Further, for the purpose of increasing the water repellency of the catalyst layer, a water repellent material such as PTFE, and for the purpose of increasing the gas diffusibility of the catalyst layer, a pore former such as calcium carbonate further enhances the durability of the obtained MEA. For the purpose, a stabilizer such as a metal oxide may be included.
該触媒インクは、上記の成分を、公知の方法によって混合して得られるものである。混合方法としては、超音波分散装置、ホモジナイザー、ボールミル、遊星ボールミル、サンドミルなどが挙げられる。 The catalyst ink is obtained by mixing the above components by a known method. Examples of the mixing method include an ultrasonic dispersion device, a homogenizer, a ball mill, a planetary ball mill, and a sand mill.
上記のようにして調製された触媒インクを用いて、イオン伝導膜上に触媒層を形成する。かかる形成方法は、公知の技術を適用することができるが、本発明の高分子電解質エマルションを含む触媒インクは、イオン伝導膜に直接塗布して、乾燥処理などを施すことで、該イオン伝導膜に対して、高い接合性を有する触媒層を形成することを可能とする。
触媒インクを塗布する方法としては特に制限は無く、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法などの既存の方法を使用することができる。
A catalyst layer is formed on the ion conductive membrane using the catalyst ink prepared as described above. A known technique can be applied to such a forming method. However, the catalyst ink containing the polymer electrolyte emulsion of the present invention can be directly applied to the ion conductive film, followed by a drying treatment, etc. On the other hand, it is possible to form a catalyst layer having high bondability.
The method for applying the catalyst ink is not particularly limited, and existing methods such as a die coater, screen printing, a spray method, and an ink jet method can be used.
次に、本発明の製造方法により得られたMEAを備える燃料電池について説明する。 Next, a fuel cell provided with MEA obtained by the manufacturing method of the present invention will be described.
図2は、好適な実施形態に係る燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。図2に示すように、燃料電池10は、イオン伝導膜12の両側に、これを挟むように触媒層14a,14bがなり、これが本発明の製造方法で得られるMEA20である。さらに、両面の触媒層には、それぞれ、ガス拡散層16a,16bを備え、該ガス拡散層にセパレータ18a,18bが形成されている。
ここで、MEA20とガス拡散層16a,16bを備えたものが上述したMEGAである。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a fuel cell according to a preferred embodiment. As shown in FIG. 2, the
Here, the MEGA described above includes the
ここで触媒層14a,14bは、燃料電池における電極として機能する層であり、これらのいずれか一方がアノード触媒層となり、他方がカソード触媒層となる。 Here, the catalyst layers 14a and 14b are layers that function as electrodes in the fuel cell, and either one of them serves as an anode catalyst layer and the other serves as a cathode catalyst layer.
ガス拡散層16a,16bは、MEA20の両側を挟むように設けられており、触媒層14a,14bへの原料ガスの拡散を促進するものである。このガス拡散層16a,16bは、電子伝導性を有する多孔質材料により構成されるものが好ましい。例えば、多孔質性のカーボン不織布やカーボンペーパーが、原料ガスを触媒層14a,14bへ効率的に輸送することができるため、好ましい。
The gas diffusion layers 16a and 16b are provided so as to sandwich both sides of the
セパレータ18a,18bは、電子伝導性を有する材料で形成されており、かかる材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレスなどが挙げられる。かかるセパレータ18a,18bは、図示しないが、触媒層14a,14b側に、燃料ガスなどの流路となる溝が形成されていると好ましい。
そして、燃料電池10は、上述したようなMEGAを、一対のセパレータ18a,18bで挟み込み、これらを接合することで得ることができる。
The
なお、本発明の燃料電池は、必ずしも上述した構成を有するものに限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜異なる構成を有していてもよい。 The fuel cell of the present invention is not necessarily limited to the above-described configuration, and may have a different configuration as long as it does not depart from the spirit of the fuel cell.
また、燃料電池10は、上述した構造を有するものを、ガスシール体などで封止したものであってもよい。さらに、上記構造の燃料電池10は、直列に複数個接続して、燃料電池スタックとして実用に供することもできる。そして、このような構成を有する燃料電池は、燃料が水素である場合は固体高分子形燃料電池として、また燃料がメタノール水溶液である場合は直接メタノール型燃料電池として動作することができる。
The
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.
(重量平均分子量の測定方法)
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)による測定を行い、ポリスチレン換算を行うことによって高分子電解質の重量平均分子量を算出された。GPCの測定条件は下記のとおりである。
GPC条件
・GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220
・カラム Shodex社製 AT−80Mを2本直列に接続
・カラム温度 40℃
・移動相溶媒 ジメチルアセトアミド
(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
・溶媒流量 0.5mL/min
(Measurement method of weight average molecular weight)
The weight average molecular weight of the polymer electrolyte was calculated by performing measurement by gel permeation chromatography (GPC) and performing polystyrene conversion. The measurement conditions of GPC are as follows.
GPC conditions and GPC measurement device HLC-8220 manufactured by TOSOH
・ Two columns AT-80M made by Shodex are connected in series ・ Column temperature 40 ℃
Mobile phase solvent Dimethylacetamide (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
・ Solvent flow rate 0.5mL / min
(イオン交換容量の測定方法)
測定に供する高分子電解質を、加熱温度105℃に設定されたハロゲン水分率計を用いて、乾燥重量を求めた。次いで、この高分子電解質膜を0.1mol/L水酸化ナトリウム水溶液5mLに浸漬した後、更に50mLのイオン交換水を加え、2時間放置した。その後、この高分子電解質膜が浸漬された溶液に、0.1mol/Lの塩酸を徐々に加えることで滴定を行い、中和点を求めた。そして、高分子電解質膜の乾燥重量と上記の中和に要した塩酸の量から、高分子電解質膜のイオン交換容量(単位:meq/g)を算出した。
(Measurement method of ion exchange capacity)
The dry weight of the polymer electrolyte to be measured was determined using a halogen moisture meter set at a heating temperature of 105 ° C. Next, this polymer electrolyte membrane was immersed in 5 mL of a 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution, and then 50 mL of ion-exchanged water was further added and left for 2 hours. Thereafter, titration was performed by gradually adding 0.1 mol / L hydrochloric acid to the solution in which the polymer electrolyte membrane was immersed, and the neutralization point was determined. Then, the ion exchange capacity (unit: meq / g) of the polymer electrolyte membrane was calculated from the dry weight of the polymer electrolyte membrane and the amount of hydrochloric acid required for the neutralization.
(平均粒径測定方法)
各エマルション中に存在する粒子の平均粒径は、濃厚系粒径アナライザーFPAR−1000(大塚電子製)を用いて測定した。測定温度は30℃、積算時間は30min、測定に用いたレーザーの波長は660nmである。得られたデータを、上記装置付属の解析ソフトウェア(FPARシステム VERSION5.1.7.2)を用い、CONTIN法で解析することで散乱強度分布を得、最も頻度の高い粒径を平均粒径とした。
(Average particle size measurement method)
The average particle size of the particles present in each emulsion was measured using a concentrated particle size analyzer FPAR-1000 (manufactured by Otsuka Electronics). The measurement temperature is 30 ° C., the integration time is 30 minutes, and the wavelength of the laser used for the measurement is 660 nm. The obtained data is analyzed by the CONTIN method by using the analysis software (FPAR system VERSION 5.1.7.2) attached to the above apparatus, and the scattering intensity distribution is obtained. did.
(発電性能評価方法)
市販のJARI標準セルを用いて燃料電池セルを製造した。すなわち、MEGAの両外側に、ガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレータを配し、さらにその外側に集電体及びエンドプレートを順に配置し、これらをボルトで締め付けることによって、有効膜面積25cm2の燃料電池セルを組み立てた。得られた燃料電池セルを80℃に保ちながら、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気をそれぞれ供給した。この際、セルのガス出口における背圧が0.1MPaGとなるようにした。各原料ガスの加湿は、バブラーにガスを通すことで行い、水素用バブラーの水温は80℃、空気用バブラーの水温は80℃とした。ここで、水素のガス流量は529mL/min、空気のガス流量は1665mL/minとした。
(Power generation performance evaluation method)
A fuel cell was manufactured using a commercially available JARI standard cell. That is, an effective membrane area is obtained by arranging carbon separators in which gas passage grooves are cut on both outer sides of the MEGA, and further arranging a current collector and an end plate in order on the outer sides and fastening them with bolts. A 25 cm 2 fuel cell was assembled. While maintaining the obtained fuel cell at 80 ° C., humidified hydrogen was supplied to the anode and humidified air was supplied to the cathode. At this time, the back pressure at the gas outlet of the cell was set to 0.1 MPaG. Each source gas was humidified by passing the gas through a bubbler. The water temperature of the hydrogen bubbler was 80 ° C., and the water temperature of the air bubbler was 80 ° C. Here, the hydrogen gas flow rate was 529 mL / min, and the air gas flow rate was 1665 mL / min.
製造例1[高分子電解質Aの合成]
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、ジメチルスルホキシド(以下、「DMSO」と呼ぶ)600ml、トルエン200mL、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム26.5g(106.3mmol)、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン(住友化学製スミカエクセルPES5200P、Mn=5.4×104、Mw=1.2×105)10.0g、2,2’−ビピリジル43.8g(280.2mmol)を入れて攪拌した。その後バス温を150℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、60℃に冷却した。次いで、これにビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)73.4g(266.9mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で5時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の6mol/Lの塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ濾別。その後6mol/L塩酸による洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまで水洗を行い、減圧乾燥することにより目的とする高分子電解質A16.3gを得た。重量平均分子量は270000、イオン交換容量は2.3meq/gであった。なお、m、nは各ブロックを構成する括弧内の繰返し単位の平均重合度を表すものである。
Production Example 1 [Synthesis of polymer electrolyte A]
In an argon atmosphere, a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus was charged with 600 ml of dimethyl sulfoxide (hereinafter referred to as “DMSO”), 200 mL of toluene, 26.5 g (106.3 mmol) of
製造例2[高分子電解質Bの合成]
重合は、Dean−Stark管を取り付けた2L のセパラブルフラスコに、ヒドロキノンスルホン酸カリウム13.04g (56.95mmol), 4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム34.71g(68.34mmol), 4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン29.35g (114.00mmol), 4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル23.50g (125.39mmol), 炭酸カリウム 27.72g (200.58mmol)をとり、DMSO395mL, トルエン70mL中、アルゴン雰囲気下、バス温170℃(内温140±5℃)で3時間共沸脱水をおこなった。3時間後、トルエンを系外に除去し、さらに内温150℃で3時間反応をおこなった。反応はGPC測定により追跡した。反応終了後、反応溶液を80℃まで放冷し、3Lの2M塩酸水溶液に滴下した。析出した白色のポリマーをpH7になるまで水洗し、その後80℃の水で2時間処理する工程を2回おこなった。オーブン(80℃)で乾燥することで、ランダムポリマーである高分子電解質Bを81.60g(収率97%)得た。重量平均分子量は340000、イオン交換容量は2.0meq/gであった。なお、下記に示すものは高分子電解質Bを構成する構造単位がランダムに連結していることを示すものである。なお、a、b、c、dは括弧内の繰返し単位の平均重合度を表し、「ran」の表記は括弧内の繰返し単位がランダムに共重合されてなるランダム共重合であることを表す。
Production Example 2 [Synthesis of polymer electrolyte B]
The polymerization was carried out in a 2 L separable flask equipped with a Dean-Stark tube, 13.04 g (56.95 mmol) of potassium hydroquinonesulfonate, 34.71 g of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate. (68.34 mmol), 4,4′-difluorodiphenylsulfone 29.35 g (114.00 mmol), 4,4′-dihydroxydiphenyl ether 23.50 g (125.39 mmol), potassium carbonate 27.72 g (200.58 mmol) Then, azeotropic dehydration was performed in DMSO (395 mL) and toluene (70 mL) under an argon atmosphere at a bath temperature of 170 ° C. (internal temperature: 140 ± 5 ° C.) for 3 hours. After 3 hours, toluene was removed from the system, and the reaction was further performed at an internal temperature of 150 ° C. for 3 hours. The reaction was followed by GPC measurement. After completion of the reaction, the reaction solution was allowed to cool to 80 ° C. and added dropwise to 3 L of 2M aqueous hydrochloric acid. The precipitated white polymer was washed with water until pH 7 and then treated with water at 80 ° C. for 2 hours for 2 times. By drying in an oven (80 ° C.), 81.60 g (yield 97%) of polymer electrolyte B, which is a random polymer, was obtained. The weight average molecular weight was 340000, and the ion exchange capacity was 2.0 meq / g. In addition, what is shown below shows that the structural unit which comprises the polymer electrolyte B is connecting at random. Note that a, b, c, and d represent the average degree of polymerization of the repeating units in parentheses, and the expression “ran” represents random copolymerization in which the repeating units in parentheses are randomly copolymerized.
製造例3[安定剤ポリマーdの合成]
ポリマーaの合成
減圧共沸蒸留装置を備えた2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ビス−4−ヒドロキシジフェニルスルホン 63.40g、4,4’−ジヒドロキシビフェニル 70.81g、N−メチル2−ピロリドン(以下、「NMP」と呼ぶ)955gを加え均一な溶液とした。その後、炭酸カリウム92.80gを添加し、NMPを留去しながら135℃〜150℃で4.5時間減圧脱水した。その後、ジクロロジフェニルスルホン200.10gを添加し180℃で21時間反応をおこなった。
反応終了後、反応溶液をメタノールに滴下し、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体は更にメタノール洗浄、水洗浄、熱メタノール洗浄を経て、乾燥し275.55gのポリマーaを得た。ポリマーaの構造を下記に示す。ポリマーaはGPC測定によるポリスチレン換算の重量平均分子量が18000であり、NMR測定の積分値から求めたqとpの比がq:p=7:3であった。なお、下記の「random」の表記は、下記ポリマーaを形成する構成単位が、ランダムに共重合されていることを示す。
Production Example 3 [Synthesis of Stabilizer Polymer d]
Synthesis of Polymer a A 2 L separable flask equipped with a reduced-pressure azeotropic distillation apparatus was purged with nitrogen, and 63.40 g of bis-4-hydroxydiphenylsulfone, 70.81 g of 4,4′-dihydroxybiphenyl, N-methyl-2-pyrrolidone ( (Hereinafter referred to as “NMP”) 955 g was added to obtain a uniform solution. Thereafter, 92.80 g of potassium carbonate was added, and dehydrated under reduced pressure at 135 ° C. to 150 ° C. for 4.5 hours while distilling off NMP. Thereafter, 200.10 g of dichlorodiphenylsulfone was added and the reaction was carried out at 180 ° C. for 21 hours.
After completion of the reaction, the reaction solution was added dropwise to methanol, and the precipitated solid was filtered and collected. The recovered solid was further washed with methanol, washed with water, and washed with hot methanol and dried to obtain 275.55 g of polymer a. The structure of polymer a is shown below. The polymer a had a polystyrene equivalent weight average molecular weight of 18000 as measured by GPC, and the ratio of q and p determined from the integral value of NMR measurement was q: p = 7: 3. In addition, the following "random" description shows that the structural unit which forms the following polymer a is copolymerized at random.
ポリマーbの合成
2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ニトロベンゼン1014.12g、ポリマーa 80.00g、を加え均一な溶液とした。その後、N-ブロモスクシンイミドを50.25g添加し、15℃まで冷却した。続いて、95%濃硫酸106.42gを40分かけて滴下し15℃で6時間反応をおこなった。6時間後、15℃に冷却しながら10w%水酸化ナトリウム水溶液450.63g、チオ硫酸ナトリウム18.36gを添加した。その後、この溶液をメタノールに滴下し、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体はメタノール洗浄、水洗浄、再度メタノール洗浄を経て乾燥し、86.38gのポリマーbを得た。
Synthesis of Polymer b The 2 L separable flask was purged with nitrogen, and 101.12 g of nitrobenzene and 80.00 g of polymer a were added to obtain a uniform solution. Thereafter, 50.25 g of N-bromosuccinimide was added and cooled to 15 ° C. Subsequently, 106.42 g of 95% concentrated sulfuric acid was added dropwise over 40 minutes, and the reaction was carried out at 15 ° C. for 6 hours. Six hours later, 450.63 g of a 10 w% aqueous sodium hydroxide solution and 18.36 g of sodium thiosulfate were added while cooling to 15 ° C. Thereafter, this solution was added dropwise to methanol, and the precipitated solid was collected by filtration. The recovered solid was washed with methanol, washed with water, washed again with methanol and dried to obtain 86.38 g of polymer b.
ポリマーcの合成
減圧共沸蒸留装置を備えた2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ジメチルホルムアミド116.99g、ポリマーb80.07g、加え均一な溶液とした。その後、ジメチルホルムアミドを留去しながら5時間減圧脱水をおこなった。5時間後50℃まで冷却し、塩化ニッケルを41.87g添加して130℃まで昇温し、亜リン酸トリエチルを69.67g滴下して140℃〜145℃で2時間反応をおこなった。2時間後亜リン酸トリエチルをさらに17.30g添加し145℃〜150℃で3時間反応をおこなった。3時間後室温まで冷却し、水1161gとエタノール929gの混合溶液を滴下して、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体に水を添加して十分に粉砕し、5重量%塩酸水溶液で洗浄、水洗浄を経て、86.83gのポリマーcを得た。
Synthesis of Polymer c A 2 L separable flask equipped with a reduced-pressure azeotropic distillation apparatus was purged with nitrogen, and 116.99 g of dimethylformamide and 80.07 g of polymer b were added to obtain a uniform solution. Thereafter, dehydration under reduced pressure was performed for 5 hours while distilling off dimethylformamide. After 5 hours, the mixture was cooled to 50 ° C., 41.87 g of nickel chloride was added, the temperature was raised to 130 ° C., and 69.67 g of triethyl phosphite was added dropwise, and the reaction was carried out at 140 ° C. to 145 ° C. for 2 hours. After 2 hours, an additional 17.30 g of triethyl phosphite was added, and the reaction was carried out at 145 ° C. to 150 ° C. for 3 hours. After 3 hours, the mixture was cooled to room temperature, a mixed solution of 1161 g of water and 929 g of ethanol was added dropwise, and the precipitated solid was filtered and collected. Water was added to the collected solid and sufficiently pulverized, washed with a 5% by weight aqueous hydrochloric acid solution and washed with water to obtain 86.83 g of polymer c.
ポリマーdの合成
5Lセパラブルフラスコを窒素置換し、35重量%塩酸1200g、水550g、ポリマーc75.00g、を加え105℃〜110℃で15時間攪拌した。15時間後、室温まで冷却し水1500gを滴下した。その後、系中の固体をろ過、回収し、得た固体を水洗浄、熱水洗浄した。乾燥後目的とするポリマーdを72.51g得た。ポリマーdの元素分析から求めたリンの含有率は5.91%であり、元素分析値から計算したx(ビフェニリレンオキシ基1個当たりのホスホン酸基数)の値は1.6であった。
Synthesis of Polymer d A 5 L separable flask was purged with nitrogen, 35 wt% hydrochloric acid 1200 g, water 550 g, and polymer c 75.00 g were added, and the mixture was stirred at 105 ° C. to 110 ° C. for 15 hours. After 15 hours, the mixture was cooled to room temperature and 1500 g of water was added dropwise. Thereafter, the solid in the system was filtered and collected, and the obtained solid was washed with water and hot water. After drying, 72.51 g of the target polymer d was obtained. The phosphorus content determined from elemental analysis of polymer d was 5.91%, and the value of x (number of phosphonic acid groups per biphenylyleneoxy group) calculated from the elemental analysis value was 1.6.
製造例4[4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムの合成]
攪拌機を備えた反応器に、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン467gと30%発煙硫酸3500gとを加え、100℃で5時間反応させた。得られた反応混合物を冷却した後、大量の氷水中に加え、これに更に50%水酸化カリウム水溶液470mLを滴下した。
次いで、析出した固体を濾過して集め、エタノールで洗浄した後、乾燥させた。得られた固体を脱イオン水6.0Lに溶解させ、50%水酸化カリウム水溶液を加えて、pH7.5に調整した後、塩化カリウム460gを加えた。析出した固体を濾過して集め、エタノールで洗浄した後、乾燥させた。
その後、得られた固体をDMSO2.9Lに溶解させ、不溶の無機塩を濾過で除き、残渣をDMSO300mLでさらに洗浄した。得られた濾液に酢酸エチル/エタノール=24/1の溶液6.0Lを滴下し、析出した固体をメタノールで洗浄し、100℃で乾燥させて、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムの固体482gを得た。
Production Example 4 [Synthesis of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate]
To a reactor equipped with a stirrer, 467 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 3500 g of 30% fuming sulfuric acid were added and reacted at 100 ° C. for 5 hours. The obtained reaction mixture was cooled and then added to a large amount of ice water, and 470 mL of a 50% aqueous potassium hydroxide solution was further added dropwise thereto.
Next, the precipitated solid was collected by filtration, washed with ethanol, and dried. The obtained solid was dissolved in 6.0 L of deionized water, 50% aqueous potassium hydroxide solution was added to adjust the pH to 7.5, and then 460 g of potassium chloride was added. The precipitated solid was collected by filtration, washed with ethanol, and dried.
Thereafter, the obtained solid was dissolved in 2.9 L of DMSO, insoluble inorganic salts were removed by filtration, and the residue was further washed with 300 mL of DMSO. To the obtained filtrate, 6.0 L of a solution of ethyl acetate / ethanol = 24/1 was added dropwise, and the precipitated solid was washed with methanol, dried at 100 ° C., and 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3. 482 g of dipotassium dipotassium disulfonate was obtained.
製造例5[高分子電解質Cの製造]
(スルホン酸基を有する高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、製造例1で得られた4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム9.32重量部、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム4.20重量部、DMSO59.6重量部、及び、トルエン9.00重量部を加え、これらを室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを2.67重量部加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続け、スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液を得た。総加熱時間は14時間であった。得られた溶液は室温にて放冷した。
Production Example 5 [Production of polymer electrolyte C]
(Synthesis of polymer compound having sulfonic acid group)
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 9.32 parts by weight of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate obtained in Production Example 1 in an argon atmosphere, 2,5-dihydroxybenzene 4.20 parts by weight of potassium sulfonate, 59.6 parts by weight of DMSO, and 9.00 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring these at room temperature.
Thereafter, 2.67 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while distilling off toluene, and a DMSO solution of a polymer compound having a sulfonic acid group was obtained. Total heating time was 14 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature.
(イオン交換基を実質的に有さない高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン8.32重量部、2,6−ジヒドロキシナフタレン5.36重量部、DMSO30.2重量部、NMP30.2重量部、及び、トルエン9.81重量部を加え、室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを5.09重量部加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続けた。総加熱時間は5時間であった。得られた溶液を室温にて放冷し、イオン交換基を実質的に有さない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を得た。
(Synthesis of polymer compounds substantially free of ion exchange groups)
A flask equipped with an azeotropic distillation apparatus was charged with 8.32 parts by weight of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 5.36 parts by weight of 2,6-dihydroxynaphthalene, 30.2 parts by weight of DMSO, and 30.2 parts by weight of NMP in an argon atmosphere. And 9.81 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring at room temperature.
Thereafter, 5.09 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while toluene was distilled off. Total heating time was 5 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature to obtain a NMP / DMSO mixed solution of a polymer compound substantially free of ion exchange groups.
(ブロック共重合体の合成)
得られたイオン交換基を実質的に有さない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を攪拌しながら、これに、上記スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液の全量とNMP80.4重量部、DMSO45.3重量部を加え、150℃にて40時間ブロック共重合反応を行った。
得られた反応液を大量の2N塩酸に滴下し、1時間浸漬した。その後、生成した沈殿物を濾別した後、再度2N塩酸に1時間浸漬した。得られた沈殿物を濾別、水洗した後、95℃の大量の熱水に1時間浸漬した。そして、この溶液を80℃で12時間乾燥させて、ブロック共重合体である高分子電解質Cを得た。この高分子電解質Cの構造を下記に示す。
得られた高分子電解質Cのイオン交換容量は1.9meq/gであり、重量平均分子量は、4.2×105であった。なお、s、rは各ブロックを構成する括弧内の繰返し単位の平均重合度を表すものである。
(Synthesis of block copolymer)
While stirring the obtained NMP / DMSO mixed solution of the polymer compound having substantially no ion exchange group, the total amount of the DMSO solution of the polymer compound having the sulfonic acid group and 80.4 parts by weight of NMP were added thereto. DMSO (45.3 parts by weight) was added, and a block copolymerization reaction was carried out at 150 ° C. for 40 hours.
The obtained reaction solution was dropped into a large amount of 2N hydrochloric acid and immersed for 1 hour. Thereafter, the produced precipitate was filtered off and then immersed again in 2N hydrochloric acid for 1 hour. The obtained precipitate was filtered and washed with water, and then immersed in a large amount of hot water at 95 ° C. for 1 hour. And this solution was dried at 80 degreeC for 12 hours, and the polymer electrolyte C which is a block copolymer was obtained. The structure of this polymer electrolyte C is shown below.
The obtained polymer electrolyte C had an ion exchange capacity of 1.9 meq / g and a weight average molecular weight of 4.2 × 10 5 . In addition, s and r represent the average degree of polymerization of the repeating units in parentheses constituting each block.
製造例6[イオン伝導膜の作成]
製造例5で得られた高分子電解質Cを、NMPに13.5wt%の濃度となるように溶解させて、高分子電解質溶液を調製した。次いで、この高分子電解質溶液をガラス板上に滴下した。それから、ワイヤーコーターを用いて高分子電解質溶液をガラス板上に均一に塗り広げた。この際、0.25mmクリアランスのワイヤーコーターを用いて塗工厚みをコントロールした。塗布後、高分子電解質溶液を80℃で常圧乾燥した。それから、得られた膜を1mol/Lの塩酸に浸漬した後、イオン交換水で洗浄し、さらに常温乾燥することによって厚さ30μmのイオン伝導膜Cを得た。
Production Example 6 [Preparation of ion conductive membrane]
The polymer electrolyte C obtained in Production Example 5 was dissolved in NMP to a concentration of 13.5 wt% to prepare a polymer electrolyte solution. Next, this polymer electrolyte solution was dropped on a glass plate. Then, the polymer electrolyte solution was uniformly spread on the glass plate using a wire coater. At this time, the coating thickness was controlled using a wire coater having a 0.25 mm clearance. After application, the polymer electrolyte solution was dried at 80 ° C. under normal pressure. Then, the obtained membrane was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid, washed with ion-exchanged water, and dried at room temperature to obtain an ion conductive membrane C having a thickness of 30 μm.
実施例1[高分子電解質エマルションの作成]
製造例1で得られた高分子電解質A0.9gと製造例3で得られたポリマーd0.1gとを、NMPに1.0wt%になるように溶解させて、高分子電解質溶液100gを作製した。次いで、この高分子電解質溶液100gをビュレットを用いて、蒸留水900gに滴下速度3〜5g/minで滴下し、高分子電解質溶液を希釈した。この希釈した高分子電解質溶液を、透析膜透析用セルロースチューブ(三光純薬(株)製UC36−32−100:分画分子量14,000)を用いて72時間流水で分散媒置換を行った。この分散媒置換を行った高分子電解質溶液をエバポレーターを用いて、1.5重量%の濃度になるように濃縮し、高分子電解質エマルションを作製した。この高分子電解質エマルションAの平均粒径は101μmであった。また、高分子電解質エマルションA中のNMP量は4ppmであった。
Example 1 [Preparation of polymer electrolyte emulsion]
The polymer electrolyte A 0.9 g obtained in Production Example 1 and the polymer d 0.1 g obtained in Production Example 3 were dissolved in NMP so as to be 1.0 wt%, thereby producing 100 g of a polymer electrolyte solution. . Next, 100 g of this polymer electrolyte solution was dropped into 900 g of distilled water at a dropping rate of 3 to 5 g / min using a burette to dilute the polymer electrolyte solution. The diluted polymer electrolyte solution was subjected to dispersion medium replacement with running water for 72 hours using a cellulose tube for dialysis membrane dialysis (UC36-32-100, manufactured by Sanko Junyaku Co., Ltd .: molecular weight cut off 14,000). The polymer electrolyte solution subjected to the dispersion medium replacement was concentrated to a concentration of 1.5% by weight using an evaporator to prepare a polymer electrolyte emulsion. The average particle size of the polymer electrolyte emulsion A was 101 μm. Further, the amount of NMP in the polymer electrolyte emulsion A was 4 ppm.
(MEAの作成)
上記高分子電解質エマルションA 5.3gに50重量%白金が担持された白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製)を1g投入し、さらにエタノールを28.8g加えた。得られた混合物を1時間超音波処理したのち、スターラーで5時間攪拌し、触媒インクを得た。引き続き、特開2004−089976号公報に記載の方法に準拠し、イオン伝導膜Cの片面の中央部の5.2cm角の領域に触媒インクを塗布した。吐出口から膜までの距離は6cm、ステージ温度は75℃に設定した。8回の重ね塗りをした後、ステージ上に15分間放置して、溶媒を除去し、触媒層を形成させた。もう一方の面にも同様に触媒インクを塗布し、触媒層を形成した。触媒層の組成と塗布した重量から、片面あたり0.6mg/cm2の白金が配置された、MEAを得た。発電試験の結果得られた0.2Vにおける電流密度を表1に示す。
(Create MEA)
1 g of platinum-supporting carbon (SA50BK, manufactured by N.E. Chemcat) on which 50% by weight of platinum was supported on 5.3 g of the polymer electrolyte emulsion A was added, and 28.8 g of ethanol was further added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred for 5 hours with a stirrer to obtain a catalyst ink. Subsequently, in accordance with the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-089976, a catalyst ink was applied to a 5.2 cm square region at the center of one surface of the ion conductive film C. The distance from the discharge port to the film was set to 6 cm, and the stage temperature was set to 75 ° C. After eight times of overcoating, the mixture was left on the stage for 15 minutes to remove the solvent and form a catalyst layer. Similarly, the catalyst ink was applied to the other surface to form a catalyst layer. From the composition of the catalyst layer and the applied weight, an MEA in which 0.6 mg / cm 2 of platinum was disposed on one side was obtained. Table 1 shows the current density at 0.2 V obtained as a result of the power generation test.
比較例1
(高分子電解質エマルションの作成)
製造例1に用いた高分子電解質Aを、製造例2で得られた高分子電解質Bに置き換え、2重量%まで濃縮したエマルションを得る以外は、実施例1と同じ実験を行い、高分子電解質エマルションBを得た。この高分子電解質エマルションBの平均粒径は437nmであった。また、高分子電解質エマルションB中のNMP量は8ppmであった。
Comparative Example 1
(Preparation of polymer electrolyte emulsion)
The polymer electrolyte A used in Production Example 1 was replaced with the polymer electrolyte B obtained in Production Example 2, and the same experiment as in Example 1 was performed, except that an emulsion concentrated to 2% by weight was obtained. Emulsion B was obtained. The average particle diameter of this polymer electrolyte emulsion B was 437 nm. Further, the amount of NMP in the polymer electrolyte emulsion B was 8 ppm.
(MEAの作成)
上記高分子電解質エマルションB 5.3gに50重量%白金が担持された白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製)を1.4g投入し、さらにエタノールを12.5g加えた。得られた混合物を1時間超音波処理したのち、スターラーで5時間攪拌し、触媒インクを得た。引き続き、特開2004−089976号公報に記載の方法に準拠し、イオン伝導膜Cの片面の中央部の5.2cm角の領域に触媒インクを塗布した。吐出口から膜までの距離は6cm、ステージ温度は75℃に設定した。8回の重ね塗りをした後、ステージ上に15分間放置して、溶媒を除去し、触媒層を形成させた。もう一方の面にも同様に触媒インクを塗布し、触媒層を形成した。触媒層の組成と塗布した重量から、片面あたり0.6mg/cm2の白金が配置された、MEAを得た。発電試験の結果得られた0.2Vにおける電流密度を表4に示す。
(Create MEA)
1.4 g of platinum-supporting carbon (SA50BK, manufactured by N.E. Chemcat), in which 50 wt% platinum was supported, was added to 5.3 g of the polymer electrolyte emulsion B, and 12.5 g of ethanol was further added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred for 5 hours with a stirrer to obtain a catalyst ink. Subsequently, in accordance with the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-089976, a catalyst ink was applied to a 5.2 cm square region at the center of one surface of the ion conductive film C. The distance from the discharge port to the film was set to 6 cm, and the stage temperature was set to 75 ° C. After eight times of overcoating, the mixture was left on the stage for 15 minutes to remove the solvent and form a catalyst layer. Similarly, the catalyst ink was applied to the other surface to form a catalyst layer. From the composition of the catalyst layer and the applied weight, an MEA in which 0.6 mg / cm 2 of platinum was disposed on one side was obtained. Table 4 shows the current density at 0.2 V obtained as a result of the power generation test.
表1から、ランダム共重合体である高分子電解質2を用いた場合に比べ、ブロック共重合体である高分子電解質エマルション1を用いると発電性能が向上することが判明した。
From Table 1, it was found that the power generation performance is improved when the
1・・・酸性基を有するセグメント
2・・・イオン交換基を実質的に有さないセグメント
10・・・燃料電池、12・・・イオン伝導膜、14a,14b・・・触媒層、16a,16b・・・ガス拡散層、18a,18b・・・セパレータ、20・・・MEA
DESCRIPTION OF
Claims (11)
(式中、mは5以上の整数を表し、Ar1は2価の芳香族基を表し、ここで該2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい。なお、m個あるAr1の一部または全部に酸性基を有する。Xは直接結合または2価の基を表す。) The polymer electrolyte emulsion according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer electrolyte is a polymer electrolyte having a segment represented by the following formula (1) as a segment having an acidic group.
(In the formula, m represents an integer of 5 or more, Ar 1 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group may have a substituent. (A part or all of Ar 1 has an acidic group. X represents a direct bond or a divalent group.)
(式中、a、b、cは互いに独立に0か1を表し、nは5以上の整数を表す。Ar2、Ar3、Ar4、Ar5は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基、置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で、または置換されていてもよいアリールカルボニル基で置換されていてもよい。X、X’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表す。Y、Y’は、互いに独立に酸素原子または硫黄原子を表す。) The polymer according to any one of claims 1 to 4, wherein the polymer electrolyte is a polymer electrolyte having a segment represented by the following formula (3) as a segment having substantially no ion exchange group. Electrolyte emulsion.
(In the formula, a, b and c each independently represent 0 or 1, and n represents an integer of 5 or more. Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 and Ar 5 independently represent a divalent aromatic group. Wherein these divalent aromatic groups are optionally substituted alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms, optionally substituted alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms, An aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and 2 to 2 carbon atoms which may have a substituent. It may be substituted with an acyl group of 20 or an optionally substituted arylcarbonyl group, X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, and Y and Y ′ Independently represents an oxygen atom or a sulfur atom.)
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