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JP4871537B2 - Method for producing membrane-electrode assembly - Google Patents

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JP4871537B2 JP2005205659A JP2005205659A JP4871537B2 JP 4871537 B2 JP4871537 B2 JP 4871537B2 JP 2005205659 A JP2005205659 A JP 2005205659A JP 2005205659 A JP2005205659 A JP 2005205659A JP 4871537 B2 JP4871537 B2 JP 4871537B2
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Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池などに用いられる、固体高分子電解質膜を有する膜−電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane-electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane used for a solid polymer electrolyte fuel cell or the like.

固体高分子電解質型燃料電池は、一対の触媒層に挟持された高分子電解膜を備える膜−電極接合体を有しており、燃料ガスとして純水素または改質水素ガスを一方の触媒層(燃料極)へ供給し、酸化剤として酸素ガスまたは空気を他方の触媒層(空気極)へ供給して起電力を得るものである。   A solid polymer electrolyte fuel cell has a membrane-electrode assembly including a polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of catalyst layers, and pure hydrogen or reformed hydrogen gas is used as a fuel gas in one catalyst layer ( To the fuel electrode), and oxygen gas or air as an oxidant is supplied to the other catalyst layer (air electrode) to obtain an electromotive force.

上記膜−電極接合体の製造方法としては、たとえば、金属触媒が担持されたカーボン粒子と、水素イオン伝導性の高分子電解質と、有機溶剤とを含む触媒ペーストを、高分子電解質膜の両面に塗布または噴霧し、加熱乾燥により有機溶剤を除去して高分子電解質膜の両面に触媒層を形成した後、カーボンペーパーなどのガス拡散層を触媒層両面に配し、ホットプレスにより触媒層とガス拡散層を接合する方法が挙げられる。   As a method for producing the membrane-electrode assembly, for example, a catalyst paste containing carbon particles carrying a metal catalyst, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte, and an organic solvent is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane. After coating or spraying, removing the organic solvent by heating and drying to form a catalyst layer on both sides of the polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer such as carbon paper is placed on both sides of the catalyst layer, and hot pressing to the catalyst layer and the gas The method of joining a diffused layer is mentioned.

上記触媒層を構成する高分子電解質として、Nafion(登録商標)に代表されるスルホン化パーフルオロ炭化水素系の高分子電解質を用いた場合、高分子電解質が熱可塑性であることから、ホットプレス等の熱圧着法により触媒層とガス拡散層とを容易に接合することができる。   When a sulfonated perfluorohydrocarbon polymer electrolyte typified by Nafion (registered trademark) is used as the polymer electrolyte constituting the catalyst layer, the polymer electrolyte is thermoplastic, so hot pressing, etc. The catalyst layer and the gas diffusion layer can be easily joined by the thermocompression bonding method.

一方、上記高分子電解質として、スルホン化ポリアリーレンなどのプロトン酸基含有芳香族系ポリマー(たとえば、特許文献1参照)のような耐熱材料を用いた場合、触媒金属の劣化温度を超えるような温度条件か、あるいは、触媒層中の細孔を潰してしまうような圧力条件でないと、十分な接合強度を実現させることができなかった。   On the other hand, when a heat-resistant material such as a protonic acid group-containing aromatic polymer such as sulfonated polyarylene (for example, see Patent Document 1) is used as the polymer electrolyte, the temperature exceeds the deterioration temperature of the catalyst metal. Unless the pressure conditions were such that the pores in the catalyst layer were crushed, sufficient bonding strength could not be realized.

このように、触媒層とガス拡散層との接合強度が十分でないと、特に高加湿、高電流密度の作動条件下において、ガス拡散層と触媒層との間に空隙が生じ、フラッティングが生じやすくなる。フラッティングが生じると、初期の発電性能が低下するだけでなく、長時間に渡って安定した発電性能を得ることが困難になる。また、燃料極側でフラッティングが生じて燃料ガスの供給が滞ると、電極基材のカーボンペーパーや、触媒を担持したカーボン粒子の腐食を進行させて燃料電池の寿命を縮めることがある。
米国特許第5,403,675号公報
As described above, when the bonding strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer is not sufficient, voids are generated between the gas diffusion layer and the catalyst layer, particularly under the operating conditions of high humidification and high current density, resulting in flatting. It becomes easy. When flatting occurs, not only the initial power generation performance decreases, but also it becomes difficult to obtain stable power generation performance for a long time. Further, if the fuel gas supply is delayed due to the occurrence of flatting on the fuel electrode side, the carbon paper on the electrode substrate and the carbon particles supporting the catalyst may be corroded to shorten the life of the fuel cell.
US Pat. No. 5,403,675

本発明の課題は、固体高分子電解質膜の両面に形成されたプロトン酸基含有芳香族系ポリマーを含む触媒層と、該触媒層上に接合されたガス拡散層との間の接合強度を向上させ、発電耐久性に優れた固体高分子膜−電極接合体の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to improve the bonding strength between a catalyst layer containing a protonic acid group-containing aromatic polymer formed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer bonded on the catalyst layer Another object of the present invention is to provide a method for producing a solid polymer membrane-electrode assembly having excellent power generation durability.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、特定のプロトン酸基含有芳香族系ポリマーを含む接着剤層を介在させて、触媒層とガス拡散層とを接合することにより、触媒層とガス拡散層との間の接合強度を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The inventors of the present invention have intensively studied to solve the above problems. As a result, the bonding strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer is improved by bonding the catalyst layer and the gas diffusion layer through an adhesive layer containing a specific protonic acid group-containing aromatic polymer. The present inventors have found that this can be done and have completed the present invention.

すなわち、本発明に係る膜−電極接合体の製造方法は、固体高分子電解質膜の両面に、
プロトン酸基含有芳香族系ポリマーと、金属触媒が担持されたカーボン粒子とを含有する触媒層を有し、該触媒層上にガス拡散層を有する膜−電極接合体の製造方法であって、少なくとも一方の触媒層とガス拡散層とを、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーを含有する接着剤層を介在させて接合する工程を含むことを特徴とする。
That is, the method for producing a membrane-electrode assembly according to the present invention has both sides of a solid polymer electrolyte membrane,
A method for producing a membrane-electrode assembly having a catalyst layer containing a proton acid group-containing aromatic polymer and carbon particles carrying a metal catalyst, and having a gas diffusion layer on the catalyst layer, It includes a step of joining at least one of the catalyst layer and the gas diffusion layer with an adhesive layer containing a protonic acid group-containing aromatic polymer interposed therebetween.

前記接着剤層を構成するプロトン酸基含有芳香族系ポリマーは、前記触媒層を構成するプロトン酸基含有芳香族系ポリマーと同一であることが好ましく、該ポリマーは、特定の構成単位を有するスルホン化ポリアリーレンであることがより好ましい。   The protonic acid group-containing aromatic polymer constituting the adhesive layer is preferably the same as the protonic acid group-containing aromatic polymer constituting the catalyst layer, and the polymer is a sulfone having a specific structural unit. More preferred is a modified polyarylene.

また、前記接着剤層は、さらに導電性フィラーを含有してもよく、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーと該導電性フィラーとを、5/95〜60/40の質量比(ポリマー/フィラー)で含有することが好ましい。   The adhesive layer may further contain a conductive filler, and the mass ratio of the protonic acid group-containing aromatic polymer and the conductive filler to 5/95 to 60/40 (polymer / filler). It is preferable to contain.

本発明によれば、固体高分子電解質膜上に形成された触媒層とガス拡散層とを、充分な接合強度で接合することができるため、発電耐久性に優れた膜−電極接合体を得ることができる。   According to the present invention, since the catalyst layer and the gas diffusion layer formed on the solid polymer electrolyte membrane can be bonded with sufficient bonding strength, a membrane-electrode assembly having excellent power generation durability is obtained. be able to.

本発明の製造方法により得られる膜−電極接合体は、触媒層およびガス拡散層を含む電極層と、固体高分子電解質膜とを有し、該電解質膜の両面に触媒層が形成され、該触媒層上にガス拡散層が接合されている。そして、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、少なくとも一方の触媒層とガス拡散層とを、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーを含有する接着剤層を介在させて接合する工程を含むことを特徴とする。以下、本発明に係る膜−電極接合体の製造方法、ならびに、該製造方法に用いられる構成材料などについて詳細に説明する。   The membrane-electrode assembly obtained by the production method of the present invention has an electrode layer including a catalyst layer and a gas diffusion layer, and a solid polymer electrolyte membrane, and a catalyst layer is formed on both sides of the electrolyte membrane, A gas diffusion layer is bonded on the catalyst layer. And the manufacturing method of the membrane-electrode assembly of this invention includes the process of joining at least one catalyst layer and a gas diffusion layer through the adhesive layer containing a protonic acid group containing aromatic polymer interposed. It is characterized by that. Hereinafter, the manufacturing method of the membrane-electrode assembly according to the present invention and the constituent materials used in the manufacturing method will be described in detail.

〔触媒層〕
本発明の製造方法により得られる膜−電極接合体を構成する触媒層は、触媒を担持したカーボンとプロトン酸基含有芳香族系ポリマーとを含有する。
(Catalyst layer)
The catalyst layer constituting the membrane-electrode assembly obtained by the production method of the present invention contains carbon carrying a catalyst and a protonic acid group-containing aromatic polymer.

(i)触媒を担持したカーボン
本発明で用いられる触媒としては、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。
(I) Carbon carrying a catalyst As the catalyst used in the present invention, platinum or a platinum alloy is used. 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.

上記触媒を担持するカーボンとしては、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。   As the carbon supporting the catalyst, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black is preferably used from the viewpoint of electron conductivity and 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, “# 3150” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, “# 3250”, 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. The amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as it can effectively exhibit the catalytic activity, but the supported amount is 0.1 to 9.0 g- Metal / g-carbon, preferably in the range of 0.25 to 2.4 g-metal / g-carbon.

(ii)プロトン酸基含有芳香族系ポリマー
上記触媒層を構成するプロトン酸基含有芳香族系ポリマーは、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、燃料極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し、また、空気極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する。
(Ii) Protonic acid group-containing aromatic polymer The protonic acid group-containing aromatic polymer constituting the catalyst layer serves as a binder component for binding the carbon carrying the catalyst, and the reaction on the catalyst at the fuel electrode In the air electrode, ions supplied from the ion conductive membrane are efficiently supplied to the catalyst.

上記プロトン酸基含有芳香族系ポリマーは、上記機能を有すれば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)と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(以下「スルホン化ポリアリーレン」ともいう。)である。このようなスルホン化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触媒層を形成することができる。以下、本発明で特に好ましく用いられるスルホン化ポリアリーレンについて具体的に説明する。   The protonic acid group-containing aromatic polymer is not particularly limited as long as it has the above functions, but does not have a polymer segment (A) having an ion conductive component composed of a sulfonic acid group or a phosphoric acid group and an ion conductive component. A block copolymer in which the polymer segment (B) is covalently bonded is preferable. 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) (Hereinafter also referred to as “structural unit (A)” or “sulfonic acid unit”) and a structural unit represented by the following general formula (B) (hereinafter referred to as “structural unit (B)” or “hydrophobic unit”). And a polyarylene having a sulfonic acid group represented by the following general formula (C) (hereinafter also referred to as “sulfonated polyarylene”). When such a sulfonated polyarylene is used, an electrode catalyst layer having higher heat resistance and higher mechanical strength can be formed. Hereinafter, the sulfonated polyarylene particularly preferably used in the present invention will be described in detail.

<スルホン化ポリアリーレン>
(スルホン酸ユニット)
<Sulfonated polyarylene>
(Sulfonic acid unit)

Figure 0004871537
Figure 0004871537

上記式(A)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−
、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−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、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH32−、−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(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(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(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H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、Arが置換基として2個の−SO3
H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(CH24SO3H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。
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) m = 1, n = 0, Y is —CO—, and Ar is two substituents —SO 3.
A structure which is a naphthyl group having H,
(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.

(疎水性ユニット)   (Hydrophobic unit)

Figure 0004871537
Figure 0004871537

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−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(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 -, showing cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O- or -S-. 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。
1〜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。
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.

(ポリマー構造)   (Polymer structure)

Figure 0004871537
Figure 0004871537

上記式(C)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)中で定義した通りであり、xおよびyは、x+y=10
0モル%とした場合のモル比を示す。
In the above formula (C), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t and R 1 to R 16 are defined in the above formulas (A) and (B). Where x and y are x + y = 10
The molar ratio in the case of 0 mol% is shown.

本発明で特に好ましく用いられるスルホン化ポリアリーレンは、上記構成単位(A)、すなわちxのユニットを0.5〜99.999モル%、好ましくは10〜99.99モル%の割合で含有し、上記構成単位(B)、すなわちyのユニットを99.5〜0.001モル%、好ましくは90〜0.01モル%の割合で含有している。   The sulfonated polyarylene particularly preferably used in the present invention contains the structural unit (A), that is, the unit of x in a proportion of 0.5 to 99.999 mol%, preferably 10 to 99.99 mol%, The structural unit (B), that is, the y unit is contained in a proportion of 99.5 to 0.001 mol%, preferably 90 to 0.01 mol%.

(スルホン化ポリアリーレンの製造方法)
上記スルホン化ポリアリーレンの製造方法としては、たとえば、下記に示すA法、B法およびC法が挙げられる。
(Method for producing sulfonated polyarylene)
Examples of the method for producing the sulfonated polyarylene include the following methods A, B, and C.

(A法)たとえば、特開2004−137444号公報に記載の方法で、上記構成単位(A)となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、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基に変換する
方法。
(Method A) For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be the structural unit (A) and a monomer or oligomer that can be the structural unit (B) are combined. A method of polymerizing to produce a polyarylene having a sulfonic acid ester group, and deesterifying the sulfonic acid ester group to convert it into a sulfonic acid group.

(B法)たとえば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記式(A)で表される骨格を有するが、スルホン酸基およびスルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとを共重合させ、得られた共重合体をスルホン化剤を用いてスルホン化する方法。   (Method B) For example, in the method described in JP-A-2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the above formula (A) but not having a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group, and the above structural unit (B) A method in which a monomer or an oligomer that can be used is copolymerized, and the resulting copolymer is sulfonated using a sulfonating agent.

(C法)上記式(A)中のArが、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、たとえば、特開2005−60625号公報に記載の方法で、上記構成単位(A)となりうる前駆体のモノマーと、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとを共重合させ、次いで、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。 (Method C) When Ar in the above formula (A) is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H Is, for example, copolymerized a precursor monomer that can be the structural unit (A) and a monomer or oligomer that can be the structural unit (B) by the method described in JP-A-2005-60625, A method of introducing an alkyl sulfonic acid or a fluorine-substituted alkyl sulfonic acid.

上記A法で用いることができる、上記構成単位(A)となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーとしては、たとえば、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。   Examples of the monomer having a sulfonate group that can be the structural unit (A) that can be used in the method A include, for example, JP-A Nos. 2004-137444, 2004-345997, and 2004-346163. Examples thereof include sulfonic acid esters described in Japanese Patent Publication No. Gazette.

上記B法で用いることができる、上記構成単位(A)となりうるスルホン酸基およびスルホン酸エステル基を有しないモノマーとしては、たとえば、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。   Examples of the monomer that does not have a sulfonic acid group and a sulfonic acid ester group that can be used as the structural unit (A) and that can be used in the above-mentioned method B include, for example, JP-A Nos. 2001-342241 and 2002-293889. Mention may be made of the dihalides described.

上記C法で用いることができる、上記構成単位(A)となりうる前駆体のモノマーとしては、たとえば、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。   Examples of the precursor monomer that can be the structural unit (A) that can be used in the method C include dihalides described in JP-A-2005-36125.

また、いずれの方法においても用いられる、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとしては、
r=0の場合、たとえば、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などが挙げられる。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も用いることができる。
Moreover, as a monomer or oligomer that can be the structural unit (B) used in any method,
When r = 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, 2,6-dichlorobenzonitrile, etc. Is mentioned. Among these compounds, compounds in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom can also be used.

r=1の場合、たとえば、特開2003−113136号公報に記載の化合物を挙げることができる。
r≧2の場合、たとえば、特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特開2004−346164号公報、特願2003−348523号、特願2003−348524号、特願2004−211739号、特願2004−211740号に記載の化合物を挙げることができる。
In the case of r = 1, for example, compounds described in JP-A-2003-113136 can be exemplified.
In the case of r ≧ 2, for example, JP 2004-137444 A, JP 2004-244517 A, JP 2004-346164 A, Japanese Patent Application No. 2003-348523, Japanese Patent Application No. 2003-348524, and Japanese Patent Application No. 2004-2004. Examples thereof include compounds described in No. 211739 and Japanese Patent Application No. 2004- 211740.

スルホン酸基を有するポリアリーレンを得るためには、まず、上記構成単位(A)となりうるモノマーと、上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーとを、触媒の存在下で共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合を行う際に用いられる触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系は、(i)遷移金属塩および配位子となる化合物、または、配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)と、(ii)還元剤とを必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために「塩」
を添加してもよい。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、時間等の重合条件は、たとえば、特開2001−342241号公報に記載されている条件を採用することができる。
In order to obtain a polyarylene having a sulfonic acid group, first, a monomer that can be the structural unit (A) and a monomer or oligomer that can be the structural unit (B) are copolymerized in the presence of a catalyst, It is necessary to obtain body polyarylene. The catalyst used in carrying out the copolymerization is a catalyst system containing a transition metal compound, and this catalyst system is (i) a compound that becomes a transition metal salt and a ligand, or a ligand is coordinated. Transition metal complex (including copper salt) and (ii) a reducing agent as essential components, and further, a “salt” for increasing the polymerization rate
May be added. For example, the conditions described in JP-A-2001-342241 can be adopted as specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the reaction solvent, concentration, temperature, time, and other polymerization conditions.

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、上記のようにして得られた前駆体のポリアリーレンを、スルホン酸基を有するポリアリーレンに変換することにより得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。   The sulfonated polyarylene used in the present invention can be obtained by converting the precursor polyarylene obtained as described above into a polyarylene having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.

(a法)上記A法で得られた、前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法。
(b法)上記B法で得られた前駆体のポリアリーレンを、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法。
(Method a) A method of deesterifying the precursor polyarylene having a sulfonate group obtained by Method A by the method described in JP-A-2004-137444.
(Method b) A method of sulfonating the precursor polyarylene obtained in Method B by the method described in JP-A-2001-342241.

(c法)上記C法で得られた前駆体のポリアリーレンに、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。
上記のような方法により製造される、上記式(C)で表されるスルホン化ポリアリーレンのイオン交換容量は、通常、0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。イオン交換容量が上記範囲よりも低いと、プロトン伝導度が低くなり発電性能が低下する傾向にある。一方、イオン交換容量が上記範囲を超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがあるため好ましくない。
(Method c) A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene obtained by the method C by the method described in JP-A-2005-60625.
The ion exchange capacity of the sulfonated polyarylene represented by the above formula (C) produced by the method as described above is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, Preferably it is 0.8-2.8 meq / g. If the ion exchange capacity is lower than the above range, the proton conductivity tends to be low and the power generation performance tends to be reduced. On the other hand, if the ion exchange capacity exceeds the above range, the water resistance may be significantly lowered, which is not preferable.

上記イオン交換容量は、たとえば、上記構成単位(A)となりうる前駆体のモノマーおよび上記構成単位(B)となりうるモノマーまたはオリゴマーの種類、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。   The ion exchange capacity can be adjusted, for example, by changing the type, use rate, and combination of the precursor monomer that can be the structural unit (A) and the monomer or oligomer that can be the structural unit (B).

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、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。   The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained 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).

〔触媒層の形成方法〕
上記触媒層を、後述する高分子電解質膜上に形成する方法については特に限定はされないが、たとえば、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーと、触媒を担持したカーボン粒子と、有機溶媒とを混合して触媒ペースト組成物を調製し、高分子電解質膜上に塗布、乾燥して電極触媒層を作製する方法や、前記触媒ペースト組成物を転写基材に塗布、乾燥して転写基材上に触媒層を形成後、ホットプレスなどの熱転写により高分子電解質膜上に触媒層を転写する方法などを挙げることができる。
[Method of forming catalyst layer]
The method for forming the catalyst layer on the polymer electrolyte membrane described below is not particularly limited. For example, a proton acid group-containing aromatic polymer, carbon particles supporting the catalyst, and an organic solvent are mixed. The catalyst paste composition is prepared, applied onto the polymer electrolyte membrane and dried to prepare an electrode catalyst layer, or the catalyst paste composition is applied onto the transfer substrate and dried to form a catalyst on the transfer substrate. Examples thereof include a method of transferring the catalyst layer onto the polymer electrolyte membrane by thermal transfer such as hot pressing after forming the layer.

上記有機溶媒としては特に限定されないが、沸点(bp)が75〜250℃であることが好ましい。有機溶剤の沸点が前記範囲未満であると、触媒ペーストの乾燥性が速く、ダイのノズルが詰まりやすい等の現象により、塗工時の生産性が低下することがあり、一方、前記範囲を越えると、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。   Although it does not specifically limit as said organic solvent, It is preferable that a boiling point (bp) is 75-250 degreeC. When the boiling point of the organic solvent is less than the above range, the drying property of the catalyst paste is fast and the die nozzle is likely to be clogged. Then, it becomes difficult to remove the solvent, the pores in the electrode are blocked, and the power generation performance may be reduced.

また、上記有機溶媒は、溶解性パラメータ(δ)の範囲が7.5〜13(cal/mol)1/2であることが好ましい。有機溶媒の溶解性パラメータが前記範囲外であると、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーの溶解性が低下し、触媒を担持したカーボンへの該ポリマーの被覆が過剰となり、触媒層中の細孔が閉塞する傾向にある。 The organic solvent preferably has a solubility parameter (δ) in the range of 7.5 to 13 (cal / mol) 1/2 . When the solubility parameter of the organic solvent is out of the above range, the solubility of the protonic acid group-containing aromatic polymer is lowered, the coating of the polymer on the carbon carrying the catalyst becomes excessive, and the pores in the catalyst layer Tend to block.

また、上記有機溶媒は、−O−、−OH、−CO−、−SO−、−SO2−、−COO
−および−CONR−(Rは水素原子または炭化水素基)からなる群より選ばれる基を少
なくとも1種以上有することが好ましい。
Further, the organic solvent is, -O -, - OH, -CO -, - SO -, - SO 2 -, - COO
It is preferable to have at least one group selected from the group consisting of-and -CONR- (R is a hydrogen atom or a hydrocarbon group).

上記のような有機溶媒としては、たとえば、エタノール(bp:78.3℃、δ:12.92)、n−プロピルアルコール(bp:97℃、δ:11.97)、2−プロパノール(bp:82.4℃、δ:11.50)、2−メチル−2−プロパノール(bp:82.5℃、δ:11.11)、2−ブタノール(bp:99.5℃、δ:11.11*)、
n−ブチルアルコール(bp:117℃、δ:11.30)、2−メチル−1−プロパノール(bp:108℃、δ:11.11*)、1−ペンタノール(bp:138℃、δ:
10.96*)、2−ペンタノール(bp:119℃、δ:10.77*)、3−ペンタノール(bp:115℃、δ:10.77*)、2−メチル−1−ブタノール(bp:12
9℃、δ:10.77*)、3−メチル−1−ブタノール(bp:131℃、δ:10.
77*)、2−メチル−2−ブタノール(bp:102℃、δ:10.58*)、3−メチル−2−ブタノール(bp:112℃、δ:10.58*)、2,2−ジメチル1−プロ
パノール(bp:113℃、δ 10.58*)、シクロヘキサノール(bp:161℃、δ:12.44*)、1−ヘキサノール(bp:157℃、δ:10.68*)、2−メチル−1−ペンタノール(bp:148℃、δ:10.51*)、2−メチル−2−ペンタ
ノール(bp:121℃、δ:10.34*)、4−メチル−2−ペンタノール(bp:
132℃、δ:10.34*)、2−エチル−1−ブタノール(bp:147℃、δ:1
0.51*)、1−メチルシクロヘキサノール(bp:156、δ:11.76*)、2−メチルシクロヘキサノール(bp:168℃、δ:11.74*)、3−メチルシクロヘ
キサノール(bp:168℃、δ:11.74*)、4−メチルシクロヘキサノール(b
p.171℃、δ:11.74*)、1−オクタノール(bp.195℃、δ 10.28*)、2−オクタノール(bp:180℃、δ:10.14*)、2−エチル−1−ヘキサノール(bp:184℃、δ:10.14*)、ジオキサン(bp:101℃、δ:10
.0)、ブチルエーテル(bp:140℃、δ:7.78*)、フェニルエーテル(bp
:187℃、δ:12.16)、イソペンチルエーテル(bp:173℃、δ:7.63*)、1,2−ジメトキシエタン(bp:85.2、δ:7.63 *)、ジエトキシエタ
ン(bp:102℃、δ:7.63*)、ビス(2−メトキシエチル)エーテル(bp:
160℃、δ:8.10*)、ビス(2−エトキシエチル)エーテル(bp:189℃、
δ:8.19*)、シネオール(bp:176℃、δ:8.97*)、ベンジルエチルエーテル(bp:185℃、δ:9.20*)、アニソール(bp:154℃、δ:9.38*)、フェネトール(bp:170℃、δ:9.27*)、アセタール(bp:104℃、
δ:7.65*)、メチルエチルケトン(bp:79.6、δ:9.27)、2−ペンタ
ノン(bp:102℃、δ:8.30*)、3−ペンタノン(bp:102℃、δ:8.
30*)、シクロペンタノン(bp:131℃、δ:12.81*)、シクロヘキサノン(bp:156℃、δ:9.88)、2−ヘキサノン(bp:128℃、δ:8.84*)
、4−メチル−2−ペンタノン(bp:117℃、δ:8.68*)、2−ヘプタノン(
bp:151℃、δ:8.84*)、2,4−ジメチル−3−ペンタノン(bp:125℃、δ:8.49)、2−オクタノン(bp:173℃、δ:8.81*)、γーブチロラ
クトン(bp:204、δ:12.78)、酢酸−n−ブチル(bp:126℃、δ:8.46)、酢酸イソブチル(bp:126℃、δ:8.42)、酢酸sec-ブチル(bp:112℃、δ:8.51*)、酢酸ペンチル(bp:150℃、δ:8.69*)、酢酸イソペンチル(bp:142℃、δ:8.52*)、3−メトキシブチルアセタート(bp
:173℃、δ:8.52*)、酪酸メチル(bp:102℃、δ:8.72*)、酪酸エチル(bp:121℃、δ:8.70*)、乳酸メチル(bp:145℃、δ:12.4
2*)、乳酸エチル(bp:155℃、δ:10.57)、乳酸ブチル(bp:185℃
、δ:11.26*)、2−メトキシエタノール(bp:125℃、δ:11.98*)、2−エトキシエタノール(bp:136℃、δ:11.47*)、2−(メトキシメトキ
シ)エタノール(bp:168℃、δ:11.60*)、2−イソプロポキシエタノール
(bp:142℃、δ:10.92*)、1−メトキシ−2−プロパノール(bp:12
0℃、δ:11.27*)、1−エトキシ−2−プロパノール(bp:132℃、δ:1
0.92*)、ジメチルスルホキシド(bp:189℃、δ:12.93)、N−メチル
ホルムアミド(bp:185℃、δ:12.93)、N,N−ジメチルホルムアミド(bp:153℃、δ:12.14)、N,N−ジエチルホルムアミド(bp:178℃、δ:10.07*)、N,N−ジメチルアセトアミド(bp:166℃、δ:11.12)
、N−メチル−2−ピロリドン(bp:202℃、δ:11.17 )、テトラメチル尿
素(bp:177.5℃、δ:10.6)などが挙げられる。
Examples of the organic solvent as described above include ethanol (bp: 78.3 ° C., δ: 12.92), n-propyl alcohol (bp: 97 ° C., δ: 11.97), 2-propanol (bp: 82.4 ° C., δ: 11.50), 2-methyl-2-propanol (bp: 82.5 ° C., δ: 11.11), 2-butanol (bp: 99.5 ° C., δ: 11.11) *),
n-butyl alcohol (bp: 117 ° C., δ: 11.30), 2-methyl-1-propanol (bp: 108 ° C., δ: 11.11 *), 1-pentanol (bp: 138 ° C., δ:
10.96 *), 2-pentanol (bp: 119 ° C., δ: 10.77 *), 3-pentanol (bp: 115 ° C., δ: 10.77 *), 2-methyl-1-butanol ( bp: 12
9 ° C., δ: 10.77 *), 3-methyl-1-butanol (bp: 131 ° C., δ: 10.
77 *), 2-methyl-2-butanol (bp: 102 ° C., δ: 10.58 *), 3-methyl-2-butanol (bp: 112 ° C., δ: 10.58 *), 2,2- Dimethyl 1-propanol (bp: 113 ° C., δ 10.58 *), cyclohexanol (bp: 161 ° C., δ: 12.44 *), 1-hexanol (bp: 157 ° C., δ: 10.68 *), 2-methyl-1-pentanol (bp: 148 ° C., δ: 10.51 *), 2-methyl-2-pentanol (bp: 121 ° C., δ: 10.34 *), 4-methyl-2- Pentanol (bp:
132 ° C., δ: 10.34 *), 2-ethyl-1-butanol (bp: 147 ° C., δ: 1)
0.51 *), 1-methylcyclohexanol (bp: 156, δ: 11.76 *), 2-methylcyclohexanol (bp: 168 ° C., δ: 11.74 *), 3-methylcyclohexanol (bp : 168 ° C., δ: 11.74 *), 4-methylcyclohexanol (b
p. 171 ° C., δ: 11.74 *), 1-octanol (bp. 195 ° C., δ 10.28 *), 2-octanol (bp: 180 ° C., δ: 10.14 *), 2-ethyl-1- Hexanol (bp: 184 ° C., δ: 10.14 *), dioxane (bp: 101 ° C., δ: 10
. 0), butyl ether (bp: 140 ° C., δ: 7.78 *), phenyl ether (bp
187 ° C., δ: 12.16), isopentyl ether (bp: 173 ° C., δ: 7.63 *), 1,2-dimethoxyethane (bp: 85.2, δ: 7.63 *), di Ethoxyethane (bp: 102 ° C., δ: 7.63 *), bis (2-methoxyethyl) ether (bp:
160 ° C., δ: 8.10 *), bis (2-ethoxyethyl) ether (bp: 189 ° C.,
δ: 8.19 *), cineol (bp: 176 ° C., δ: 8.97 *), benzyl ethyl ether (bp: 185 ° C., δ: 9.20 *), anisole (bp: 154 ° C., δ: 9) .38 *), phenetole (bp: 170 ° C., δ: 9.27 *), acetal (bp: 104 ° C.,
δ: 7.65 *), methyl ethyl ketone (bp: 79.6, δ: 9.27), 2-pentanone (bp: 102 ° C., δ: 8.30 *), 3-pentanone (bp: 102 ° C., δ : 8.
30 *), cyclopentanone (bp: 131 ° C., δ: 12.81 *), cyclohexanone (bp: 156 ° C., δ: 9.88), 2-hexanone (bp: 128 ° C., δ: 8.84 *) )
4-methyl-2-pentanone (bp: 117 ° C., δ: 8.68 *), 2-heptanone (
bp: 151 ° C., δ: 8.84 *), 2,4-dimethyl-3-pentanone (bp: 125 ° C., δ: 8.49), 2-octanone (bp: 173 ° C., δ: 8.81 *) ), Γ-butyrolactone (bp: 204, δ: 12.78), n-butyl acetate (bp: 126 ° C., δ: 8.46), isobutyl acetate (bp: 126 ° C., δ: 8.42), Sec-butyl acetate (bp: 112 ° C., δ: 8.51 *), pentyl acetate (bp: 150 ° C., δ: 8.69 *), isopentyl acetate (bp: 142 ° C., δ: 8.52 *), 3-methoxybutyl acetate (bp
173 ° C., δ: 8.52 *), methyl butyrate (bp: 102 ° C., δ: 8.72 *), ethyl butyrate (bp: 121 ° C., δ: 8.70 *), methyl lactate (bp: 145 ° C, δ: 12.4
2 *), ethyl lactate (bp: 155 ° C., δ: 10.57), butyl lactate (bp: 185 ° C.)
, Δ: 11.26 *), 2-methoxyethanol (bp: 125 ° C., δ: 11.98 *), 2-ethoxyethanol (bp: 136 ° C., δ: 11.47 *), 2- (methoxymethoxy ) Ethanol (bp: 168 ° C., δ: 11.60 *), 2-isopropoxyethanol (bp: 142 ° C., δ: 10.92 *), 1-methoxy-2-propanol (bp: 12)
0 ° C., δ: 11.27 *), 1-ethoxy-2-propanol (bp: 132 ° C., δ: 1
0.92 *), dimethyl sulfoxide (bp: 189 ° C., δ: 12.93), N-methylformamide (bp: 185 ° C., δ: 12.93), N, N-dimethylformamide (bp: 153 ° C., δ: 12.14), N, N-diethylformamide (bp: 178 ° C., δ: 10.07 *), N, N-dimethylacetamide (bp: 166 ° C., δ: 11.12)
N-methyl-2-pyrrolidone (bp: 202 ° C., δ: 11.17), tetramethylurea (bp: 177.5 ° C., δ: 10.6), and the like.

上記有機溶媒は1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、上記例示中δは溶解性パラメータの値((cal/mol)1/2)を示し、数値の後に「*」を付した値は、Fedorsの計算値(R.F Fedors, Polym. Eng. Sci., 14(2)147(1974)参照)である。 The said organic solvent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. In the above examples, δ represents the value of the solubility parameter ((cal / mol) 1/2 ), and the value after “*” is the calculated value of Fedors (RF Fedors, Polym. Eng. Sci 14 (2) 147 (1974)).

上記有機溶媒の使用割合は、触媒ペースト組成物中5重量%〜95重量%、好ましくは15重量%〜90重量%であることが望ましい。有機溶媒を前記範囲内の量で用いることにより、組成物がペースト状となりハンドリングに好適であるとともに、発電に必要な電極中の細孔容積を十分確保できる。   The organic solvent is used in an amount of 5% to 95% by weight, preferably 15% to 90% by weight in the catalyst paste composition. By using the organic solvent in an amount within the above range, the composition becomes paste-like and suitable for handling, and a sufficient pore volume in the electrode necessary for power generation can be secured.

上記触媒ペースト組成物には、必要に応じてさらに水を添加してもよい。触媒ペースト組成物に水を添加すると、ペースト調製時の発熱を低減する効果がある。水は、触媒ペースト組成物中0重量%〜70重量%、好ましくは2重量%〜30重量%となる量で添加することができる。水の添加量が、上記範囲内にあると触媒ペースト調製時の発熱を効率的に低減できる。   Water may be further added to the catalyst paste composition as necessary. Addition of water to the catalyst paste composition has an effect of reducing heat generation during paste preparation. Water can be added in an amount of 0 to 70% by weight, preferably 2 to 30% by weight, in the catalyst paste composition. When the amount of water added is within the above range, heat generation during preparation of the catalyst paste can be efficiently reduced.

上記触媒ペースト組成物には、必要に応じてさらに分散剤を添加してもよい。触媒ペースト組成物に分散剤を添加すると、触媒ペースト組成物の分散性、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。   You may add a dispersing agent to the said catalyst paste composition further as needed. When a dispersant is added to the catalyst paste composition, the catalyst paste composition is excellent in dispersibility, storage stability, and fluidity, and productivity during coating is improved.

上記分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などの界面活性剤が挙げられる。
上記アニオン界面活性剤としては、たとえば、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−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などが挙げられる。
Examples of the dispersant include surfactants such as anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants.
Examples of the anionic surfactant include oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, special modified polyether Amine salt of ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine salt of high molecular weight polyether ester acid, amine salt of special modified phosphoric acid ester, high molecular weight polyester acid amide amine salt, special fatty acid derivative Amidoamine salt, alkylamine salt of higher fatty acid, amidoamine salt of high molecular weight polycarboxylic acid, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleyl sulfate sodium salt, cetyl Sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate sodium salt, lauryl ether sulfate ester, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, higher alcohol phosphate monoester disodium Salt, higher alcohol phosphoric acid diester disodium salt, zinc dialkyldithiophosphate and the like.

上記カチオン界面活性剤としては、たとえば、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キシ)エトキシ]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−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などが挙げられる。
Examples of the cationic surfactant include benzyldimethyl {2- [2- (P-1
, 1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride, Hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, palm dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2 -Heptadecenyl-hydroxyethyl ester Dazoline, 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, And fluoroalkyl quaternary ammonium iodide.

上記両性界面活性剤としては、たとえば、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−フルオロアクカノイル−N−エ
チルアミノ]−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]−N,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベ
タインなどが挙げられる。
Examples of the amphoteric surfactant include 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-propanesulfonic acid sodium, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine, etc. Can be mentioned.

上記非イオン界面活性剤としては、たとえば、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などが挙げられる。   Examples of the nonionic surfactant include coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), and bovine fatty acid diethanolamide (1). : 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol palm amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol di Oleylamine, dimethyllaurylamine oxide, dimethylstearylamine oxide, dihydroxyethyllaurylamine oxide, perfluoroalkylamine oxide, poly Vinyl pyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid 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 And fatty acid esters of sugar.

上記分散剤は、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、上記分散剤は、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 said dispersing agent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. The dispersant is preferably a surfactant having a basic group, more preferably an anionic or cationic surfactant, and still more preferably a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000. .

上記触媒ペースト組成物において、上記分散剤の含有量は0重量%〜10重量%、好ましくは0重量%〜2重量%である。分散剤の含有量が前記範囲内にあると、分散性、保存安定性および流動性に優れた触媒ペースト組成物が得られる。   In the catalyst paste composition, the content of the dispersant is 0 wt% to 10 wt%, preferably 0 wt% to 2 wt%. When the content of the dispersant is within the above range, a catalyst paste composition excellent in dispersibility, storage stability and fluidity can be obtained.

上記触媒ペースト組成物において、触媒が担持されたカーボンの含有量は1重量%〜20重量%、好ましくは3重量%〜15重量%である。触媒が担持されたカーボンの含有量が前記範囲未満であると、電極反応率が低下することがあり、一方、前記範囲を超えると、触媒ペースト組成物の粘度が増加し、塗工時に塗りむらが発生することがある。   In the catalyst paste composition, the content of carbon on which the catalyst is supported is 1% by weight to 20% by weight, preferably 3% by weight to 15% by weight. When the content of the carbon on which the catalyst is supported is less than the above range, the electrode reaction rate may decrease. On the other hand, when the content exceeds the above range, the viscosity of the catalyst paste composition increases, and uneven coating occurs during coating. May occur.

上記触媒ペースト組成物において、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーの含有量は0.5重量%〜30重量%、好ましくは1重量%〜15重量%である。プロトン酸基含有芳香族系ポリマーの含有量が前記範囲未満であると、バインダーとしての役割を果たせなくなり、触媒電極を形成できないことがあり、一方、前記範囲を超えると、触媒電極中の細孔容積が減少する傾向にある。   In the catalyst paste composition, the content of the protonic acid group-containing aromatic polymer is 0.5 wt% to 30 wt%, preferably 1 wt% to 15 wt%. If the content of the protonic acid group-containing aromatic polymer is less than the above range, it may not be able to serve as a binder and a catalyst electrode may not be formed. On the other hand, if the content exceeds the above range, pores in the catalyst electrode may not be formed. The volume tends to decrease.

上記触媒ペースト組成物の調製方法は特に限定はされないが、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。各成分の混合順序は特に限定されないが、たとえば、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、有機溶媒の量を調整して、組成物の粘度を調整してもよい。   Although the preparation method of the said catalyst paste composition is not specifically limited, For example, it can prepare by mixing each said component by a predetermined ratio and knead | mixing by a conventionally well-known method. The order of mixing the components is not particularly limited. For example, all the 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 the 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 as needed, and may adjust the viscosity of a composition.

上記触媒ペースト組成物の高分子電解質膜へ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挙げられる。   Examples of the method for applying the catalyst paste composition to the polymer electrolyte membrane include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.

また、他の基材(転写基材)上に塗布して触媒層をいったん形成した後、該触媒層を高分子電解質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を用いることができる。   Moreover, after apply | coating on another base material (transfer base material) and forming a catalyst layer once, this catalyst layer may be transcribe | transferred to a polymer electrolyte membrane. 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.

塗布された塗膜の厚さ(すなわち触媒層の厚さ)は特に制限されないが、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の範囲で触媒層中に存在することが望ましい。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。
The thickness of the applied coating film (that is, the thickness of the catalyst layer) is not particularly limited, but the metal supported as a catalyst is 0.05 to 4.0 mg / cm 2 per unit surface area of the coating, preferably 0.00. It is desirable to exist in the catalyst layer in the range of 1 to 2.0 mg / cm 2 . Within this range, sufficiently high catalytic activity is exhibited, and protons can be extracted efficiently.

上記触媒ペースト組成物の塗布後の溶媒の除去は、乾燥温度20℃〜180℃、好ましくは50℃〜160℃で、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 removal of the solvent after the application of the catalyst paste composition is performed 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.

上記のようにして形成された導電性シート状の触媒層の細孔容積は、0.1〜3.0ml/g−(電極触媒層)、好ましくは0.2〜2.0ml/g−(電極触媒層)の範囲にあることが望ましい。細孔容積が前記範囲を超えると、機械的特性が低下する傾向にあるだけでなく、電子伝導およびプロトン伝導経路が切断され、発電性能が低下するおそれがある。一方、細孔容積が前記範囲未満であると、ガスの拡散性が悪く、発電性能が低下することがある。   The pore volume of the conductive sheet-like catalyst layer formed as described above is 0.1 to 3.0 ml / g- (electrode catalyst layer), preferably 0.2 to 2.0 ml / g- ( It is desirable to be in the range of the electrode catalyst layer. When the pore volume exceeds the above range, not only the mechanical properties tend to be lowered, but also the electron conduction and proton conduction paths are cut, and the power generation performance may be lowered. On the other hand, if the pore volume is less than the above range, the gas diffusibility is poor and the power generation performance may be reduced.

〔高分子電解質膜〕
膜−電極接合体を構成する高分子電解質膜は、プロトン交換基を有するポリマーからなることが好ましい。プロトン交換基としては、たとえば、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などを挙げることができる。また、このようなプロトン交換基を有するポリマーは特に限定されず、公知のポリマーを用いることができ、たとえば、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基含有ポリマーや、スルホン酸基を有するポリアリーレンなどが好ましく用いられる。中でも、耐熱性が良好な観点から、スルホン酸基を有するポリアリーレン、特に上記式(C)で表されるスルホン化ポリアリーレンが好ましい。
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly is preferably made of a polymer having a proton exchange group. Examples of proton exchange groups include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups. Further, the polymer having such a proton exchange group is not particularly limited, and a known polymer can be used, for example, a proton exchange group-containing polymer composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, A polyarylene having a sulfonic acid group is preferably used. Among these, from the viewpoint of good heat resistance, polyarylene having a sulfonic acid group, particularly sulfonated polyarylene represented by the above formula (C) is preferable.

上記高分子電解質膜は、上記のようなプロトン交換基含有ポリマーを溶剤中で溶解または膨潤させ、それを基体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作製したものを用いることができ、また、市販の高分子電解質膜を用いることもできる。   The polymer electrolyte membrane should be prepared by a casting method or the like in which a proton exchange group-containing polymer as described above is dissolved or swollen in a solvent and cast onto a substrate to form a film. It is also possible to use a commercially available polymer electrolyte membrane.

〔ガス拡散層〕
膜−電極接合体を構成するガス拡散層としては、特に限定されず、燃料電池に一般的に用いられる電極基材、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を用いることができる。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer constituting the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and an electrode substrate generally used in a fuel cell, for example, a porous conductive sheet mainly composed of a conductive substance is used. Can do.

上記導電性物質としては、たとえば、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、黒鉛や膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが挙げられる。導電性物質の形態は、繊維状や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。   Examples of the conductive substance include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, a carbon material such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum, and titanium. The form of the conductive material is not particularly limited, such as fibrous or particulate, but a fibrous conductive inorganic material (inorganic conductive fiber), particularly carbon fiber is preferable.

無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートとしては、織布および不織布の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、綴織などを特に限定されることなく用ることができる。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を特に限定されることなく用いることができる。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よい。   As the porous conductive sheet using inorganic conductive fibers, any structure of woven fabric and non-woven fabric can be used. As the woven fabric, plain weaving, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving and the like can be used without particular limitation. 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, can be used without being specifically limited. The porous conductive sheet using inorganic conductive fibers may be a knitted fabric.

このような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、炭化もしくは黒鉛化した不織布、耐炎化糸、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。たとえば、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 such a fabric, a woven fabric obtained by carbonizing or graphitizing a plain fabric using a flame-resistant spun yarn, and processing the nonwoven fabric by a needle punch method, a water jet punch method, or the like, Carbonized or graphitized nonwoven fabrics, flame-resistant yarns, mat nonwoven fabrics made by paper making using carbonized yarns or graphitized yarns, and the like are 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。
〔接着剤層〕
本発明の膜−電極接合体の製造方法において、少なくとも一方の触媒層とガス拡散層とを接合する際に、該触媒層とガス拡散層との間に介在させる接着剤層は、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーを含有することが好ましく、特に触媒層に含有されているプロトン酸基含有芳香族系ポリマーと同一のものを含有していることが好ましい。このような接着剤層を接合界面に介在させて接合することにより、上記ガス拡散層と触媒層との接合強度を向上させることができる。
It is also preferable to add conductive particles such as carbon black and conductive fibers such as carbon fibers as an auxiliary agent to the porous conductive sheet in order to improve conductivity.
[Adhesive layer]
In the method for producing a membrane-electrode assembly of the present invention, the adhesive layer interposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer when the at least one catalyst layer and the gas diffusion layer are bonded is a protonic acid group. It is preferable to contain a containing aromatic polymer, and in particular, it is preferable to contain the same proton acid group-containing aromatic polymer contained in the catalyst layer. By bonding such an adhesive layer at the bonding interface, the bonding strength between the gas diffusion layer and the catalyst layer can be improved.

また、上記接着剤層は、触媒層とガス拡散層間の導電性を良好に保つために、導電性フィラーを含有していることが好ましい。このような導電性フィラーとしては、たとえば、カーボン粉、カーボン(炭素)繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーおよび表面を炭素膜で被覆した炭化ケイ素ウイスカーなどを用いることができる。これらは、1種単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。   In addition, the adhesive layer preferably contains a conductive filler in order to maintain good conductivity between the catalyst layer and the gas diffusion layer. As such a conductive filler, for example, carbon powder, carbon (carbon) fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, and silicon carbide whisker whose surface is coated with a carbon film can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

本発明で用いられる導電性フィラーの形状は、特に限定されるものではなく、粒状や繊維状などのあらゆる形状のものが使用できるが、細孔容積確保の観点から繊維状のものが好ましい。また、大きさとしては、好ましくは30mm、より好ましくは1mm以下である。大きさが上記範囲を越えると電極触媒層表面に突出し、プロトン伝導膜を破損させるおそれがある。   The shape of the conductive filler used in the present invention is not particularly limited, and any shape such as granular or fibrous can be used, but a fibrous one is preferable from the viewpoint of securing the pore volume. Moreover, as a magnitude | size, Preferably it is 30 mm, More preferably, it is 1 mm or less. If the size exceeds the above range, it may protrude to the surface of the electrode catalyst layer and damage the proton conducting membrane.

上記カーボン粉としては、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いものである。   As the carbon powder, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black is preferable from the viewpoint of electron conductivity and specific surface area.

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。
As the above oil furnace black, “Vulcan XC-72”, “
"Vulcan P", "Black Pearls 880", "Black Pearls 1100", "Black Pearls 1300", "Black Pearls 2000", "Regal 400", Lion Corporation "Ketjen Black EC", Mitsubishi Chemical Corporation "# 3150 And “# 3250”. Examples of the acetylene black include “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo.

炭素繊維としては、たとえば、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、気相成長炭素繊維などが挙げられ、これらの中では気相成長炭素繊維が好ましい。   Examples of the carbon fiber include rayon-based carbon fiber, PAN-based carbon fiber, lignin pover-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, and vapor-grown carbon fiber. Among these, vapor-grown carbon fiber is preferable.

上記接着剤層は、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーと導電性フィラーとを、5/95〜60/40の質量比(ポリマー/フィラー)で含有することが望ましい。プロトン酸基含有芳香族系ポリマーの含有量が前記範囲より少ないと充分な接着強度を得ることが難しく、一方、前記範囲を超えると、接着剤層の抵抗が高くなりすぎたり、また、該ポリマーにより接着剤層の細孔が閉塞されてガス拡散性が著しく低下するおそれがある。   The adhesive layer preferably contains the protonic acid group-containing aromatic polymer and the conductive filler in a mass ratio (polymer / filler) of 5/95 to 60/40. When the content of the protonic acid group-containing aromatic polymer is less than the above range, it is difficult to obtain sufficient adhesive strength. On the other hand, when the content exceeds the above range, the resistance of the adhesive layer becomes too high. As a result, the pores of the adhesive layer are clogged, and the gas diffusibility may be significantly reduced.

〔接着剤層の形成方法〕
本発明における接着剤層を、ガス拡散層と触媒層との接合界面に介在させる方法としては特に限定はされないが、例えば、以下のような方法が挙げられる。
(1)ガス拡散層の触媒層と接する面または触媒層のガス拡散層と接する面に、導電性フィラーとプロトン酸基含有芳香族系ポリマーと有機溶剤とを含む接着剤組成物を塗布または噴霧し、加熱乾燥により有機溶剤を除去して接着剤層を形成する方法。
(2)前記接着剤層組成物を転写基材に塗布し、加熱乾燥により有機溶剤を除去して転写基材上に接着剤層を形成後、ホットプレスなどの熱転写法により転写基材上の接着剤層を、ガス拡散層の触媒層と接する面または触媒層のガス拡散層と接する面に転写する方法。
[Method of forming adhesive layer]
The method for interposing the adhesive layer in the present invention at the bonding interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer is not particularly limited, and examples thereof include the following methods.
(1) An adhesive composition containing a conductive filler, a protonic acid group-containing aromatic polymer, and an organic solvent is applied or sprayed on the surface of the gas diffusion layer that contacts the catalyst layer or the surface of the catalyst layer that contacts the gas diffusion layer. And removing the organic solvent by heat drying to form an adhesive layer.
(2) The adhesive layer composition is applied to a transfer substrate, the organic solvent is removed by heating and drying to form an adhesive layer on the transfer substrate, and then the transfer substrate is heated by a thermal transfer method such as hot pressing. A method of transferring an adhesive layer to a surface of a gas diffusion layer in contact with a catalyst layer or a surface of a catalyst layer in contact with a gas diffusion layer.

上記有機溶媒としては特に限定されないが、沸点(bp)が75〜250℃であることが好ましい。有機溶媒の沸点が前記範囲未満であると、接着剤組成物の乾燥性が速く、ダイのノズルが詰まりやすい等の現象により、塗工時の生産性が低下することがあり、一方、前記範囲を越えると、溶媒の除去が困難となり、触媒層とガス拡散層との間の接触抵抗が増加し、発電性能が低下することがある。   Although it does not specifically limit as said organic solvent, It is preferable that a boiling point (bp) is 75-250 degreeC. If the boiling point of the organic solvent is less than the above range, the drying property of the adhesive composition is fast, and the productivity of the coating may decrease due to the phenomenon that the nozzle of the die is easily clogged. If it exceeds, the removal of the solvent becomes difficult, the contact resistance between the catalyst layer and the gas diffusion layer increases, and the power generation performance may deteriorate.

また、上記有機溶媒は、溶解性パラメータ(δ)の範囲が7.5〜13(cal/mol)1/2であることが好ましい。有機溶媒の溶解性パラメータが前記範囲外であると、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーの溶解性が低下し、導電性フィラーへの該ポリマーの被覆が過剰となり、ガス拡散層と触媒層との間のガス通気性が低下することがある。 The organic solvent preferably has a solubility parameter (δ) in the range of 7.5 to 13 (cal / mol) 1/2 . If the solubility parameter of the organic solvent is outside the above range, the solubility of the protonic acid group-containing aromatic polymer is lowered, the coating of the polymer on the conductive filler becomes excessive, and the gas diffusion layer and the catalyst layer In some cases, the gas permeability may decrease.

また、上記有機溶媒は、−O−、−OH、−CO−、−SO−、−SO2−、−COO
−および−CONR−(Rは水素原子または炭化水素基)からなる群より選ばれる基を少なくとも1種以上有することが好ましい。
Further, the organic solvent is, -O -, - OH, -CO -, - SO -, - SO 2 -, - COO
It is preferable to have at least one group selected from the group consisting of-and -CONR- (R is a hydrogen atom or a hydrocarbon group).

上記有機溶媒の具体例としては、上記触媒ペースト組成物に用いられる有機溶媒として例示したものと同様のものが挙げられ、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   Specific examples of the organic solvent include those exemplified as the organic solvent used in the catalyst paste composition, and may be used singly or in combination of two or more.

上記有機溶媒の使用割合は、接着剤組成物中50重量%〜99重量%、好ましくは70重量%〜95重量%であることが望ましい。有機溶媒を前記範囲内の量で用いることにより、接着剤組成物がペースト状となりハンドリングに好適であるとともに、触媒層とガス拡散層との間のガス通気性が十分確保できる。   The organic solvent is used in an amount of 50% to 99% by weight, preferably 70% to 95% by weight in the adhesive composition. By using the organic solvent in an amount within the above range, the adhesive composition becomes a paste and is suitable for handling, and gas permeability between the catalyst layer and the gas diffusion layer can be sufficiently secured.

上記接着剤組成物には、必要に応じてさらに分散剤を添加してもよい。接着剤組成物に分散剤を添加すると、接着剤組成物の分散性、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。   You may add a dispersing agent to the said adhesive composition further as needed. When a dispersant is added to the adhesive composition, the adhesive composition is excellent in dispersibility, storage stability and fluidity, and productivity during coating is improved.

上記分散剤としては、上記触媒ペースト組成物に用いることができる分散剤として例示したものと同様のものが挙げられ、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、上記分散剤は、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。   As said dispersing agent, the thing similar to what was illustrated as a dispersing agent which can be used for the said catalyst paste composition is mentioned, You may use it individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. The dispersant is preferably a surfactant having a basic group, more preferably an anionic or cationic surfactant, and still more preferably a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000. .

上記接着剤組成物において、上記分散剤の含有量は0重量%〜10重量%、好ましくは0重量%〜2重量%である。分散剤の含有量が前記範囲内にあると、分散性、保存安定性および流動性に優れた接着剤組成物が得られる。   In the adhesive composition, the content of the dispersant is 0 wt% to 10 wt%, preferably 0 wt% to 2 wt%. When the content of the dispersant is within the above range, an adhesive composition excellent in dispersibility, storage stability and fluidity can be obtained.

上記接着剤組成物の調製方法は特に限定はされないが、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。
上記接着剤組成物の塗布方法としては、従来公知の方法を用いることができ、たとえば、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挙げられる。
Although the preparation method of the said adhesive composition is not specifically limited, For example, it can prepare by mixing each said component by a predetermined ratio and knead | mixing by a conventionally well-known method.
As a method for applying the adhesive composition, a conventionally known method can be used, and examples thereof include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating. .

また、転写基材上に塗布して接着剤層をいったん形成する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を用いることができる。   In addition, as a transfer substrate when an adhesive layer is once formed by applying on a transfer substrate, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, or a glass plate or metal plate whose surface is treated with a release agent Can be used.

接着剤層の塗布量(乾燥後の量)は、塗布面の単位面積当たりの重量が0.01〜10mg/cm2、好ましくは0.01〜1mg/cm2である。塗布量が前記範囲未満の場合、接着剤層による結着強度が弱く、ガス拡散層が剥離するおそれがある。一方、塗布量が前記範囲を超える場合、ガス拡散層と触媒層との間の接触抵抗の増加やガス通気性の低下を招くおそれがある。 As for the coating amount of the adhesive layer (the amount after drying), the weight per unit area of the coated surface is 0.01 to 10 mg / cm 2 , preferably 0.01 to 1 mg / cm 2 . When the coating amount is less than the above range, the binding strength by the adhesive layer is weak and the gas diffusion layer may be peeled off. On the other hand, when the coating amount exceeds the above range, there is a risk of increasing the contact resistance between the gas diffusion layer and the catalyst layer and reducing the gas permeability.

上記接着剤組成物の塗布後の溶媒の除去は、乾燥温度20℃〜180℃、好ましくは50℃〜160℃で、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。水浸漬温度は5℃〜120℃、好ましくは15℃〜95℃であり、水浸漬時間は1分〜72時間、好ましくは5分〜48時間である。   Removal of the solvent after the application of the adhesive composition is performed 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.

[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、イオン交換容量および分子量の測定、ならびに、燃料電池の作成および性能の評価は以下のようにして行った。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. The measurement of ion exchange capacity and molecular weight, as well as the production and performance evaluation of fuel cells were performed as follows.

(1)イオン交換容量
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充分に洗浄して、フリーに残存している酸を除去した。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、中和点からイオン交換容量を求めた。
(1) Ion exchange capacity The obtained polymer having a sulfonic acid group was sufficiently washed until the washing water became neutral to remove the remaining acid free. After drying, a predetermined amount was weighed, phenolphthalein dissolved in a THF / water mixed solvent was used as an indicator, and titration was performed using a standard solution of NaOH, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point.

(2)分子量
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、臭化リチウムおよび燐酸を添加した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。
(2) 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 an eluent.

(3)燃料電池の作製および発電評価
下記実施例および比較例で作製した膜−電極接合体を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の燃料電池を組み立てた。
(3) Fabrication of fuel cell and evaluation of power generation Membrane-electrode assemblies fabricated in the following examples and comparative examples are sandwiched between two titanium current collectors, and a heater is further disposed on the outer side to provide an effective area of 25 cm 2. The fuel cell was assembled.

作製した燃料電池の温度を80℃に保ち、湿度100%RHで水素および酸素を背圧0.15MPaで供給し、電極触媒層の面積に対して一定の電流密度1.0A/cm2で負
荷したときのセル電圧の初期値、100時間(100h)後および500時間(500h)後の値を測定した。
The temperature of the produced fuel cell is maintained at 80 ° C., hydrogen and oxygen are supplied at a humidity of 100% RH at a back pressure of 0.15 MPa, and a load is applied at a constant current density of 1.0 A / cm 2 with respect to the area of the electrode catalyst layer. The initial value of the cell voltage was measured after 100 hours (100 h) and after 500 hours (500 h).

また、上記500時間の発電耐久試験後、燃料電池を分解して膜−電極接合体を取り出し、ガス拡散層の剥離の有無を観察した。
<合成例1>
2,5−ジクロロ−4’−(4−フェノキシフェノキシ)ベンゾフェノン131.86g(303mmol)、4,4’−ビス(4−クロロベンゾイル)ジフェニルエーテル84.99g(190mmol)、ヨウ化ナトリウム7.4g(49mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロライド7.4g(11mmol)、トリフェニルホスフィン29.8g(113mmol)、亜鉛49.4g(760mmol)を、冷却管および三方コックを取り付けた三口フラスコに入れ、70℃のオイルバスにつけた。窒素置換後、窒素雰囲気下でN−メチル−2−ピロリドン1,000mLを加え、重合反応を開始した。20時間反応後、反応溶液をN−メチル−2−ピロリドン500mLで希釈し、これを大過剰の塩酸/メタノール溶液(1/10)に注いでポリマーを析出させた。洗浄およびろ過を繰り返して精製し、真空乾燥後、白色の粉末を得た。収量は174.4g、収率は93%であった。また、重量平均分子量は127,000であった。
Further, after the 500 hour power generation durability test, the fuel cell was disassembled, the membrane-electrode assembly was taken out, and the presence or absence of peeling of the gas diffusion layer was observed.
<Synthesis Example 1>
2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxyphenoxy) benzophenone 131.86 g (303 mmol), 4,4′-bis (4-chlorobenzoyl) diphenyl ether 84.99 g (190 mmol), sodium iodide 7.4 g ( 49 mmol), 7.4 g (11 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 29.8 g (113 mmol) of triphenylphosphine, and 49.4 g (760 mmol) of zinc were put into a three-necked flask equipped with a condenser and a three-way cock. It was attached to an oil bath at 70 ° C. After nitrogen substitution, 1,000 mL of N-methyl-2-pyrrolidone was added under a nitrogen atmosphere to initiate the polymerization reaction. After reacting for 20 hours, the reaction solution was diluted with 500 mL of N-methyl-2-pyrrolidone and poured into a large excess of hydrochloric acid / methanol solution (1/10) to precipitate a polymer. The product was purified by repeated washing and filtration, and after drying in vacuo, a white powder was obtained. The yield was 174.4 g, and the yield was 93%. The weight average molecular weight was 127,000.

得られた重合体150gに対し、濃硫酸1,500mLを加えて攪拌し、室温で24時間スルホン化反応を行った。得られた反応液を大量の純水中に注いでスルホン化ポリマーを析出させた。中性近くになるまでポリマーの水洗浄を続け、ろ過後、スルホン化ポリマーを回収し、90℃で真空乾燥した。スルホン化ポリマーの収量は185.0gであった。このポリマーのイオン交換容量は2.1meq/gであり、重量平均分子量は189,000であった。   To 150 g of the obtained polymer, 1,500 mL of concentrated sulfuric acid was added and stirred, and a sulfonation reaction was performed at room temperature for 24 hours. The obtained reaction solution was poured into a large amount of pure water to precipitate a sulfonated polymer. The polymer was continuously washed with water until it became nearly neutral, and after filtration, the sulfonated polymer was recovered and vacuum-dried at 90 ° C. The yield of sulfonated polymer was 185.0 g. The ion exchange capacity of this polymer was 2.1 meq / g, and the weight average molecular weight was 189,000.

<合成例2>
(1)疎水性ユニット(I)の合成
攪拌機、温度計、Dean-stark管、窒素導入管および冷却管を取りつけた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)および炭酸カリウム47.8g(346mmol)をはかりとった。フラスコ内を窒素置換した後、スルホラン346mLおよびトルエン173mLを加えて攪拌し、オイルバスを用いて反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成した水は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。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して乾燥後、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。沈殿物を濾過して乾燥することにより、白色粉末
の目的物109gを得た。得られた化合物は、GPCによる数平均分子量(Mn)が9,500であった。得られた化合物は下記式(I)で表されるオリゴマーであることを確認した。
<Synthesis Example 2>
(1) Synthesis of hydrophobic unit (I) Into a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube, nitrogen introduction tube and condenser tube, 48.8 g (284 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile, Weighed 89.5 g (266 mmol) of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane and 47.8 g (346 mmol) of potassium carbonate. After replacing the atmosphere in the flask with nitrogen, 346 mL of sulfolane and 173 mL of toluene were added and stirred, and the reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. using 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. 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, dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran, and poured into 2 L of methanol for reprecipitation. The precipitate was filtered and dried to obtain 109 g of the desired product as a white powder. The obtained compound had a number average molecular weight (Mn) by GPC of 9,500. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the following formula (I).

Figure 0004871537
Figure 0004871537

(2)スルホン化ポリアリーレン(II)の合成
攪拌機、温度計および窒素導入管を取りつけた1Lの三口フラスコに、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135.2g(337mmol)、(1)で得られたMn9,500の疎水性ユニット48.7g(5.1mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3mmol)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3mmol)、トリフェニルホスフィン35.9g(137mmol)および亜鉛53.7g(821mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)430mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc730mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
(2) Synthesis of sulfonated polyarylene (II) In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer and a nitrogen introduction tube, 135.2 g (337 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate, 48.7 g (5.1 mmol) of the hydrophobic unit of Mn 9,500 obtained in (1), 6.71 g (10.3 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 1.54 g (10.3 mmol) of sodium iodide ), 35.9 g (137 mmol) of triphenylphosphine and 53.7 g (821 mmol) of zinc were weighed and substituted with dry nitrogen. 430 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 730 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matters were filtered off.

得られた溶液を、攪拌機、温度計および窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れ、115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム44g(506mmol)を加えた。7時間攪拌後、反応液をアセトン5Lに注いで生成物を沈殿させた。次いで、沈殿物を1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体122gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は135,000であった。得られた重合体は下記式(II)で表されるスルホン化ポリアリーレンと推定される。このスルホン化ポリアリーレン(II)のイオン交換容量は2.3meq/gであった。   The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, heated and stirred at 115 ° C., and 44 g (506 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the reaction solution was poured into 5 L of acetone to precipitate the product. Next, the precipitate was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order and then dried to obtain 122 g of the target polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 135,000. The obtained polymer is presumed to be a sulfonated polyarylene represented by the following formula (II). The ion exchange capacity of the sulfonated polyarylene (II) was 2.3 meq / g.

Figure 0004871537
Figure 0004871537

<合成例3>
(1)疎水性ユニット(III)の合成
撹拌羽根、温度計および窒素導入管を取り付けた500mLの3口フラスコに、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼン17.8g(50.0mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン15.1g(45.0mmol)、炭酸カリウム8.1g(58.5mol)、スルホラン117gおよびトルエン40gを入れ、窒素雰囲気下、130℃で撹拌した。トルエンとの共沸により水分を取り除いた後、トルエンを系外に取り除き、195℃で7時間撹拌した。反応溶液を100℃まで冷やしてから、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼン5.34g(15.0mmol)を加え、再度195℃で3時間撹拌した。トルエンにより希釈し、セライト濾過に
より固形分を取り除いた。濾液をメタノール/濃塩酸溶液(メタノール2.0L/濃塩酸0.2L)に注いで反応物を凝固させた。吸引濾過により固体を濾過し、得られた固体をメタノールで洗浄した後、風乾した。これをテトラハイドロフランに再溶解し、メタノール3.0Lに注いで反応物を凝固させた。吸引濾過により固体を濾過し、得られた固体を風乾して、さらに真空乾燥することにより目的の疎水性ユニット22.1gを得た(収率75%)。GPC(ポリスチレン換算)で求めた生成物の数平均分子量は8,000、重量平均分子量は14,000であった。得られた化合物は下記式(III)で表わされるオ
リゴマーであることを確認した。
<Synthesis Example 3>
(1) Synthesis of hydrophobic unit (III) 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) benzene 17.8 g (50.0 mmol) was added to a 500 mL three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer and a nitrogen introduction tube. , 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (15.1 g, 45.0 mmol), potassium carbonate (8.1 g, 58.5 mol), sulfolane (117 g), and toluene (40 g) were added at 130 ° C. under a nitrogen atmosphere. Stir. After removing water by azeotropy with toluene, toluene was removed from the system and stirred at 195 ° C. for 7 hours. The reaction solution was cooled to 100 ° C., 5.33 g (15.0 mmol) of 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) benzene was added, and the mixture was again stirred at 195 ° C. for 3 hours. Diluted with toluene, and solid content was removed by Celite filtration. The filtrate was poured into a methanol / concentrated hydrochloric acid solution (methanol 2.0 L / concentrated hydrochloric acid 0.2 L) to coagulate the reaction product. The solid was filtered by suction filtration, and the obtained solid was washed with methanol and then air-dried. This was redissolved in tetrahydrofuran and poured into 3.0 L of methanol to solidify the reaction product. The solid was filtered by suction filtration, and the obtained solid was air-dried and further vacuum-dried to obtain 22.1 g of the desired hydrophobic unit (yield 75%). The product obtained by GPC (polystyrene conversion) had a number average molecular weight of 8,000 and a weight average molecular weight of 14,000. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the following formula (III).

Figure 0004871537
Figure 0004871537

(2)スルホン化ポリアリーレン(IV)の合成
撹拌羽根、温度計および窒素導入管を取り付けた500mLの3口フラスコに、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31.6g(78.7mmol)、(1)で得られた疎水性ユニット14.1g(1.76mmol)、トリフェニルホスフィン8.39g(32.0mmol)、亜鉛12.6g(192mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.09g(3.2mmol)およびよう化ナトリウム0.36g(2.4mmol)をはかりとった。40℃に加熱したオイルバスにフラスコをつけ、2時間真空乾燥した。内部を数回乾燥窒素置換した後、脱水したジメチルアセトアミド100mLを加え、重合を開始した。反応温度が90℃を超えないように制御しながら、3時間重合を続けた。反応終了後、ジメチルアセトアミドを360g加え希釈し、セライト濾過により不溶分を取り除き、固形分含量が12%となるように濃縮した。
(2) Synthesis of sulfonated polyarylene (IV) In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer and a nitrogen inlet tube, 31.6 g (78 of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was added. 0.7 mmol), 14.1 g (1.76 mmol) of the hydrophobic unit obtained in (1), 8.39 g (32.0 mmol) of triphenylphosphine, 12.6 g (192 mmol) of zinc, bis (triphenylphosphine) nickel Weighed 2.09 g (3.2 mmol) of dichloride and 0.36 g (2.4 mmol) of sodium iodide. The flask was placed in an oil bath heated to 40 ° C. and dried in vacuum for 2 hours. After the inside was purged with dry nitrogen several times, 100 mL of dehydrated dimethylacetamide was added to initiate polymerization. The polymerization was continued for 3 hours while controlling the reaction temperature not to exceed 90 ° C. After completion of the reaction, 360 g of dimethylacetamide was added for dilution, the insoluble matter was removed by celite filtration, and the solid content was concentrated to 12%.

得られた濃縮液を、撹拌羽根、温度計および窒素導入管を取り付けた1Lの3口フラスコに入れ、臭化リチウム15.1g(173mmol)を加え、120℃で7時間撹拌した。反応終了後、反応液をアセトン4Lに注ぎ、反応物を凝固させた。吸引濾過により固体を濾過し、得られた固体をメタノールで洗浄した後、風乾し、さらに真空乾燥をすることにより目的の重合体30.0gを得た(収率87%)。GPC(ポリスチレン換算)で求めた生成物の数平均分子量は102,000、重量平均分子量は320,000であった。得られたポリマーは、下記式(IV)で表わされるスルホン化ポリアリーレンと推定される。このスルホン化ポリアリーレン(IV)のイオン交換容量は2.1meq/gであった。   The obtained concentrated liquid was put into a 1 L three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 15.1 g (173 mmol) of lithium bromide was added, and the mixture was stirred at 120 ° C. for 7 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was poured into 4 L of acetone to coagulate the reaction product. The solid was filtered by suction filtration, and the obtained solid was washed with methanol, then air-dried and further vacuum-dried to obtain 30.0 g of the desired polymer (yield 87%). The number average molecular weight of the product determined by GPC (polystyrene conversion) was 102,000, and the weight average molecular weight was 320,000. The obtained polymer is presumed to be a sulfonated polyarylene represented by the following formula (IV). The ion exchange capacity of the sulfonated polyarylene (IV) was 2.1 meq / g.

Figure 0004871537
Figure 0004871537

〔実施例1〕
膜−電極接合体を作製するにあたり、まずは、以下の方法で触媒層を両面に備えた高分子電解質膜を作製した。
[Example 1]
In producing the membrane-electrode assembly, first, a polymer electrolyte membrane having catalyst layers on both sides was produced by the following method.

50mlのガラス瓶に直径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: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2で得られたス
ルホン化ポリアリーレン(II)の15%N−メチル−2−ピロリドン溶液3.23gおよびN−メチル−2−ピロリドン12.47gの混合物をウエーブローターで10分間攪
拌した後、分散剤(楠本化成株式会社製「DA234」)0.028gを加え、さらにウエーブローターで30分間攪拌し、スルホン化ポリアリーレン(II)を含有した触媒ペースト組成物を得た。
Place 50 g of zirconia balls ("YTZ balls" manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25 g in a 50 ml glass bottle, 1.51 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported, "TEC10E50E" manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), distilled A mixture of 0.88 g of water, 3.23 g of a 15% N-methyl-2-pyrrolidone solution of the sulfonated polyarylene (II) obtained in Synthesis Example 2 and 12.47 g of N-methyl-2-pyrrolidone was obtained using a wave blower. After stirring for 10 minutes, 0.028 g of a dispersant (“DA234” manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) was added, and the mixture was further stirred for 30 minutes with a wafer blower to obtain a catalyst paste composition containing sulfonated polyarylene (II). .

上記の方法で得られた触媒ペースト組成物を、合成例1で得られたスルホン化ポリマーからなる膜厚50μmの高分子電解質膜の両面に、ドクターブレードを用いて塗布し、120℃で1時間加熱乾燥することにより、白金量が1.0mg/cm2になる触媒層を両
面に備えた高分子電解質膜を1枚得た。
The catalyst paste composition obtained by the above method was applied to both surfaces of a 50 μm-thick polymer electrolyte membrane made of the sulfonated polymer obtained in Synthesis Example 1 using a doctor blade, and at 120 ° C. for 1 hour. By heating and drying, one polymer electrolyte membrane having a catalyst layer with a platinum amount of 1.0 mg / cm 2 on both sides was obtained.

続いて、以下の方法により、撥水化処理されたカーボンペーパー(東レ製)の片面に接着剤層を形成した。
50mlのガラス瓶に直径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、ライオン社製「ケッチェンブラックEC」1.51g、蒸留水0.88g、合成例3で得られたスルホン化ポリアリーレン(IV)の15%N−メチル−2−ピロリドン溶液3.23gおよびN−メチル−2−ピロリドン12.47gの混合物をウエーブローターで10分間攪拌した後、分散剤(楠本化成株式会社製「DA234
」)0.028gを加え、さらにウエーブローターで30分間攪拌し、スルホン化ポリアリーレン(IV)を含有した接着剤組成物を得た。
Then, the adhesive layer was formed in the single side | surface of the carbon paper (product made from Toray) by which the water repellent process was carried out with the following method.
In a 50 ml glass bottle, 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.), 1.51 g of “Ketjen Black EC” manufactured by Lion, 0.88 g of distilled water, and the sulfone obtained in Synthesis Example 3 A mixture of 3.23 g of a 15% N-methyl-2-pyrrolidone solution of modified polyarylene (IV) and 12.47 g of N-methyl-2-pyrrolidone was stirred for 10 minutes with a wave blower, and then a dispersant (Enomoto Kasei Co., Ltd.). "DA234 made by
”) 0.028 g was added, and the mixture was further stirred for 30 minutes with a wafer blower to obtain an adhesive composition containing sulfonated polyarylene (IV).

上記の方法で得られた接着剤組成物を、撥水化処理されたカーボンペーパー(東レ製)の片面にドクターブレードを用いて塗布し、120℃で1時間加熱乾燥することにより、塗布量が0.2mg/cm2になる接着剤層を片面に有するガス拡散層を2枚得た。 The adhesive composition obtained by the above method is applied to one side of a water-repellent treated carbon paper (manufactured by Toray) using a doctor blade, and heated and dried at 120 ° C. for 1 hour to obtain a coating amount. Two gas diffusion layers having an adhesive layer on one side of 0.2 mg / cm 2 were obtained.

次に、高分子電解質膜の両面に形成された触媒層に、接着剤層面が接するようにガス拡散層を配置して挟み、圧力100kg/cm2下、160℃で15分間ホットプレス成形
して、膜−電極接合体を作製した。発電評価の結果を表1に示す。
Next, a gas diffusion layer is disposed between the catalyst layers formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane so that the adhesive layer surface is in contact, and hot press molding is performed at 160 ° C. for 15 minutes under a pressure of 100 kg / cm 2. A membrane-electrode assembly was prepared. Table 1 shows the results of power generation evaluation.

〔実施例2〕
接着剤組成物中のスルホン化ポリアリーレンとして、合成例3で得られたスルホン化ポリアリーレン(IV)の代わりに、触媒層中のスルホン化ポリアリーレンと同じ合成例2で得られたスルホン化ポリアリーレン(II)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を作製した。発電評価の結果を表1に示す。
[Example 2]
Instead of the sulfonated polyarylene (IV) obtained in Synthesis Example 3 as the sulfonated polyarylene in the adhesive composition, the sulfonated polyarylene obtained in Synthesis Example 2 same as the sulfonated polyarylene in the catalyst layer was used. A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that arylene (II) was used. Table 1 shows the results of power generation evaluation.

[比較例1]
ガス拡散層に接着剤層を形成しないものを用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を作製した。ガス拡散層の剥離が観察された。発電評価の結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that a gas diffusion layer that did not form an adhesive layer was used. Delamination of the gas diffusion layer was observed. Table 1 shows the results of power generation evaluation.

Figure 0004871537
Figure 0004871537

Claims (3)

固体高分子電解質膜の両面に、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーと、金属触媒が担持されたカーボン粒子とを含有する触媒層を有し、該触媒層上にガス拡散層を有する膜−電極接合体の製造方法であって、
少なくとも一方の触媒層とガス拡散層とを、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーおよび導電性フィラーを含有する接着剤層を介在させて接合する工程を含み、
前記接着剤層に含まれるプロトン酸基含有芳香族系ポリマーが、前記触媒層に含まれるプロトン酸基含有芳香族系ポリマーと同一であり、
前記触媒層および接着剤層に含まれるプロトン酸基含有芳香族系ポリマーが、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)とが共有結合しているブロック共重合体である
ことを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
A membrane-electrode having a catalyst layer containing a protonic acid group-containing aromatic polymer and carbon particles carrying a metal catalyst on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and having a gas diffusion layer on the catalyst layer A method for manufacturing a joined body, comprising:
Joining at least one catalyst layer and the gas diffusion layer with an adhesive layer containing a protonic acid group-containing aromatic polymer and a conductive filler interposed therebetween,
The protonic acid group-containing aromatic polymer contained in the adhesive layer is the same as the protonic acid group-containing aromatic polymer contained in the catalyst layer,
In the protonic acid group-containing aromatic polymer contained in the catalyst layer and the adhesive layer, the polymer segment (A) having an ion conductive component and the polymer segment (B) having no ion conductive component are covalently bonded. A method for producing a membrane-electrode assembly, which is a block copolymer.
前記触媒層に含まれるプロトン酸基含有芳香族系ポリマーが、下記一般式(A)で表される構成単位と、下記一般式(B)で表される構成単位とを有するスルホン化ポリアリーレンであることを特徴とする請求項1に記載の膜−電極接合体の製造方法。
Figure 0004871537
[式(A)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−を示し、
Zは、独立に直接結合、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH32−、−O−または−S−を示し、
Arは、−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(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。]
Figure 0004871537
[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−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(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を示し、
1〜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。]
The protonic acid group-containing aromatic polymer contained in the catalyst layer is a sulfonated polyarylene having a structural unit represented by the following general formula (A) and a structural unit represented by the following general formula (B). The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein:
Figure 0004871537
[In Formula (A), 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 independently represents a direct bond, — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O— or —S—;
Ar is a fragrance having a substituent represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). Indicates a group,
m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. ]
Figure 0004871537
[In Formula (B), A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i is 1 an integer of ~10), -. (CH 2 ) j - (j is an integer of 1~10), -. CR '2 - (R' is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic hydrocarbon group or A halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O- or -S-
B independently represents an oxygen atom or a sulfur atom;
R 1 to R 16 each independently represent 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;
s and t each represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more. ]
前記接着剤層が、前記プロトン酸基含有芳香族系ポリマーと導電性フィラーとを、5/95〜60/40の質量比(ポリマー/フィラー)で含有することを特徴とする請求項1または2に記載の膜−電極接合体の製造方法。 Said adhesive layer, and the protonic acid group-containing aromatic polymer and a conductive filler, 5/95 to 60/40 weight ratio or claim 1, characterized in that it contains at (polymer / filler) 2 The manufacturing method of the membrane-electrode assembly as described in 1 above.
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