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JP2009158372A - Binder composition for fuel cell, membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

Binder composition for fuel cell, membrane electrode assembly, and fuel cell Download PDF

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JP2009158372A
JP2009158372A JP2007337255A JP2007337255A JP2009158372A JP 2009158372 A JP2009158372 A JP 2009158372A JP 2007337255 A JP2007337255 A JP 2007337255A JP 2007337255 A JP2007337255 A JP 2007337255A JP 2009158372 A JP2009158372 A JP 2009158372A
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JP
Japan
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fuel cell
binder composition
catalyst
binder
basic compound
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JP2007337255A
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Japanese (ja)
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Manabu Takesawa
学 武沢
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Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a binder composition for a fuel cell which retains superior proton conductivity and binding property even under a non-humidified or low-humidified high-temperature operational condition, a manufacturing method for the binder composition, and a membrane electrode assembly and a fuel cell using the binder composition. <P>SOLUTION: The binder composition for the fuel cell at least has a structure: (-CF<SB>2</SB>-CF(M)CH<SB>2</SB>-CF<SB>2</SB>-), where M denotes any one of CF<SB>3</SB>, CF<SB>2</SB>H, and CFH<SB>2</SB>. The binder composition contains a fluorinated polymer to which a basic compound is added, and a hydrogen ion conductor. The basic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound in which at least two hydrogen atoms are replaced, and the fluorinated polymer is bridged by the basic compound. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用バインダー組成物、膜電極接合体、及び燃料電池に関し、特に、優れたプロトン伝導性及び結着性を有する燃料電池用バインダー組成物、膜電極接合体、及び燃料電池に関する。   The present invention relates to a binder composition for a fuel cell, a membrane electrode assembly, and a fuel cell, and more particularly to a binder composition for a fuel cell, a membrane electrode assembly, and a fuel cell having excellent proton conductivity and binding properties. .

ナフィオン(デュポン社製、登録商標)等のパーフルオロスルホン酸膜に代表されるフッ素系電解質膜は、化学的安定性が高いにもかかわらず、製造工程が複雑で非常に高価であるという欠点がある。また、パープルオロスルホン酸膜の場合、疎水性の主鎖と親水性の側鎖が相分離し、いわゆるイオンクラスター構造を形成する。プロトン輸送形態としては、このクラスター構造中に多くの水分子が取り込まれ、スルホン酸基の解離を促進すると同時に水分子の高い運動性を利用することにより、高いプロトン伝導性を発現させることがわかっている。しかし、100℃以上の高温条件下(水の沸点以上の温度環境)においては、水分子の減少によりプロトン伝導性が低下したり、機械的強度という観点からも膜自体が形状を保てないため、運転作動温度が70℃〜80℃に制限され、水分管理が複雑になってしまうという問題があった。   Fluorine electrolyte membranes represented by perfluorosulfonic acid membranes such as Nafion (manufactured by DuPont) are disadvantageous in that the manufacturing process is complicated and very expensive, despite high chemical stability. is there. In the case of a purple sulfonic acid membrane, a hydrophobic main chain and a hydrophilic side chain are phase-separated to form a so-called ion cluster structure. As a proton transport form, it is understood that many water molecules are taken into this cluster structure, and the dissociation of the sulfonic acid group is promoted, and at the same time, the high mobility of the water molecules is utilized to express high proton conductivity. ing. However, under high-temperature conditions of 100 ° C. or higher (temperature environment higher than the boiling point of water), proton conductivity is reduced due to a decrease in water molecules, and the membrane itself cannot maintain its shape from the viewpoint of mechanical strength. The operation operating temperature is limited to 70 ° C. to 80 ° C., and there is a problem that moisture management becomes complicated.

また、高分子型燃料電池は、電解質膜を中心にその両側面に燃料極および空気極の電極触媒層を付着させた単位セルで構成されており、この単位セルを複数積層することにより、数kWの電力を発電させる燃料電池システムを構成する。この単位セル、すなわち、膜電極接合体(MEA:Membran Electrode Assembly)の性能が、燃料電池の発電特性に大きな影響を与える。   In addition, the polymer fuel cell is composed of unit cells in which the electrode catalyst layers of the fuel electrode and the air electrode are attached to both sides of the electrolyte membrane as a center. A fuel cell system for generating kW of electric power is configured. The performance of the unit cell, that is, the membrane electrode assembly (MEA) greatly affects the power generation characteristics of the fuel cell.

そこで、高いプロトン伝導性を発現させるために、従来は、上述したナフィオンに代表されるパーフルオロスルホン酸電解質を電極触媒層のバインダーとして用いている例もある。   Therefore, in order to develop high proton conductivity, there is conventionally an example in which the perfluorosulfonic acid electrolyte typified by Nafion is used as a binder for the electrode catalyst layer.

しかしながら、ナフィオン等のパーフルオロスルホン酸電解質の場合は、100℃以上の高温下や相対湿度50%以下の低い湿度範囲ではプロトン伝導性が低く、また、クリープを起こしやすいため機械的強度の面で欠点があり、燃料電池の作動温度が100℃以上である場合には適用できない、という問題があった。   However, in the case of a perfluorosulfonic acid electrolyte such as Nafion, proton conductivity is low at a high temperature of 100 ° C. or higher and a low humidity range of 50% or less, and it is easy to cause creep. There is a drawback that it cannot be applied when the operating temperature of the fuel cell is 100 ° C. or higher.

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、高温の作動条件下において、無加湿または低加湿であっても、優れたプロトン伝導性及び結着性を有する燃料電池用バインダー組成物、膜電極接合体、及び燃料電池を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of such problems, and is a fuel cell binder having excellent proton conductivity and binding properties even under non-humidification or low humidification under high temperature operating conditions. An object is to provide a composition, a membrane electrode assembly, and a fuel cell.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、有機溶媒に可溶な少なくとも(−CF−CF(M)CH−CF−)構造(ただし、Mは、CF、CFH、CFHのいずれかである)を有するフッ素系ポリマーに、有機溶媒中で所定の塩基性化合物を混合すると、フッ素系ポリマーに塩基性化合物を反応させることができ、かつ、この反応物を熱処理することにより、フッ素系ポリマーが塩基性化合物により架橋されたポリマーを合成することができることを見出した。このような架橋構造を有するポリマーは、高温かつ無加湿(あるいは低加湿)の条件であっても、優れた耐熱性及び耐酸性を有し、このようなポリマーに酸等の水素伝導体を含浸させることにより、高いプロトン伝導性を有する燃料電池用電解質材料を得ることができる。そして、本発明者らは、この電解質材料を燃料電池の電極触媒層におけるバインダーとして用いることにより、優れたプロトン伝導性及び撥水性や結着性を併せ持ったバインダー組成物とすることができることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that at least a (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) structure soluble in an organic solvent (where M is CF 3 When a predetermined basic compound is mixed in an organic solvent with a fluorine-based polymer having any of CF 2 H and CFH 2 ), the fluorine-based polymer can be reacted with the basic compound, and this It has been found that a polymer in which a fluorine-based polymer is crosslinked with a basic compound can be synthesized by heat-treating the reaction product. A polymer having such a crosslinked structure has excellent heat resistance and acid resistance even under conditions of high temperature and no humidification (or low humidification), and such a polymer is impregnated with a hydrogen conductor such as an acid. By doing so, an electrolyte material for fuel cells having high proton conductivity can be obtained. The inventors have found that by using this electrolyte material as a binder in an electrode catalyst layer of a fuel cell, a binder composition having excellent proton conductivity, water repellency and binding properties can be obtained. It was.

本発明者らは、以上のような知見に基づいて本発明を完成するに至った。   The present inventors have completed the present invention based on the above findings.

すなわち、本発明のある観点によれば、少なくとも(−CF−CF(M)CH−CF−)構造(ただし、Mは、CF、CFH、CFHのいずれかである)を有し、塩基性化合物が付加されているフッ素系ポリマーと、水素イオン伝導体と、を含み、前記塩基性化合物は、少なくとも2以上の水素が置換された含窒素複素環化合物であり、前記フッ素系ポリマーは、前記塩基性化合物により架橋されている燃料電池用バインダー組成物が提供される。 That is, according to an aspect of the present invention, at least a (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) structure (where M is any of CF 3 , CF 2 H, and CFH 2 ). And a fluorine-based polymer to which a basic compound is added, and a hydrogen ion conductor, and the basic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound substituted with at least two hydrogen atoms, The binder composition for fuel cells in which the fluorine-based polymer is crosslinked with the basic compound is provided.

ここで、前記塩基性化合物は、少なくとも2以上のアミノ基を有する含窒素複素環化合物であることが好ましく、ジアミノイミダゾールとその誘導体、ジアミノトリアジンとその誘導体、ジアミノトリアゾールとその誘導体、ジアミノピリジンとその誘導体、及びジアミノベンズイミダゾールとその誘導体からなる群より選択される少なくとも1種であることがさらに好ましい。   Here, the basic compound is preferably a nitrogen-containing heterocyclic compound having at least two or more amino groups, and diaminoimidazole and a derivative thereof, diaminotriazine and a derivative thereof, diaminotriazole and a derivative thereof, diaminopyridine and a derivative thereof. More preferably, it is at least one selected from the group consisting of a derivative and diaminobenzimidazole and its derivatives.

このような塩基性化合物としては、例えば、下記構造式(1)〜(3)のいずれかで示される化合物が挙げられる。   Examples of such basic compounds include compounds represented by any one of the following structural formulas (1) to (3).

Figure 2009158372
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Figure 2009158372
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Figure 2009158372
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また、前記フッ素系ポリマーとしては、例えば、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体と、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン3元共重合体のうちの少なくともいずれか1種が挙げられる。   In addition, examples of the fluorine-based polymer include at least one of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer. .

また、前記水素イオン伝導体としては、例えば、オルトリン酸、縮合リン酸、アルキルリン酸、及びホスホン酸からなる群より選択される少なくとも1種の酸が挙げられる。   Examples of the hydrogen ion conductor include at least one acid selected from the group consisting of orthophosphoric acid, condensed phosphoric acid, alkyl phosphoric acid, and phosphonic acid.

また、本発明の他の観点によれば、燃料電池用電解質と、前記燃料電池用電解質の厚み方向両側に配置された電極触媒層と、を備え、前記電極触媒層は、触媒担体上に触媒物質が担持された触媒材料と、前記触媒材料を結着するバインダーと、を有し、前記バインダーは、上述したような燃料電池用バインダー組成物を含む膜電極接合体が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell electrolyte, and electrode catalyst layers disposed on both sides in the thickness direction of the fuel cell electrolyte, wherein the electrode catalyst layer is a catalyst on a catalyst carrier. There is provided a membrane electrode assembly comprising a catalyst material on which a substance is supported and a binder for binding the catalyst material, wherein the binder includes the binder composition for a fuel cell as described above.

また、本発明のさらに他の観点によれば、燃料電池用電解質と、前記燃料電池用電解質の厚み方向両側に配置された電極触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に接合したセパレータと、を備え、前記電極触媒層は、触媒担体上に触媒物質が担持された触媒材料と、前記触媒材料を結着するバインダーと、を有し、前記バインダーは、上述したような燃料電池用バインダー組成物を含む燃料電池が提供される。   According to still another aspect of the present invention, a membrane electrode assembly comprising a fuel cell electrolyte and electrode catalyst layers disposed on both sides in the thickness direction of the fuel cell electrolyte, and the membrane electrode assembly The electrode catalyst layer has a catalyst material having a catalyst material supported on a catalyst carrier and a binder for binding the catalyst material, and the binder is the above-mentioned A fuel cell comprising such a fuel cell binder composition is provided.

本発明によれば、フッ素系ポリマーが塩基性化合物により架橋された構造を有するポリマーに水素イオン伝導体を含浸させることにより、高温の作動条件下において、無加湿または低加湿であっても、優れた耐熱性、耐酸性及びプロトン伝導性を有するとともに、優れた撥水性及び結着性を有する燃料電池用バインダー組成物、膜電極接合体、及び燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a polymer having a structure in which a fluorine-based polymer is crosslinked with a basic compound is impregnated with a hydrogen ion conductor, so that it is excellent even under non-humidified or low-humidified conditions at high temperature. It is possible to provide a fuel cell binder composition, a membrane electrode assembly, and a fuel cell that have excellent heat resistance, acid resistance, and proton conductivity, as well as excellent water repellency and binding properties.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

[燃料電池用バインダー組成物の構造]
まず、本発明に係る燃料電池用バインダー組成物の構造について説明する。本発明に係る燃料電池用バインダー組成物は、塩基性化合物が付加されたフッ素系ポリマーと、水素イオン伝導体とを含む。このフッ素系ポリマーは、少なくとも(−CF−CF(M)CH−CF−)構造を有し、かつ、複数の(−CF−CF(M)CH−CF−)構造同士が塩基性化合物により架橋された構造を有している。ただし、Mは、CF、CFH、CFHのいずれかである。
[Structure of binder composition for fuel cell]
First, the structure of the binder composition for fuel cells according to the present invention will be described. The binder composition for fuel cells according to the present invention includes a fluorine-based polymer to which a basic compound is added and a hydrogen ion conductor. This fluoropolymer has at least a (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) structure and a plurality of (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) structures. Has a structure crosslinked with a basic compound. However, M is any of CF 3 , CF 2 H, and CFH 2 .

ここで、(−CF−CF(M)CH−CF−)構造を有するフッ素系ポリマーは、耐熱性、耐酸性等の化学的安定性に優れ、かつ、長期安定性、結着性及び撥水性にも優れるという特徴がある。また、塩基性化合物は、リン酸等の酸との親和性を有する、すなわち、リン酸と複合させることにより高温下においてプロトン伝導性を発現するという特徴がある。本発明においては、このような特徴を有する(−CF−CF(M)CH−CF−)構造を有するフッ素系ポリマーに塩基性化合物を付加し、さらに、複数の(−CF−CF(M)CH−CF−)構造同士を架橋させることにより、フッ素ポリマーの有する特徴(化学的安定性や長期安定性や結着性や撥水性など)は維持したまま、リン酸等の酸との親和性の高い塩基性化合物を導入(さらに、塩基性化合物の一部が架橋鎖として導入)することができる。 Here, the fluorine-based polymer having a (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) structure is excellent in chemical stability such as heat resistance and acid resistance, and has long-term stability and binding properties. And water repellency. In addition, the basic compound has an affinity with an acid such as phosphoric acid, that is, it exhibits a proton conductivity at a high temperature by being combined with phosphoric acid. In the present invention, a basic compound is added to a fluorine-based polymer having such a characteristic (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) structure, and a plurality of (—CF 2 — By cross-linking the CF (M) CH 2 —CF 2 — structures, phosphoric acid, etc., while maintaining the characteristics of the fluoropolymer (chemical stability, long-term stability, binding properties, water repellency, etc.) It is possible to introduce a basic compound having a high affinity with the acid (a part of the basic compound is introduced as a cross-linked chain).

また、このようなポリマーを電極触媒層のバインダーとして用いた場合、従来のフッ素系樹脂を使用したバインダーよりも触媒近傍へのプロトン伝導性が良好である。加えて、従来の炭化水素系樹脂(例えば、ポリベンズイミダゾール(PBI)等)を使用したバインダーよりもリン酸のドープ率が低いため、リン酸による体積膨潤性が低く、バインダーとしての寸法変化が小さいため、燃料ガスや酸化剤ガスの触媒への拡散性も良好である。すなわち、本発明に係る燃料電池用バインダー組成物は、フッ素系の骨格にリン酸との親和性を有する塩基性炭化水素が結合しているため、優れた撥水性とプロトン伝導性の両特性を併せ持ち、電極触媒層のより効果的な三相界面を構築することができる。   Further, when such a polymer is used as a binder for the electrode catalyst layer, proton conductivity in the vicinity of the catalyst is better than a binder using a conventional fluororesin. In addition, since the doping rate of phosphoric acid is lower than that of binders using conventional hydrocarbon resins (for example, polybenzimidazole (PBI), etc.), volume swellability due to phosphoric acid is low, and dimensional changes as binders Since it is small, the diffusibility of the fuel gas or oxidant gas to the catalyst is also good. That is, the binder composition for a fuel cell according to the present invention has both excellent water repellency and proton conductivity since a basic hydrocarbon having affinity for phosphoric acid is bonded to a fluorine-based skeleton. In addition, a more effective three-phase interface of the electrode catalyst layer can be constructed.

そして、このようなポリマーを用いた燃料電池用バインダー組成物を電極触媒層のバインダーとして用いた燃料電池は、高温かつ無加湿(または低加湿)下においても、優れた耐久性と燃料電池特性を示す。   The fuel cell using the fuel cell binder composition using such a polymer as a binder for the electrode catalyst layer exhibits excellent durability and fuel cell characteristics even under high temperature and no humidification (or low humidification). Show.

以上のように、本発明に係る燃料電池用バインダー組成物は、100℃以上の高温の作動温度条件下において、無加湿あるいは相対湿度50%以下であっても、優れた耐熱、耐酸性、及びプロトン伝導性を示すとともに、優れた撥水性及び結着性を示す。また、このバインダー組成物を膜電極接合体に用いた本発明に係る燃料電池は、100℃以上の高温の作動温度条件下において、無加湿あるいは相対湿度50%以下であっても、極めて良好な発電性能を示す。   As described above, the fuel cell binder composition according to the present invention has excellent heat resistance, acid resistance, and high humidity even under non-humidified conditions or a relative humidity of 50% or less under a high operating temperature condition of 100 ° C. or higher. Exhibits proton conductivity and excellent water repellency and binding properties. In addition, the fuel cell according to the present invention using this binder composition for a membrane electrode assembly is extremely good even when it is not humidified or has a relative humidity of 50% or less under a high operating temperature condition of 100 ° C. or higher. Indicates power generation performance.

(フッ素系ポリマー)
本発明に係る燃料電池用バインダー組成物に含まれるフッ素系ポリマーは、上述したように、少なくとも(−CF−CF(M)CH−CF−)という構造(ただし、Mは、CF、CFH、CFHのいずれかである。)を有するポリマーである。このようなフッ素系ポリマーとしては、例えば、下記構造式(4)で示されるようなフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体構造(M=CFの場合であり、x及びyは重合度を示す。)を有するものが挙げられる。なお、本発明で使用するフッ素系ポリマーの分子量としては、数十万程度の平均分子量のものを使用することができる。
(Fluoropolymer)
As described above, the fluoropolymer contained in the fuel cell binder composition according to the present invention has at least a structure of (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) (where M is CF 3 , CF 2 H, or CFH 2 ). Examples of such a fluorine-based polymer include a copolymer structure of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene represented by the following structural formula (4) (M = CF 3 , where x and y are polymerized) A degree). In addition, as a molecular weight of the fluorine-type polymer used by this invention, the thing of an average molecular weight of about several hundred thousand can be used.

Figure 2009158372
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また、バインダー組成物を製造するという観点からは、フッ素系ポリマーとして、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、酢酸エチル等の有機溶媒に溶解するものが好ましい。このような有機溶媒に溶解するフッ素系ポリマーとしては、例えば、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(以下、「VdF−HFP」という場合がある。)と、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン3元共重合体(以下、「VdF−HFP−TFE」という場合がある。)等が挙げられる。これらの共重合体は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。これらの共重合体は、いずれも、(−CF−CF(M)CH−CF−)中のMが、強い電子吸引性を有するCF基となっている。このCF基の存在によって、CF基が結合する炭素原子と、この炭素原子に隣接するとともに2つの水素原子が結合する炭素原子との間で電子雲の偏りが生じ、CF基が結合する炭素原子がδ−となり、水素原子が結合する炭素原子がδ+となる。 From the viewpoint of producing a binder composition, it can be dissolved in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF), or ethyl acetate as a fluoropolymer. Those that do are preferred. Examples of the fluorine-based polymer dissolved in such an organic solvent include vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (hereinafter sometimes referred to as “VdF-HFP”) and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene— And tetrafluoroethylene terpolymer (hereinafter sometimes referred to as “VdF-HFP-TFE”). These copolymers may be used alone or in combination of two or more. In any of these copolymers, M in (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) is a CF 3 group having strong electron withdrawing properties. The presence of this CF 3 group, the carbon atom to which a CF 3 group is attached, occurs deviation in the electron cloud between the carbon atom bonded two hydrogen atoms as well as adjacent to the carbon atom, a CF 3 group is bonded The carbon atom to be bonded is δ−, and the carbon atom to which the hydrogen atom is bonded is δ +.

(塩基性化合物)
本発明に係る燃料電池用バインダー組成物に含まれる塩基性化合物は、少なくとも2以上の水素が所定の置換基Xに置換された含窒素複素環化合物である。特に、この所定の置換基Xは、アミノ基であることが好ましい。本発明において、塩基性化合物はこのような含窒素複素環化合物であり、所定の置換基X(Xがアミノ基の場合は、(−NH−)基の窒素)が、フッ素系ポリマーにおける炭素原子に結合する。このとき、本発明に係る塩基性化合物は、このような置換基Xを少なくとも2つ以上有しているので、2つの置換基Xがフッ素系ポリマーにおける炭素原子にそれぞれ結合することにより、塩基性化合物が複数のフッ素系ポリマーを架橋した構造を有するポリマーを合成することができる。また、この場合、含窒素複素環化合物中の環内窒素原子の部位に、水素イオン伝導体(例えば、リン酸等の酸)がドープされる。
(Basic compound)
The basic compound contained in the binder composition for a fuel cell according to the present invention is a nitrogen-containing heterocyclic compound in which at least two hydrogen atoms are substituted with a predetermined substituent X. In particular, the predetermined substituent X is preferably an amino group. In the present invention, the basic compound is such a nitrogen-containing heterocyclic compound, and the predetermined substituent X (when X is an amino group, the nitrogen of the (—NH—) group) is a carbon atom in the fluoropolymer. To join. At this time, since the basic compound according to the present invention has at least two or more such substituents X, the two substituents X are each bonded to the carbon atom in the fluoropolymer, so that the basic compound is basic. A polymer having a structure in which a compound is obtained by crosslinking a plurality of fluoropolymers can be synthesized. Further, in this case, a hydrogen ion conductor (for example, an acid such as phosphoric acid) is doped in the site of the nitrogen atom in the ring in the nitrogen-containing heterocyclic compound.

以上のような塩基性化合物としては、ジアミノイミダゾールとその誘導体、ジアミノトリアジンとその誘導体、ジアミノトリアゾールとその誘導体、ジアミノピリジンとその誘導体、及びジアミノベンズイミダゾールとその誘導体のうちの少なくとも1種以上が挙げられ、より具体的には、例えば、下記構造式(1)〜(3)のいずれかで示される化合物が挙げられる。   Examples of the basic compound include at least one of diaminoimidazole and derivatives thereof, diaminotriazine and derivatives thereof, diaminotriazole and derivatives thereof, diaminopyridine and derivatives thereof, and diaminobenzimidazole and derivatives thereof. More specifically, for example, a compound represented by any one of the following structural formulas (1) to (3) can be given.

Figure 2009158372
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Figure 2009158372
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Figure 2009158372
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(水素イオン伝導体)
本発明に係る燃料電池用バインダー組成物に含まれる水素イオン伝導体としては、例えば、オルトリン酸、縮合リン酸、アルキルリン酸、及びホスホン酸からなる群より選択される少なくとも1種以上の酸が挙げられる。バインダー組成物中の酸等の水素イオン伝導体の含有量(ドープ量)は、10質量%以上300質量%以下であることが好ましく、50質量%以上200質量%以下であることがより好ましい。水素イオン伝導体の含有率がこの範囲よりも少ないと、プロトン伝導度が低下するため好ましくない。一方、水素イオン伝導体の含有率がこの範囲を超えると、バインダーとしての寸法変化が大きくなり触媒層内での燃料ガスや酸化剤ガスの拡散性を阻害してしまうため好ましくない。
(Hydrogen ion conductor)
Examples of the hydrogen ion conductor contained in the fuel cell binder composition according to the present invention include at least one acid selected from the group consisting of orthophosphoric acid, condensed phosphoric acid, alkyl phosphoric acid, and phosphonic acid. Can be mentioned. The content (doping amount) of the hydrogen ion conductor such as an acid in the binder composition is preferably 10% by mass or more and 300% by mass or less, and more preferably 50% by mass or more and 200% by mass or less. When the content of the hydrogen ion conductor is less than this range, the proton conductivity is lowered, which is not preferable. On the other hand, when the content of the hydrogen ion conductor exceeds this range, the dimensional change as a binder is increased, and the diffusibility of the fuel gas and the oxidant gas in the catalyst layer is hindered.

(燃料電池用バインダー組成物の構造)
本発明に係る燃料電池用バインダー組成物は、上述したように、フッ素系ポリマーに塩基性化合物が付加され、かつ、塩基性化合物が複数のフッ素系ポリマーを架橋している構造を有するポリマーを含み、さらに、このポリマーに酸等の水素イオン伝導体がドープされている。このような本発明に係るバインダー組成物の具体例としては、下記構造式(5)〜(7)で示される架橋型ポリマーバインダーが挙げられる。
(Structure of binder composition for fuel cell)
As described above, the binder composition for a fuel cell according to the present invention includes a polymer having a structure in which a basic compound is added to a fluorine-based polymer and the basic compound crosslinks a plurality of fluorine-based polymers. Furthermore, the polymer is doped with a hydrogen ion conductor such as an acid. Specific examples of the binder composition according to the present invention include cross-linked polymer binders represented by the following structural formulas (5) to (7).

Figure 2009158372
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上記構造式(5)で示されるポリマーバインダーは、フッ素系ポリマーとして、構造式(4)で示されるVdF−HFP構造を有するものを使用し、塩基性物質として、構造式(1)で示される6,4’−ジアミノ−2−フェニルベンズイミダゾール(以下、「DAPBz」という。)を使用した例である。また、上記構造式(6)で示されるポリマーバインダーは、フッ素系ポリマーとして、構造式(4)で示されるVdF−HFP構造を有するものを使用し、塩基性物質として、構造式(2)で示される2,4−ジアミノ−6−フェニル−1,3,5−トリアジン(ベンゾグアナミン)(以下、「DAPTZI」という。)を使用した例である。また、上記構造式(7)で示されるポリマーバインダーは、フッ素系ポリマーとして、構造式(4)で示されるVdF−HFP構造を有するものを使用し、塩基性物質として、構造式(3)で示される3,5−ジアミノ−1,2,4−トリアゾール(グアナゾール)(以下、「DATz」という。)を使用した例である。   The polymer binder represented by the structural formula (5) is a fluorine-based polymer having a VdF-HFP structure represented by the structural formula (4), and is represented by the structural formula (1) as a basic substance. In this example, 6,4′-diamino-2-phenylbenzimidazole (hereinafter referred to as “DAPBz”) is used. The polymer binder represented by the structural formula (6) is a fluoropolymer having a VdF-HFP structure represented by the structural formula (4), and the basic substance is represented by the structural formula (2). This is an example using 2,4-diamino-6-phenyl-1,3,5-triazine (benzoguanamine) (hereinafter referred to as “DAPTZI”). The polymer binder represented by the structural formula (7) uses a fluorine-based polymer having a VdF-HFP structure represented by the structural formula (4), and a basic substance represented by the structural formula (3). This is an example using 3,5-diamino-1,2,4-triazole (guanazole) (hereinafter referred to as “DATz”) shown.

いずれの場合も、VdF−HFP結合を有するフッ素系ポリマーが塩基性化合物(アミン等)の存在下において脱フッ化水素化が起こり、その際にC=C結合が形成され、この不飽和部分と含窒素複素環化合物(イミダゾール系、トリアジン系、トリアゾール系、ピリジン系、ベンズイミダゾール系)のアミノ基の窒素原子が、何らかの結合をすることにより、含窒素複素環化合物がフッ素系ポリマーを架橋していると考えられる。これにより、含窒素複素環化合物に含まれる環内窒素原子がそのままの状態で残され、この環内窒素原子の位置に酸等の水素イオン伝導体がドープされるものと考えられる。   In any case, the fluoropolymer having a VdF-HFP bond undergoes dehydrofluorination in the presence of a basic compound (such as an amine), and at that time, a C═C bond is formed. Nitrogen-containing heterocyclic compounds (imidazole-based, triazine-based, triazole-based, pyridine-based, and benzimidazole-based) nitrogen atoms are bonded to form a bond, so that the nitrogen-containing heterocyclic compound crosslinks the fluoropolymer. It is thought that there is. Thereby, it is considered that the nitrogen atom in the ring contained in the nitrogen-containing heterocyclic compound is left as it is, and a hydrogen ion conductor such as an acid is doped at the position of the nitrogen atom in the ring.

また、フッ素系ポリマーの水素原子が結合する炭素原子との架橋結合の形成は、同一の塩基性化合物分子内に含まれる2つの置換基(例えば、アミノ基)により行われるものと考えられる。すなわち、フッ素系ポリマーを架橋する塩基性化合物は、含窒素複素環化合物等の塩基性化合物の単量体であり、これらの重合体が架橋結合を形成するのではないものと考えられる。このため、本発明に係るバインダー組成物は、フッ素系ポリマーからなる主鎖ポリマーが、塩基性化合物からなる単量体により架橋された構造を有するものとなるので、フッ素系ポリマーの結晶性が大幅に低下することなく、熱的安定性に優れているものと考えられる。   In addition, it is considered that the formation of a cross-linked bond with a carbon atom to which a hydrogen atom of a fluorine-based polymer is bonded is performed by two substituents (for example, an amino group) included in the same basic compound molecule. That is, the basic compound that crosslinks the fluoropolymer is a monomer of a basic compound such as a nitrogen-containing heterocyclic compound, and it is considered that these polymers do not form a crosslink. For this reason, the binder composition according to the present invention has a structure in which a main chain polymer composed of a fluorine-based polymer is cross-linked with a monomer composed of a basic compound. It is considered that the thermal stability is excellent without decreasing.

また、本発明のバインダー組成物は、塩基性化合物が、フッ素系ポリマーの主鎖同士を架橋していることから、当該電解質の化学的安定性が向上するため、酸等の水素イオン伝導体が含浸された状態で、燃料電池の作動温度である100℃〜200℃の環境下に置かれた場合でも、バインダー組成物が溶解することがなく、耐酸性に優れるものとなる。なお、本発明の高分子電解質中の架橋度は、塩基性化合物の添加量を調整することにより制御することができる。   In the binder composition of the present invention, since the basic compound crosslinks the main chains of the fluorine-based polymer, the chemical stability of the electrolyte is improved. Even in the impregnated state, the binder composition does not dissolve and is excellent in acid resistance even when placed in an environment of 100 ° C. to 200 ° C. which is the operating temperature of the fuel cell. The degree of crosslinking in the polymer electrolyte of the present invention can be controlled by adjusting the amount of basic compound added.

[燃料電池用バインダー組成物の製造方法]
次に、以上説明したような構造を有する本発明に係る燃料電池用バインダー組成物の製造方法について説明する。
[Method for producing binder composition for fuel cell]
Next, a method for producing a fuel cell binder composition according to the present invention having the structure as described above will be described.

本発明においては、燃料電池用バインダー組成物の製造と、電極触媒層の製造を同時に行っており、その製造方法は、主に、触媒材料をペースト化する工程(第1工程)と、得られたペーストを電極基材(拡散層)へ塗布して触媒層を形成する工程(第2工程)と、触媒層を乾燥及び熱処理する工程(第3工程)と、を含む。   In the present invention, the production of the binder composition for a fuel cell and the production of the electrode catalyst layer are carried out at the same time, and the production method mainly comprises a step of pasting the catalyst material (first step) and A step of applying the paste to the electrode substrate (diffusion layer) to form a catalyst layer (second step), and a step of drying and heat-treating the catalyst layer (third step).

第1工程では、まず、少なくとも(−CF−CF(M)CH−CF−)構造(ただし、Mは、CF、CFH、CFHのいずれかである。)を有するフッ素系ポリマーと塩基性化合物とを有機溶媒に溶解させた混合溶液を調製する。 In the first step, first, fluorine having at least a (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) structure (where M is any of CF 3 , CF 2 H, and CFH 2 ). A mixed solution in which a base polymer and a basic compound are dissolved in an organic solvent is prepared.

フッ素系ポリマーと塩基性化合物とは、それぞれ、同一種類の有機溶媒に溶解させてもよく、異なる種類の有機溶媒にそれぞれを溶解させた後に、溶解後の有機溶媒同士を混合してもよい。異なる種類の有機溶媒を用いる場合には、相溶性のある溶媒同士が好ましい。フッ素系ポリマー用の有機溶媒としては、例えば、N−メチルピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、酢酸エチル等のエステル系溶剤や、アセトン、エチルメチルケトン等のケトン系溶剤などが好ましい。特に、フッ素系ポリマーがVdF−HFPの場合には、NMPやDMF等が好ましく、フッ素系ポリマーがVdF−HFP−TFEの場合には、酢酸エチル、アセトン、エチルメチルケトン等が好ましい。また、塩基性化合物用の有機溶媒としては、NMP、ジメチルアセトアミド(DMAc)、DMFなどが好ましく、水を用いてもよい。上記有機溶媒のうち、NMP、DMF、DMAc及び酢酸エチルは、相溶性を有しているので、塩基性化合物としては、これらに可溶な化合物を選択すればよい。また、酢酸エチルは水との相溶性を有しているので、水を塩基性化合物の溶剤として用いてもよい。   The fluorine-based polymer and the basic compound may be dissolved in the same type of organic solvent, or may be mixed in different types of organic solvents after being dissolved in different types of organic solvents. When different types of organic solvents are used, compatible solvents are preferable. Examples of the organic solvent for the fluorine-based polymer include ester solvents such as N-methylpyrrolidone (NMP), N, N-dimethylformamide (DMF), and ethyl acetate, and ketone solvents such as acetone and ethyl methyl ketone. Is preferred. In particular, when the fluorine-based polymer is VdF-HFP, NMP, DMF or the like is preferable, and when the fluorine-based polymer is VdF-HFP-TFE, ethyl acetate, acetone, ethyl methyl ketone, or the like is preferable. Moreover, as an organic solvent for a basic compound, NMP, dimethylacetamide (DMAc), DMF, etc. are preferable, and water may be used. Among the organic solvents, NMP, DMF, DMAc, and ethyl acetate have compatibility, and therefore, a basic compound may be selected from compounds that are soluble in these. Further, since ethyl acetate is compatible with water, water may be used as a solvent for the basic compound.

また、フッ素系ポリマーと塩基性化合物との混合比は、質量比で、(フッ素系ポリマー/塩基性化合物)が9/1から1/1までの範囲であることが好ましく、8/1から2/1までの範囲であることがより好ましい。塩基性化合物の量が上記範囲よりも少ないと、水素イオン伝導体(例えば、リン酸等の酸)の含浸率(ドープ量)が低下するため好ましくない。一方、塩基性化合物の量が上記範囲よりも過剰となると、得られる高分子電解質の化学的安定性が低下するため好ましくない。   The mixing ratio of the fluorine-based polymer and the basic compound is preferably in the range of (fluorine polymer / basic compound) from 9/1 to 1/1 by mass ratio, and from 8/1 to 2 More preferably, the range is up to / 1. When the amount of the basic compound is less than the above range, the impregnation rate (doping amount) of the hydrogen ion conductor (for example, acid such as phosphoric acid) is not preferable. On the other hand, if the amount of the basic compound is more than the above range, the chemical stability of the resulting polymer electrolyte is lowered, which is not preferable.

ここで、電極触媒層の形成時に触媒材料をバインダーを利用して結着させるには、バインダーポリマーが溶媒に可溶なことが必要となる。これは、例えば、バインダーポリマーが架橋構造を有するようになると、溶媒に不溶になるためバインダーとして適さないためである。また、後述する熱処理(180℃)前の溶液状態のバインダーポリマー(例えば、VdF−HFP/DAPBz)については、本発明者らは以下のように推測している。すなわち、本発明者らは、溶液状態のバインダーポリマーは、所定温度で熱処理することにより架橋反応が進むが、この熱処理の前は、溶媒に溶解した状態で安定に存在している(例えば、塩基性化合物がフッ素系ポリマーにグラフト化した状態となっている)と考えている)。   Here, in order to bind the catalyst material using a binder when forming the electrode catalyst layer, the binder polymer needs to be soluble in the solvent. This is because, for example, when the binder polymer has a cross-linked structure, it becomes insoluble in a solvent and is not suitable as a binder. Moreover, the present inventors presume as follows about the binder polymer (for example, VdF-HFP / DAPBz) of the solution state before the heat processing (180 degreeC) mentioned later. That is, the present inventors have found that the binder polymer in a solution state undergoes a cross-linking reaction by heat treatment at a predetermined temperature, but before this heat treatment, it exists stably in a state dissolved in a solvent (for example, a base). The functional compound is grafted to the fluoropolymer).

次に、上述したようにして調製した混合溶液を用いて、触媒材料と水素イオン伝導体(リン酸等)とを混合攪拌することにより、触媒材料をペースト化する。   Next, the catalyst material is made into a paste by mixing and stirring the catalyst material and the hydrogen ion conductor (phosphoric acid or the like) using the mixed solution prepared as described above.

第2工程では、得られたペーストを電極基材(拡散層)の一面に塗布し、電極触媒層を形成する。   In the second step, the obtained paste is applied to one surface of the electrode substrate (diffusion layer) to form an electrode catalyst layer.

第3工程では、得られた電極触媒層を150℃以上200℃以下の温度で熱処理をすることにより、塩基性化合物でフッ素系ポリマーを架橋させると同時に、水素イオン伝導体をポリマー中に含浸させる。また、このとき、電極触媒層中の溶媒の除去も行われる。   In the third step, the obtained electrode catalyst layer is heat-treated at a temperature of 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower to crosslink the fluoropolymer with a basic compound and simultaneously impregnate the polymer with a hydrogen ion conductor. . At this time, the solvent in the electrode catalyst layer is also removed.

このように、上述した製造方法においては、水素イオン伝導体を予め触媒材料と一緒に混合攪拌して電極触媒層を形成した後に、塩基性化合物でフッ素系ポリマーを架橋させると同時に水素イオン伝導体を含浸させているが、本発明のバインダー組成物の製造方法(電極触媒層の形成方法)は、上述した方法には限られない。すなわち、触媒材料を溶液状態のバインダー組成物(混合溶液)で被覆処理をした後に熱処理を施して被覆したバインダー組成物を架橋させておいてから、得られたバインダー被覆触媒材料を、他のバインダー(例えば、PVdF等)を用いて水素イオン伝導体をともに混合攪拌し、ペースト化して電極触媒層を形成してもよい。この場合は、電極触媒層を形成した後に、電極触媒層中の溶媒を除去するための乾燥が行われる。   Thus, in the manufacturing method described above, the hydrogen ion conductor is mixed and stirred together with the catalyst material in advance to form the electrode catalyst layer, and then the fluorine ion polymer is crosslinked with the basic compound and at the same time the hydrogen ion conductor. However, the method for producing the binder composition of the present invention (the method for forming the electrode catalyst layer) is not limited to the method described above. That is, after the catalyst material is coated with a binder composition (mixed solution) in a solution state, the coated binder composition is cross-linked by heat treatment and then the obtained binder-coated catalyst material is mixed with another binder. The electrode catalyst layer may be formed by mixing and stirring the hydrogen ion conductor together (for example, PVdF or the like) and forming a paste. In this case, after the electrode catalyst layer is formed, drying for removing the solvent in the electrode catalyst layer is performed.

[膜電極接合体及び燃料電池]
本発明の一実施形態に係る燃料電池は、複数の単セルが一対のホルダに狭持されている。単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体の厚み方向両側に配置されたバイポーラプレート(セパレータ)とからなり、作動温度100℃〜200℃、湿度が無加湿または相対湿度50%以下の条件で作動するものである。バイポーラプレートは、導電性を有する金属またはカーボン等で形成されており、膜電極接合体にそれぞれ接合することで、集電体として機能するとともに、膜電極接合体の電極触媒層に対して、酸素及び燃料を供給する。
[Membrane electrode assembly and fuel cell]
In a fuel cell according to an embodiment of the present invention, a plurality of single cells are held between a pair of holders. A single cell consists of a membrane electrode assembly and bipolar plates (separators) arranged on both sides in the thickness direction of the membrane electrode assembly. It operates under conditions. The bipolar plate is made of conductive metal, carbon, or the like, and functions as a current collector by being joined to the membrane electrode assembly, and is oxygenated against the electrode catalyst layer of the membrane electrode assembly. And fuel.

ここで、図1を参照しながら、本実施形態に係る膜電極接合体100について説明する。なお、図1は、本実施形態に係る膜電極接合体100の構成を示す説明図である。   Here, the membrane electrode assembly 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In addition, FIG. 1 is explanatory drawing which shows the structure of the membrane electrode assembly 100 which concerns on this embodiment.

図1に示すように、膜電極接合体100は、例えば、電解質膜130と、電解質膜130の厚み方向両側に配置された電極触媒層140、150と、電極触媒層140、150にそれぞれ積層された気体拡散層110、120と、からなる。電極触媒層140、150と、気体拡散層110、120とによって一対の電極が構成される。   As shown in FIG. 1, the membrane electrode assembly 100 is laminated on, for example, an electrolyte membrane 130, electrode catalyst layers 140 and 150 disposed on both sides in the thickness direction of the electrolyte membrane 130, and electrode catalyst layers 140 and 150, respectively. Gas diffusion layers 110 and 120. The electrode catalyst layers 140 and 150 and the gas diffusion layers 110 and 120 constitute a pair of electrodes.

電極触媒層140、150は、上述したような燃料電池用バインダー組成物を固形化して触媒材料のバインダー170として使用したものであり、フッ素系ポリマーが塩基性化合物により架橋され、かつ、リン酸等の水素イオン伝導体がドープされている。   The electrode catalyst layers 140 and 150 are obtained by solidifying the binder composition for a fuel cell as described above and used as the binder 170 of the catalyst material. The fluorine-based polymer is crosslinked with a basic compound and phosphoric acid or the like is used. The hydrogen ion conductor is doped.

電極触媒層140、150は、燃料極及び酸素極として機能するものであって、カーボンブラック等を主体とする触媒材料と、この触媒材料を固形成型するバインダー170とを含んだ多孔質体である。触媒材料は、触媒物質161がカーボンブラック等の触媒担体163に担持された状態となっている。触媒物質161は、水素の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であれば、特に限定されないが、例えば、鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウム又はそれらの合金などを挙げることができる。このような金属又は合金をカーボンブラック等の触媒担体163に担持させることにより、触媒材料を作製することができる。バインダー170としては、上述したような燃料電池用バインダー組成物に加えて、例えば、耐熱性に優れたフッ素樹脂を用いることができる。バインダとしてフッ素樹脂を用いる場合は、融点が400℃以下のフッ素樹脂が好ましく、そのようなフッ素樹脂として、ポリ四フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン等の疎水性及び耐熱性に優れた樹脂を用いることができる。疎水性バインダーを添加することにより、発電反応に伴って生成した水によって電極触媒層140、150が過剰に濡れるのを防止することができ、燃料極及び酸素極内部における燃料ガス及び酸素の拡散阻害を防止することができる。   The electrode catalyst layers 140 and 150 function as a fuel electrode and an oxygen electrode, and are porous bodies including a catalyst material mainly composed of carbon black and the like, and a binder 170 for solid-molding the catalyst material. . The catalyst material is in a state in which the catalyst substance 161 is supported on a catalyst carrier 163 such as carbon black. The catalyst substance 161 is not particularly limited as long as it is a metal that promotes a hydrogen oxidation reaction and an oxygen reduction reaction. For example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium , Platinum, rhodium or an alloy thereof. A catalyst material can be produced by supporting such a metal or alloy on a catalyst carrier 163 such as carbon black. As the binder 170, for example, a fluororesin excellent in heat resistance can be used in addition to the fuel cell binder composition described above. When a fluororesin is used as the binder, a fluororesin having a melting point of 400 ° C. or lower is preferable. As such a fluororesin, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinylether copolymer, polyvinylidene fluoride, tetra Resins excellent in hydrophobicity and heat resistance such as fluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer and perfluoroethylene can be used. By adding the hydrophobic binder, it is possible to prevent the electrode catalyst layers 140 and 150 from being excessively wetted by the water generated during the power generation reaction, and to inhibit the diffusion of the fuel gas and oxygen inside the fuel electrode and the oxygen electrode. Can be prevented.

さらに、触媒層140、150には、導電剤を添加してもよい。導電剤としては、電気伝導性物質であればどのようなものでもよく、各種金属や炭素材料などが挙げられる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭及び黒鉛等が挙げられ、これらを単独又は混合して使用することができる。   Further, a conductive agent may be added to the catalyst layers 140 and 150. As the conductive agent, any conductive material may be used, and various metals and carbon materials may be used. Examples thereof include carbon black such as acetylene black, activated carbon and graphite, and these can be used alone or in combination.

気体拡散層110、120は、例えば、カーボンシート等から形成されており、バイポーラプレートを介して供給された酸素及び燃料を電極触媒層140、150の全面に拡散させる。   The gas diffusion layers 110 and 120 are made of, for example, a carbon sheet or the like, and diffuse oxygen and fuel supplied via the bipolar plate over the entire surface of the electrode catalyst layers 140 and 150.

この膜電極接合体100を含む燃料電池は、100℃〜200℃の温度で作動し、一方の電極触媒層140側にバイポーラプレートを介して、燃料として例えば水素が供給され、他方の電極触媒層150側にはバイポーラプレートを介して、酸化剤として例えば酸素が供給される。そして、電極触媒層140において水素が酸化されてプロトンが生じ、このプロトンが電解質膜130を伝導して電極触媒層150に到達し、電極触媒層150においてプロトンと酸素とが電気化学的に反応して水を生成するとともに、電気エネルギーを発生させる。なお、燃料として供給される水素は、炭化水素もしくはアルコールの改質により発生された水素でもよく、また、酸化剤として供給される酸素は、空気に含まれる状態で供給されてもよい。   The fuel cell including the membrane electrode assembly 100 operates at a temperature of 100 ° C. to 200 ° C., for example, hydrogen is supplied to the one electrode catalyst layer 140 side as a fuel via a bipolar plate, and the other electrode catalyst layer. For example, oxygen is supplied to the 150 side as an oxidant via a bipolar plate. Then, hydrogen is oxidized in the electrode catalyst layer 140 to generate protons, and the protons are conducted through the electrolyte membrane 130 to reach the electrode catalyst layer 150. In the electrode catalyst layer 150, protons and oxygen react electrochemically. It generates water and generates electrical energy. The hydrogen supplied as fuel may be hydrogen generated by reforming hydrocarbons or alcohols, and oxygen supplied as an oxidant may be supplied in a state of being contained in air.

以上説明したような、本発明に係る燃料電池用バインダー組成物によれば、塩基性化合物の一部がフッ素系ポリマーを強固に架橋しているので、バインダー組成物自体の安定性が向上し、これにより、リン酸等の水素イオン伝導体を含浸させた状態で、100℃〜200℃程度の高温雰囲気下に置かれた場合でもバインダーが化学的に安定である。また、本発明に係る燃料電池用バインダー組成物が、このような架橋構造を有することにより、従来のフッ素系ポリマーの持つ化学的耐久性は維持したまま、塩基性化合物と酸との複合化(親和)により、高温無加湿下(100℃以上の高い作動温度、無加湿あるいは相対湿度50%以下)であっても、優れた耐熱性、耐酸性、及びプロトン伝導性を発現することができる。   As described above, according to the binder composition for a fuel cell according to the present invention, a part of the basic compound strongly crosslinks the fluoropolymer, so that the stability of the binder composition itself is improved. Thus, the binder is chemically stable even when it is placed in a high temperature atmosphere of about 100 ° C. to 200 ° C. in a state impregnated with a hydrogen ion conductor such as phosphoric acid. In addition, the fuel cell binder composition according to the present invention has such a crosslinked structure, so that the chemical durability of the conventional fluorine-based polymer is maintained and the basic compound and acid are combined ( Affinity) can exhibit excellent heat resistance, acid resistance, and proton conductivity even under high temperature and no humidification (high operating temperature of 100 ° C. or higher, no humidification, or relative humidity of 50% or less).

また、このようなポリマーを電極触媒層のバインダーとして用いた場合、従来のフッ素系樹脂を使用したバインダーよりも触媒近傍へのプロトン伝導性が良好である。加えて、従来の炭化水素系樹脂(例えば、ポリベンズイミダゾール(PBI)等)を使用したバインダーよりもリン酸のドープ率が低いため、リン酸による体積膨潤性が低く、バインダーとしての寸法変化が小さいため、燃料ガスや酸化剤ガスの触媒への拡散性も良好である。すなわち、本発明に係る燃料電池用バインダー組成物は、フッ素系の骨格にリン酸との親和性を有する塩基性炭化水素が結合しているため、優れた撥水性とプロトン伝導性の両特性を併せ持ち、電極触媒層のより効果的な三相界面を構築することができる。   Further, when such a polymer is used as a binder for the electrode catalyst layer, proton conductivity in the vicinity of the catalyst is better than a binder using a conventional fluororesin. In addition, since the doping rate of phosphoric acid is lower than that of binders using conventional hydrocarbon resins (for example, polybenzimidazole (PBI), etc.), volume swellability due to phosphoric acid is low, and dimensional changes as binders Since it is small, the diffusibility of the fuel gas or oxidant gas to the catalyst is also good. That is, the binder composition for a fuel cell according to the present invention has both excellent water repellency and proton conductivity since a basic hydrocarbon having affinity for phosphoric acid is bonded to a fluorine-based skeleton. In addition, a more effective three-phase interface of the electrode catalyst layer can be constructed.

また、このような本発明に係る燃料電池用バインダー組成物を膜電極接合体に用いた燃料電池は、高温無加湿下であっても、優れた燃料電池特性を発現させることができる。また、本発明に係る燃料電池用バインダー組成物の製造方法によれば、化学的安定性に優れたバインダー組成物を安価に製造することができる。   In addition, a fuel cell using such a fuel cell binder composition according to the present invention for a membrane electrode assembly can exhibit excellent fuel cell characteristics even under high temperature and no humidification. Moreover, according to the manufacturing method of the binder composition for fuel cells which concerns on this invention, the binder composition excellent in chemical stability can be manufactured cheaply.

次に、実施例及び比較例を用いて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により限定されるものではない。   Next, the present invention will be described more specifically using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

本実施例においては、本発明を適用した燃料電池用バインダー組成物を用いて電極を製造し、さらに、この電極を用いて燃料電池を製造し、この燃料電池の発電特性を評価した。以下、各実施例におけるバインダー組成物、電極及び燃料電池の製造方法や、燃料電池の特性の評価結果について詳細に説明する。   In this example, an electrode was manufactured using the fuel cell binder composition to which the present invention was applied, a fuel cell was manufactured using the electrode, and the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated. Hereinafter, the binder composition, the electrode, the method for producing the fuel cell, and the evaluation results of the characteristics of the fuel cell in each example will be described in detail.

[燃料電池用バインダー組成物の製造例]
初めに、本実施例では、塩基性化合物として、6,4’−ジアミノ−2−フェニルベンズイミダゾール(DAPBz)を使用するために、DAPBzを以下のようにして合成した。まず、4−ニトロ−1,2−フェニレンジアミンと4−ニトロベンゾイルクロライドを、トリエチルアミンを添加し、ジメチルアセトアミド(以下、DMAcと表記)及びトルエン溶媒中で反応させ、2−アミノ−4,5−ジニトロベンズアニリド(A)を生成した。次に、得られた化合物(A)をポリリン酸(polyphosphoric acid)中にて190℃で攪拌混合し、その溶液を蒸留水中で24時間攪拌後、沈殿物をろ過及び水洗した。次いで、ろ過後の回収物をDMAcにより再結晶し、6,4−ジニトロ−2−フェニルベンズイミダゾール(B)を得た。さらに、化合物(B)及びSnClをエタノールでスラリーとし、これにHClを加え、還流を行いながらゆっくり混合攪拌した。この溶液を蒸留水中に注ぎ、10%NaOHで塩基性化し、上記と同様に、ろ過及び水洗した回収物をDMF/HO(v/v=1:3)溶液により再結晶化し、6,4−ジアミノ−2−フェニルベンズイミダゾール(DAPBz)を得た。
[Production Example of Binder Composition for Fuel Cell]
First, in this example, in order to use 6,4′-diamino-2-phenylbenzimidazole (DAPBz) as a basic compound, DAPBz was synthesized as follows. First, 4-nitro-1,2-phenylenediamine and 4-nitrobenzoyl chloride are added with triethylamine, reacted in dimethylacetamide (hereinafter referred to as DMAc) and a toluene solvent, and 2-amino-4,5- Dinitrobenzanilide (A) was produced. Next, the obtained compound (A) was stirred and mixed in polyphosphoric acid at 190 ° C., and the solution was stirred in distilled water for 24 hours, and then the precipitate was filtered and washed with water. Subsequently, the recovered material after filtration was recrystallized with DMAc to obtain 6,4-dinitro-2-phenylbenzimidazole (B). Further, Compound (B) and SnCl 2 were slurried with ethanol, HCl was added thereto, and the mixture was slowly mixed and stirred while refluxing. The solution is poured into distilled water, basified with 10% NaOH, and the filtrate filtered and washed with water is recrystallized with a DMF / H 2 O (v / v = 1: 3) solution as described above. 4-Diamino-2-phenylbenzimidazole (DAPBz) was obtained.

このようにして得られたアミノ基を2つ有する塩基性化合物であるDAPBzを、N,N−ジメチルホルムアミド(以下、「DMF」と表記する。)に60℃で溶解させ、20質量%溶液とした。一方、フッ素系ポリマーとして、ビニリデンフロライド及びヘキサフルオロプロピレン共重合体(以下、「VdF−HFP」と表記する。)をDMFに溶解させ、20質量%溶液とした。なお、本実施例では、VdF−HFPとして、ARKEMA社製の「KYNAR2821(重量平均分子量232500程度)」を使用した。   DAPBz, which is a basic compound having two amino groups thus obtained, is dissolved in N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as “DMF”) at 60 ° C. to obtain a 20% by mass solution. did. On the other hand, vinylidene fluoride and a hexafluoropropylene copolymer (hereinafter referred to as “VdF-HFP”) as a fluorine-based polymer were dissolved in DMF to obtain a 20 mass% solution. In this example, “KYNAR2821 (weight average molecular weight of about 232500)” manufactured by ARKEMA was used as VdF-HFP.

次に、VdF−HFPをDMFに溶解させた20質量%溶液と、DAPBzをDMFに溶解させた20質量%溶液とを質量比でVdF−HFP/DAPBz=4/1の割合で混合し、DMFの沸点以下の温度(120℃)で還流させながら攪拌し反応させた。反応時間は120時間であった。   Next, a 20 mass% solution in which VdF-HFP is dissolved in DMF and a 20 mass% solution in which DAPBz is dissolved in DMF are mixed at a mass ratio of VdF-HFP / DAPBz = 4/1. The reaction was stirred and refluxed at a temperature below the boiling point of (120 ° C.). The reaction time was 120 hours.

[プロトン伝導性の評価]
図2に、上述したように得たバインダー組成物にリン酸を含浸させた後のプロトン伝導度を測定した結果を示す。図2には、比較対象として、従来から使用されているポリベンズイミダゾール(PBI)系のバインダー組成物(リン酸ドープ率が92%のもの及び313%のもの)のプロトン伝導度の結果も示した。図2に示すように、60℃〜150℃の温度領域において、本実施例のバインダー組成物は、リン酸を92%ドープしたPBI系バインダー組成物よりも顕著に優れるプロトン伝導度を示し、リン酸を313%ドープしたPBI系バインダー組成物と同等のプロトン伝導性を示した。なお、150℃におけるプロトン伝導度は、本実施例のバインダー組成物が4.6×10−3(S/cm)、リン酸を92%ドープしたPBI系バインダー組成物が9.9×10−4(S/cm)、リン酸を313%ドープしたPBI系バインダー組成物が4.7×10−3(S/cm)であった。このように、本実施例のバインダー組成物は、従来のPBI系のバインダー組成物よりも低いリン酸吸着量(リン酸ドープ率)であるにもかかわらず、高いプロトン伝導度を示す(リン酸を313%ドープしたPBI系バインダー組成物と同等程度)、PBI系のバインダー組成物と比べ、プロトン伝導度のリン酸ドープ率依存性が低いことがわかった。これは、本実施例のVdF−HFP/DAPBzにリン酸をドープしたバインダー組成物では、リン酸イオンの自由度や運動性が高いことによるものと考えられる。また、本実施例のバインダー組成物では、フッ素系ポリマーからなる主鎖ポリマーが、リン酸との親和性を有する塩基性化合物からなる単量体により架橋された構造を有しているため、主鎖ポリマー間にプロトン伝導のための広い空間を確保でき、100℃以上の高温下においても高分子主鎖の運動によるプロトン伝導の阻害を受けにくいため、低いドープ率にも関わらずより速いプロトン伝導が起こるものと推測される。
[Evaluation of proton conductivity]
FIG. 2 shows the results of measuring proton conductivity after impregnating phosphoric acid into the binder composition obtained as described above. FIG. 2 also shows proton conductivity results of polybenzimidazole (PBI) -based binder compositions (having a phosphate doping rate of 92% and 313%) that have been used for comparison. It was. As shown in FIG. 2, in the temperature range of 60 ° C. to 150 ° C., the binder composition of this example exhibits a proton conductivity that is remarkably superior to that of a PBI binder composition doped with 92% phosphoric acid. The proton conductivity was equivalent to that of a PBI binder composition doped with 313% acid. The proton conductivity at 150 ° C. is 4.6 × 10 −3 (S / cm) for the binder composition of this example, and 9.9 × 10 for the PBI binder composition doped with 92% phosphoric acid. 4 (S / cm), and the PBI binder composition doped with 313% phosphoric acid was 4.7 × 10 −3 (S / cm). Thus, the binder composition of this example exhibits high proton conductivity (phosphoric acid) despite the lower phosphate adsorption amount (phosphate doping rate) than the conventional PBI binder composition. It was found that the dependence of proton conductivity on the phosphoric acid doping rate was lower than that of the PBI binder composition. This is considered to be due to the high degree of freedom and mobility of phosphate ions in the binder composition obtained by doping phosphoric acid into VdF-HFP / DAPBz in this example. In the binder composition of this example, the main chain polymer composed of a fluorine-based polymer has a structure crosslinked with a monomer composed of a basic compound having an affinity for phosphoric acid. A large space for proton conduction can be secured between the chain polymers, and it is less susceptible to inhibition of proton conduction due to the movement of the polymer main chain even at high temperatures of 100 ° C. or higher. Is presumed to occur.

[燃料電池用電極の製造例]
(実施例1)
上述したようにして得られたVdF−HFP/DAPBz反応溶液を、触媒質量100質量部に対して6質量部の固形量になるようにDMFに溶解させ、触媒に投入後、混練し、適当な粘度のペーストになるようDMF溶媒を添加して調整した。さらに、このペーストに85%リン酸溶液を添加し、電極ペーストを得た。次に、この電極ペーストを、微細カーボン層を有するカーボンペーパー(SGLカーボン社製:GDL34BC)上に塗布した。塗布後、180℃で約1時間乾燥してDMFを除去した。なお、触媒としては、カーボン(ケッチェンブラック)に白金コバルト合金を担持させた白金コバルト担持触媒(白金含有率46質量%)を用いた。
[Production Example of Fuel Cell Electrode]
Example 1
The VdF-HFP / DAPBz reaction solution obtained as described above was dissolved in DMF so as to have a solid amount of 6 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst, added to the catalyst, kneaded, A DMF solvent was added to adjust the viscosity of the paste. Further, an 85% phosphoric acid solution was added to this paste to obtain an electrode paste. Next, this electrode paste was applied on carbon paper (SGL Carbon Co., Ltd .: GDL34BC) having a fine carbon layer. After application, DMF was removed by drying at 180 ° C. for about 1 hour. As the catalyst, a platinum-cobalt catalyst (platinum content 46 mass%) in which a platinum-cobalt alloy was supported on carbon (Ketjen Black) was used.

得られた電極において、触媒とVdF−HFP/DAPBzとリン酸との質量比は、触媒:(VdF−HFP/DAPBz):HPO=1:0.06:0.72であった。 In the obtained electrode, the mass ratio of the catalyst, VdF-HFP / DAPBz, and phosphoric acid was catalyst: (VdF-HFP / DAPBz): H 3 PO 4 = 1: 0.06: 0.72.

また、電解質としては、リン酸をPoly(2,5−benzimidazol)(ABPBI)(下記構造式(8)を参照)の塩基性基に対して350質量%ドープさせたABPBI膜を用意した。そして、上記のようにして製造した電極を電解質に積層させて、さらに各電極の外側に酸化剤配流板及び燃料配流板を配置することにより、実施例1の燃料電池を製造した。   As an electrolyte, an ABPBI film in which phosphoric acid was doped by 350% by mass with respect to a basic group of Poly (2,5-benzimidazolol) (ABPBI) (see the following structural formula (8)) was prepared. And the fuel cell of Example 1 was manufactured by laminating | stacking the electrode manufactured as mentioned above on electrolyte, and also arrange | positioning an oxidizing agent distribution plate and a fuel distribution plate on the outer side of each electrode.

Figure 2009158372
Figure 2009158372

(実施例2)
次に、実施例2の電極を以下のようにして製造した。まず、上記のようにして作製したVdF−HFP/DAPBz反応溶液(20質量%)を、触媒質量100質量部に対して10質量部となる濃度で溶解させたDMF溶液50mlを用意し、この溶液に触媒3gを添加して12時間混合した。その後、この混合物をろ過回収し、窒素ガス雰囲気下で180℃で2時間乾燥させ、上記触媒担持体にVdF−HFP/DAPBzポリマーが吸着した被覆触媒を得た。触媒とVdF−HFP/DAPBzの質量比は、触媒:VdF−HFP/DAPBz=1:0.06であった。なお、触媒としては、カーボン(ケッチェンブラック)に白金コバルト合金を担持させた白金コバルト担持触媒(白金含有率46質量%)を用いた。
(Example 2)
Next, the electrode of Example 2 was manufactured as follows. First, 50 ml of a DMF solution prepared by dissolving the VdF-HFP / DAPBz reaction solution (20% by mass) prepared as described above at a concentration of 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst is prepared. 3 g of catalyst was added to and mixed for 12 hours. Thereafter, the mixture was recovered by filtration and dried at 180 ° C. for 2 hours under a nitrogen gas atmosphere, to obtain a coated catalyst in which the VdF-HFP / DAPBz polymer was adsorbed on the catalyst support. The mass ratio of the catalyst to VdF-HFP / DAPBz was catalyst: VdF-HFP / DAPBz = 1: 0.06. As the catalyst, a platinum-cobalt catalyst (platinum content 46 mass%) in which a platinum-cobalt alloy was supported on carbon (Ketjen Black) was used.

次に、上記被覆触媒1gに対して、ポリビニリデンフロライド(以下、PVdFと表記する)を3質量%の固形量になるようにDMFに溶解させ、上記被覆触媒に投入後、混練し、適当な粘度のペーストとなるようにDMF溶媒を添加して調整した。さらに、このペーストに85%リン酸溶液を添加し、電極ペーストを得た。次に、この電極ペーストを、微細カーボン層を有するカーボンペーパー(SGLカーボン社製:GDL34BC)上に塗布した。塗布後、150℃で約1時間乾燥させてDMFを除去した。このようにして実施例2の電極を製造した。   Next, with respect to 1 g of the above coated catalyst, polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PVdF) is dissolved in DMF so as to have a solid content of 3% by mass, added to the above coated catalyst, kneaded, and appropriately A DMF solvent was added so as to obtain a paste with a high viscosity. Further, an 85% phosphoric acid solution was added to this paste to obtain an electrode paste. Next, this electrode paste was applied on carbon paper (SGL Carbon Co., Ltd .: GDL34BC) having a fine carbon layer. After application, DMF was removed by drying at 150 ° C. for about 1 hour. In this way, the electrode of Example 2 was manufactured.

なお、本実施例では、PVdFとして、−(CF−CH−という構造を有する呉羽化学製の「KF polymer W#1100」を使用した。 In this example, “KF polymer W # 1100” manufactured by Kureha Chemical Co., Ltd. having a structure of — (CF 2 —CH 2 ) n — was used as PVdF.

そして、実施例1と同様にして、得られた電極を用いて実施例2の燃料電池を製造した。   And the fuel cell of Example 2 was manufactured like Example 1 using the obtained electrode.

(比較例1)
ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFと表記する)を、触媒質量100質量部に対して6質量部の固形量になるようにDMFに溶解し、触媒に投入後、混練し、適当な粘度のペーストになるようDMF溶媒を添加して調整した。さらに、このペーストに85%リン酸溶液を添加し、電極ペーストを得た。この電極ペーストを、微細カーボン層を有するカーボンペーパー(SGLカーボン社製:GDL34BC)上に塗布した。塗布後、150℃で約1時間乾燥させてDMFを除去した。なお、触媒としては、カーボン(ケッチェンブラック)に白金コバルト合金を担持させた白金コバルト担持触媒(白金含有率46質量%)を用いた。
(Comparative Example 1)
Polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PVdF) is dissolved in DMF so as to have a solid amount of 6 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst, added to the catalyst, kneaded, and paste into an appropriate viscosity paste. DMF solvent was added to adjust. Further, an 85% phosphoric acid solution was added to this paste to obtain an electrode paste. This electrode paste was applied on carbon paper (SGL Carbon: GDL34BC) having a fine carbon layer. After application, DMF was removed by drying at 150 ° C. for about 1 hour. As the catalyst, a platinum-cobalt catalyst (platinum content 46 mass%) in which a platinum-cobalt alloy was supported on carbon (Ketjen Black) was used.

得られた電極において、触媒とPVdFとリン酸との質量比は、触媒:PVdF:HPO=1:0.06:0.65であった。 In the obtained electrode, the mass ratio of the catalyst, PVdF, and phosphoric acid was catalyst: PVdF: H 3 PO 4 = 1: 0.06: 0.65.

なお、本比較例では、PVdFとして、−(CF−CH−という構造を有する呉羽化学製の「KF polymer W#1100」を使用した。 In this comparative example, “KF polymer W # 1100” manufactured by Kureha Chemical Co., Ltd. having a structure of — (CF 2 —CH 2 ) n — was used as PVdF.

そして、実施例1と同様にして、得られた電極を用いて比較例1の燃料電池を製造した。   And the fuel cell of the comparative example 1 was manufactured like Example 1 using the obtained electrode.

(比較例2)
ポリベンズイミダゾール(以下、PBIと表記する。下記構造式(9)を参照。)を触媒質量100質量部に対して6質量部の固形量となるようにDMAcに溶解し、触媒に投入後、混練し、適当な粘度のペーストとなるようDMAc溶媒を添加して調整した。さらに、このペーストに85%リン酸溶液を添加し、電極ペーストを得た。得られた電極ペーストを、微細カーボン層を有するカーボンペーパー(SGLカーボン社製:GDL34BC)上に塗布した。塗布後、150℃で約1時間乾燥させてDMAcを除去した。なお、触媒としては、カーボン(ケッチェンブラック)に白金コバルト合金を担持させた白金コバルト担持触媒(白金含有率46質量%)を用いた。
(Comparative Example 2)
Polybenzimidazole (hereinafter referred to as PBI, see the following structural formula (9)) was dissolved in DMAc so that the solid mass was 6 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst, and after charging into the catalyst, It knead | mixed and added and adjusted the DMAc solvent so that it might become a paste of suitable viscosity. Further, an 85% phosphoric acid solution was added to this paste to obtain an electrode paste. The obtained electrode paste was apply | coated on the carbon paper (SGL carbon company_made: GDL34BC) which has a fine carbon layer. After coating, the DMAc was removed by drying at 150 ° C. for about 1 hour. As the catalyst, a platinum-cobalt catalyst (platinum content 46 mass%) in which a platinum-cobalt alloy was supported on carbon (Ketjen Black) was used.

Figure 2009158372
Figure 2009158372

得られた電極において、触媒とPBIとリン酸との質量比は、触媒:PBI:HPO=1:0.06:1.00であった。 In the obtained electrode, the mass ratio of the catalyst, PBI, and phosphoric acid was catalyst: PBI: H 3 PO 4 = 1: 0.06: 1.00.

そして、実施例1と同様にして、得られた電極を用いて比較例2の燃料電池を製造した。   And the fuel cell of the comparative example 2 was manufactured like Example 1 using the obtained electrode.

[発電特性の評価]
上記のように製造した実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の燃料電池に対して、カソード電極に空気を利用率50%の流量で供給するとともにアノード電極に水素を利用率80%で供給し、作動温度150℃、無加湿の条件で発電を行い、発電特性を評価した。発電は、出力電流密度が0.3A/cmになる条件で行った。表1に各燃料電池の出力電圧を示す。
[Evaluation of power generation characteristics]
For the fuel cells of Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 manufactured as described above, air is supplied to the cathode electrode at a flow rate of 50% utilization rate, and hydrogen is utilized for the anode electrode. Power was supplied at 80%, operating temperature was 150 ° C., and no humidification was performed, and the power generation characteristics were evaluated. Power generation was performed under conditions where the output current density was 0.3 A / cm 2 . Table 1 shows the output voltage of each fuel cell.

Figure 2009158372
Figure 2009158372

表1に示すように、VdF−HFP/DAPBzバインダーを用いた実施例1及び実施例2の電池は、比較例1及び比較例2の電池に比較して高い出力電圧を示していることがわかった。これは、フッ素系PVdFバインダーのみでは、撥水性はあるが、VdF−HFP/DAPBzバインダーを用いた場合よりも触媒近傍へのプロトン伝導性に劣るためであると考えられる。また、炭化水素系のPBIバインダーのみでは、プロトン伝導性は有しているが、リン酸に対する膨潤性が高く、バインダーとしての寸法変化が大きく、燃料ガスや酸化剤ガスの拡散性を阻害してしまうためであると考えられる。一方、VdF−HFP/DAPBzバインダーでは、フッ素系の骨格にリン酸との親和性を有する塩基性炭化水素が結合しているため、撥水性とプロトン伝導性の両特性を併せ持ち、VdF−HFP/DAPBzバインダーによる触媒層により効果的な三相界面が構築されたことによるものと考えられる。   As shown in Table 1, it was found that the batteries of Example 1 and Example 2 using the VdF-HFP / DAPBz binder showed higher output voltage than the batteries of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. It was. This is considered to be because the fluorine-based PVdF binder alone has water repellency but is inferior in proton conductivity to the vicinity of the catalyst as compared with the case of using the VdF-HFP / DAPBz binder. In addition, hydrocarbon-based PBI binder alone has proton conductivity, but has high swellability with respect to phosphoric acid, a large dimensional change as a binder, and inhibits diffusibility of fuel gas and oxidant gas. It is thought that it is because it ends. On the other hand, in the VdF-HFP / DAPBz binder, a basic hydrocarbon having an affinity for phosphoric acid is bonded to the fluorine-based skeleton, so that both VdF-HFP / HFP / HFP / This is considered to be due to the construction of an effective three-phase interface by the catalyst layer of the DAPBz binder.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the membrane electrode assembly which concerns on one Embodiment of this invention. 本実施例におけるリン酸を含浸させた後のバインダー組成物のプロトン伝導度の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the proton conductivity of the binder composition after impregnating the phosphoric acid in a present Example.

Claims (8)

少なくとも(−CF−CF(M)CH−CF−)構造(ただし、Mは、CF、CFH、CFHのいずれかである)を有し、塩基性化合物が付加されているフッ素系ポリマーと、水素イオン伝導体と、を含み、
前記塩基性化合物は、少なくとも2以上の水素が置換された含窒素複素環化合物であり、
前記フッ素系ポリマーは、前記塩基性化合物により架橋されていることを特徴とする、燃料電池用バインダー組成物。
Having at least a (—CF 2 —CF (M) CH 2 —CF 2 —) structure (where M is any of CF 3 , CF 2 H, CFH 2 ), and a basic compound is added A fluorine-based polymer and a hydrogen ion conductor,
The basic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound in which at least two hydrogen atoms are substituted,
The binder composition for a fuel cell, wherein the fluoropolymer is crosslinked with the basic compound.
前記塩基性化合物は、少なくとも2以上のアミノ基を有する含窒素複素環化合物であることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池用バインダー組成物。   2. The fuel cell binder composition according to claim 1, wherein the basic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound having at least two amino groups. 前記塩基性化合物は、ジアミノイミダゾールとその誘導体、ジアミノトリアジンとその誘導体、ジアミノトリアゾールとその誘導体、ジアミノピリジンとその誘導体、及びジアミノベンズイミダゾールとその誘導体からなる群より選択される少なくとも1種であることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池用バインダー組成物。   The basic compound is at least one selected from the group consisting of diaminoimidazole and derivatives thereof, diaminotriazine and derivatives thereof, diaminotriazole and derivatives thereof, diaminopyridine and derivatives thereof, and diaminobenzimidazole and derivatives thereof. The binder composition for fuel cells according to claim 2, wherein: 前記塩基性化合物は、下記構造式(1)〜(3)のいずれかで示される化合物であることを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池用バインダー組成物。
Figure 2009158372
Figure 2009158372

Figure 2009158372
The binder composition for a fuel cell according to claim 3, wherein the basic compound is a compound represented by any one of the following structural formulas (1) to (3).
Figure 2009158372
Figure 2009158372

Figure 2009158372
前記フッ素系ポリマーは、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体と、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン3元共重合体のうちの少なくともいずれか1種であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用バインダー組成物。   The fluorine-based polymer is at least one of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer. The binder composition for fuel cells according to any one of claims 1 to 4. 前記水素イオン伝導体は、オルトリン酸、縮合リン酸、アルキルリン酸、及びホスホン酸からなる群より選択される少なくとも1種の酸であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池用バインダー組成物。   The hydrogen ion conductor is at least one acid selected from the group consisting of orthophosphoric acid, condensed phosphoric acid, alkylphosphoric acid, and phosphonic acid, according to any one of claims 1 to 5, The binder composition for fuel cells as described. 燃料電池用電解質と、前記燃料電池用電解質の厚み方向両側に配置された電極触媒層と、を備え、
前記電極触媒層は、触媒担体上に触媒物質が担持された触媒材料と、前記触媒材料を結着するバインダーと、を有し、
前記バインダーは、請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用バインダー組成物を含むことを特徴とする、膜電極接合体。
A fuel cell electrolyte, and electrode catalyst layers disposed on both sides in the thickness direction of the fuel cell electrolyte,
The electrode catalyst layer has a catalyst material in which a catalyst substance is supported on a catalyst carrier, and a binder that binds the catalyst material,
The said binder contains the binder composition for fuel cells in any one of Claims 1-6, The membrane electrode assembly characterized by the above-mentioned.
燃料電池用電解質と、前記燃料電池用電解質の厚み方向両側に配置された電極触媒層と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に接合したセパレータと、
を備え、
前記電極触媒層は、触媒担体上に触媒物質が担持された触媒材料と、前記触媒材料を結着するバインダーと、を有し、
前記バインダーは、請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用バインダー組成物を含むことを特徴とする、燃料電池。


A membrane electrode assembly comprising a fuel cell electrolyte, and electrode catalyst layers disposed on both sides in the thickness direction of the fuel cell electrolyte;
Separators bonded to both surfaces of the membrane electrode assembly;
With
The electrode catalyst layer has a catalyst material in which a catalyst substance is supported on a catalyst carrier, and a binder that binds the catalyst material,
The said binder contains the binder composition for fuel cells in any one of Claims 1-6, The fuel cell characterized by the above-mentioned.


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