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JP2011034739A - Solid polymer fuel cell, and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2011034739A JP2009178475A JP2009178475A JP2011034739A JP 2011034739 A JP2011034739 A JP 2011034739A JP 2009178475 A JP2009178475 A JP 2009178475A JP 2009178475 A JP2009178475 A JP 2009178475A JP 2011034739 A JP2011034739 A JP 2011034739A
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electrolyte
acid
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fuel cell
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Fusayoshi Miura
房美 三浦
Naoki Hasegawa
直樹 長谷川
Takashi Asano
高司 浅野
Atsushi Kamiya
厚志 神谷
Haruhiko Yamada
春彦 山田
Keisuke Fujita
敬祐 藤田
Masayoshi Takami
昌宜 高見
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

【課題】電池性能を大きく低下させることなく、ラジカル耐性の高い固体高分子型燃料電池及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体を備え、膜電極接合体は、可溶性鉄イオンの量が電解質重量当たり10ppm以下であり、かつ、過酸化水素耐性改善作用を持つプロトン以外のイオンの量が電解質の酸基割合に換算して0.1〜20%である固体高分子型燃料電池。膜電極接合体に含まれる可溶性鉄イオンが電解質重量当たり10ppm以下となるように膜電極接合体又はその構成要素の還元処理及び酸洗処理を、この順で又は同時に行う還元・酸洗工程と、膜電極接合体に含まれるプロトン以外のイオンの量が電解質の酸基割合に換算して0.1〜5%となるように、プロトン以外のイオンを導入するイオン導入工程とを備えた固体高分子型燃料電池の製造方法。
【選択図】図1
To provide a polymer electrolyte fuel cell having high radical resistance without greatly reducing battery performance and a method for producing the same.
A membrane electrode assembly is provided in which electrodes are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane. The membrane electrode assembly has an amount of soluble iron ions of 10 ppm or less per electrolyte weight and has an effect of improving hydrogen peroxide resistance. A polymer electrolyte fuel cell in which the amount of ions other than protons is 0.1 to 20% in terms of the acid group ratio of the electrolyte. A reduction / pickling step in which the membrane electrode assembly or its constituent elements are subjected to reduction treatment and pickling treatment in this order or simultaneously so that the soluble iron ions contained in the membrane electrode assembly are 10 ppm or less per weight of the electrolyte; An ion introduction step for introducing ions other than protons so that the amount of ions other than protons contained in the membrane electrode assembly is 0.1 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte. A method for producing a molecular fuel cell.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等として好適な固体高分子型燃料電池及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell suitable for an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like, and a method for manufacturing the same.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質との複合体からなる。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte.

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた全フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含まない電解質。例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。
また、全フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含み、C−F結合を含まない電解質)、又は、部分フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む電解質)の使用も検討されている。
The electrolyte membrane or the catalyst layer electrolyte that constitutes such an MEA includes a perfluorinated electrolyte excellent in oxidation resistance (an electrolyte that does not contain a C—H bond in the polymer chain. For example, Nafion (registered trademark, DuPont). ), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc.) are generally used.
In addition, perfluorinated electrolytes are excellent in oxidation resistance but are generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the solid polymer fuel cell, a hydrocarbon electrolyte (an electrolyte that includes a C—H bond and does not include a C—F bond in a polymer chain) or a partial fluorine electrolyte The use of (electrolytes containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain) has also been studied.

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。例えば、MEAを構成する電解質膜は、触媒層で副生成する過酸化水素又はその分解生成物であるラジカルに対して不安定であり、耐久性を向上させる必要がある。触媒層内電解質や電解質膜が全フッ素系電解質である場合には、耐久性の低下は比較的少ない。これに対し、炭化水素系電解質の場合は、過酸化水素及びラジカルに対する安定性が全フッ素系電解質に比べて著しく劣るため、燃料電池を長期間安定的に作動させることは困難である。   However, in order to put the polymer electrolyte fuel cell into practical use as a vehicle-mounted power source, there remain problems to be solved. For example, the electrolyte membrane constituting the MEA is unstable with respect to hydrogen peroxide generated as a by-product in the catalyst layer or a radical that is a decomposition product thereof, and it is necessary to improve durability. When the electrolyte in the catalyst layer or the electrolyte membrane is a perfluorinated electrolyte, the deterioration in durability is relatively small. On the other hand, in the case of a hydrocarbon-based electrolyte, the stability against hydrogen peroxide and radicals is remarkably inferior to that of a perfluorinated electrolyte, so that it is difficult to stably operate the fuel cell for a long period of time.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、炭化水素系固体高分子電解質膜に、二酸化マンガンなどの酸化物触媒、鉄フタロシアニンなどの大環状金属錯体触媒、又は、Cu−Ni合金粒子などの遷移金属合金触媒を添加した固体高分子電解質膜が開示されている。
同文献には、炭化水素系電解質に酸化物触媒等を添加すると、過酸化水素が不均化反応により水に分解し、過酸化水素による電解質の劣化を抑制できる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, in Patent Document 1, an oxide catalyst such as manganese dioxide, a macrocyclic metal complex catalyst such as iron phthalocyanine, or a transition metal alloy catalyst such as Cu—Ni alloy particles is provided on a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane. An added solid polymer electrolyte membrane is disclosed.
This document describes that when an oxide catalyst or the like is added to a hydrocarbon electrolyte, hydrogen peroxide is decomposed into water by a disproportionation reaction, and deterioration of the electrolyte due to hydrogen peroxide can be suppressed.

また、特許文献2には、スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜のスルホン酸基のプロトンの一部をMg、Ca、Al、Laなどの多価金属で置換したプロトン伝導性高分子膜が開示されている。
同文献には、スルホン酸基のプロトンの一部を、ある種の多価金属で置換すると、過酸化物ラジカルに対する耐性(耐酸化性)が向上する点が記載されている。
Patent Document 2 discloses a proton conductive polymer membrane in which a part of protons of a sulfonic acid group of a sulfonated polyphenylene sulfide membrane is substituted with a polyvalent metal such as Mg, Ca, Al, or La.
This document describes that when a part of protons of a sulfonic acid group is replaced with a certain polyvalent metal, resistance to peroxide radicals (oxidation resistance) is improved.

また、特許文献3には、ポリスチレングラフトETFE膜を1N塩酸水溶液又は1N硫酸水溶液に浸漬し、室温〜90℃で1.5〜2時間保持する方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、高分子電解質中のFe元素を0.01質量%(100ppm)以下にすることができる点が記載されている。
Patent Document 3 discloses a method in which a polystyrene graft ETFE membrane is immersed in a 1N hydrochloric acid aqueous solution or a 1N sulfuric acid aqueous solution and held at room temperature to 90 ° C. for 1.5 to 2 hours.
This document describes that the Fe element in the polymer electrolyte can be reduced to 0.01% by mass (100 ppm) or less by such a method.

また、特許文献4には、ラジカルに起因する電解質膜の劣化の抑制を目的とするものではないが、白金が担持された炭素繊維/カーボンペーパー複合体をヒドラジン水溶液又は水素化ホウ素ナトリウム水溶液に浸漬し、室温で30分間還元処理する固体高分子型燃料電池用電極の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法によって触媒表面の酸化物層が除去されるので、予備運転時間を短縮できる点が記載されている。
Patent Document 4 does not intend to suppress degradation of the electrolyte membrane caused by radicals, but immerses the carbon fiber / carbon paper composite carrying platinum in a hydrazine aqueous solution or a sodium borohydride aqueous solution. And the manufacturing method of the electrode for solid polymer fuel cells which carries out a reduction process for 30 minutes at room temperature is disclosed.
This document describes that the preliminary operation time can be shortened because the oxide layer on the catalyst surface is removed by such a method.

また、特許文献5には、ラジカルに起因する電解質膜の劣化の抑制を目的とするものではないが、白金が担持された炭素繊維/カーボンペーパー複合体を1モル/Lの硫酸水溶液に浸漬し、−0.3〜0.5Vの範囲で50mV/秒の走査速度で10回酸化還元処理する固体高分子型燃料電池用電極の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法によって触媒表面がクリーニングされるので、予備運転時間を短縮できる点が記載されている。
Patent Document 5 does not intend to suppress the deterioration of the electrolyte membrane caused by radicals, but the carbon fiber / carbon paper composite carrying platinum is immersed in a 1 mol / L sulfuric acid aqueous solution. , A method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell is disclosed in which redox treatment is performed 10 times at a scanning speed of 50 mV / sec in the range of −0.3 to 0.5 V.
This document describes that the catalyst surface is cleaned by such a method, so that the preliminary operation time can be shortened.

さらに、特許文献6には、ラジカルに起因する電解質膜の劣化の抑制を目的とするものではないが、プロトン型S−PES電解質膜を1mol/LのNaOH水溶液に浸漬してNa型S−PES電解質膜とし、これと触媒層とを重ね合わせ、ホットプレスする膜電極接合体の製造方法が開示されている。
同文献には、電解質膜を塩型にすると溶融温度が低下し、電解質膜と触媒層との接合を低温度で行うことができるので、電解質膜に与える化学的、機械的ダメージを抑制できる点が記載されている。
Further, Patent Document 6 does not intend to suppress the deterioration of the electrolyte membrane caused by radicals, but the proton type S-PES electrolyte membrane is immersed in a 1 mol / L NaOH aqueous solution to form Na type S-PES. A manufacturing method of a membrane electrode assembly is disclosed in which an electrolyte membrane is formed and this is overlaid with a catalyst layer and hot pressed.
In this document, when the electrolyte membrane is made into a salt type, the melting temperature is lowered, and the electrolyte membrane and the catalyst layer can be joined at a low temperature, so that chemical and mechanical damage to the electrolyte membrane can be suppressed. Is described.

特開2000−106203号公報JP 2000-106203 A 特開2004−018573号公報JP 2004-018573 A 特開2005−235523号公報JP 2005-235523 A 特開2007−227088号公報JP 2007-227088 A 特開2007−227083号公報JP 2007-227083 A 特開2007−299705号公報JP 2007-299705 A

全フッ素系電解質に対して、ある種の大環状金属錯体や遷移金属酸化物を添加し、あるいは、全フッ素系電解質のプロトンの一部を、ある種の金属イオンで置換すると、過酸化水素及びラジカルに対する耐性を向上させることができる。しかしながら、これらの技術をそのまま炭化水素系電解質に転用しても、十分な耐性が得られない場合が多い。
これは、炭化水素系電解質は、全フッ素系電解質に比べて基本骨格が不安定であるため、過酸化水素を分解する作用を持つ添加物が過酸化水素だけでなく炭化水素骨格も分解するためと考えられる。
When a certain macrocyclic metal complex or transition metal oxide is added to the perfluorinated electrolyte, or a part of protons of the perfluorinated electrolyte is replaced with a certain metal ion, hydrogen peroxide and Resistance to radicals can be improved. However, there are many cases where sufficient tolerance cannot be obtained even if these techniques are directly applied to hydrocarbon electrolytes.
This is because hydrocarbon electrolytes have an unstable basic skeleton compared to perfluorinated electrolytes, so additives that have the ability to decompose hydrogen peroxide decompose not only hydrogen peroxide but also the hydrocarbon skeleton. it is conceivable that.

また、従来、高分子電解質の過酸化水素耐性試験には、フェントン試験を用いるのが一般的であった。フェントン試験(Fe2+イオン添加過酸化水素水浸漬試験)は、高湿度状態(飽和湿度)下での劣化程度を調べる方法である。
一方、燃料電池運転中には、MEAは十分な湿潤状態ではなく、ドライな状態に置かれる場合も多く、高分子電解質の耐久性を評価するにはフェントン試験のみでは不十分である。そのため、最近では、低湿度下(ドライ環境)で高温の過酸化水素蒸気を被試験体に当てる、いわゆるドライフェントン試験がMEAの劣化を模擬できる促進試験として採用されつつある。しかしながら、上述した耐久性改善法で処理した電解質膜をドライフェントン試験で評価すると、フェントン試験とは全く別の結果を示すものがある。
Conventionally, the Fenton test is generally used for the hydrogen peroxide resistance test of polymer electrolytes. The Fenton test (Fe 2+ ion-added hydrogen peroxide solution immersion test) is a method for examining the degree of deterioration under high humidity conditions (saturated humidity).
On the other hand, during fuel cell operation, the MEA is often not in a sufficiently wet state but in a dry state, and the Fenton test alone is insufficient to evaluate the durability of the polymer electrolyte. Therefore, recently, a so-called dry Fenton test in which high-temperature hydrogen peroxide vapor is applied to a device under test in a low humidity (dry environment) is being adopted as an accelerated test that can simulate the deterioration of MEA. However, when the electrolyte membrane treated by the durability improving method described above is evaluated by the dry Fenton test, there are some that show completely different results from the Fenton test.

さらに、遷移金属イオン(特に、Feイオン(Fe2+/Fe3+))があるしきい値を超えて電解質に存在すると、電解質の過酸化水素耐性を悪化させることが知られている。また、今まで知られていなかったことであるが、フェントン活性を有する不純物と、過酸化水素耐性を有する各種添加剤や添加イオンとの間に相互作用があり、遷移金属イオン(特に、Feイオン)があるしきい値を超えて存在すると、各種添加剤や添加イオンの効果が喪失したり、逆に過酸化水素耐性を悪化させる場合がある。
これに対し、特許文献3に開示されているように、電解質を酸で処理し、遷移金属イオンを洗い流す方法は、フェントン活性を有する不純物遷移金属イオンを除去する方法として有効である。しかしながら、単なる酸洗では、十分な過酸化水素耐性は得られない。
Furthermore, it is known that transition metal ions (particularly, Fe ions (Fe 2+ / Fe 3+ )) exist in the electrolyte exceeding a certain threshold value, deteriorate the hydrogen peroxide resistance of the electrolyte. In addition, although not known so far, there is an interaction between impurities having Fenton activity and various additives and added ions having hydrogen peroxide resistance, and transition metal ions (especially Fe ions). ) Exceeds a certain threshold value, the effects of various additives and added ions may be lost, or the hydrogen peroxide resistance may be worsened.
On the other hand, as disclosed in Patent Document 3, a method of treating an electrolyte with an acid and washing away transition metal ions is effective as a method for removing impurity transition metal ions having Fenton activity. However, sufficient pickling resistance cannot be obtained by simple pickling.

本発明が解決しようとする課題は、電池性能を大きく低下させることなく、ラジカル耐性の高い固体高分子型燃料電池及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、電解質の種類によらず、燃料電池の作動環境下(特に、ドライ環境下)においても高い耐酸化性を示す固体高分子型燃料電池及びその製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell having high radical resistance and a method for producing the same without greatly degrading battery performance.
Another problem to be solved by the present invention is a polymer electrolyte fuel cell that exhibits high oxidation resistance even in the operating environment of the fuel cell (especially in a dry environment), regardless of the type of electrolyte, and its It is to provide a manufacturing method.

上記課題を解決するために本発明に係る固体高分子型燃料電池は、
電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体を備え、
前記膜電極接合体は、
(イ)可溶性鉄イオンの量が電解質重量当たり10ppm以下であり、かつ、
(ロ)過酸化水素耐性を改善する作用を持つプロトン以外のイオンの量が電解質の酸基割合に換算して0.5〜5%である
ことを要旨とする。
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法は、
膜電極接合体に含まれる可溶性鉄イオンの量が10ppm以下となるように、前記膜電極接合体又はその構成要素の還元処理及び酸洗処理を、この順で又は同時に行う還元・酸洗工程と、
前記膜電極接合体に含まれる過酸化水素耐性を改善する作用を持つプロトン以外のイオンの量が電解質の酸基割合に換算して0.5〜5%となるように、前記膜電極接合体又はその構成要素に前記プロトン以外のイオンを導入するイオン導入工程と、
を備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is
Provided with a membrane electrode assembly in which electrodes are bonded on both sides of the electrolyte membrane,
The membrane electrode assembly is
(A) The amount of soluble iron ions is 10 ppm or less per electrolyte weight, and
(B) The gist of the invention is that the amount of ions other than protons having an effect of improving hydrogen peroxide resistance is 0.5 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte.
In addition, a method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes:
A reduction / pickling step in which reduction treatment and pickling treatment of the membrane electrode assembly or its constituent elements are performed in this order or simultaneously so that the amount of soluble iron ions contained in the membrane electrode assembly is 10 ppm or less; ,
The membrane / electrode assembly so that the amount of ions other than protons having an effect of improving hydrogen peroxide resistance contained in the membrane / electrode assembly is 0.5 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte. Or an ion introduction step of introducing ions other than protons into the constituent elements;
The main point is that

難溶性のFe化合物は、フェントン活性を示さず、むしろ過酸化水素を非ラジカル的に分解する作用を持つ。一方、可溶性Feイオンは、高いフェントン活性を示す。そのため、可溶性Feイオン量が10ppm以下である電解質を用いると、燃料電池の耐久性が向上する。また、可溶性鉄イオン量を10ppm以下にした電解質に対し、過酸化水素耐性を改善する作用を持つイオンを所定量導入すると、可溶性鉄イオンとの相互作用が抑制され、耐酸化性が向上する。
このような電解質を備えた燃料電池は、MEA又はその構成要素の還元処理及び酸洗処理を、この順で又は同時に行い、次いで、過酸化水素耐性を改善する作用を持つイオンを導入することにより得られる。
Slightly soluble Fe compounds do not exhibit Fenton activity, but rather have the effect of non-radical decomposition of hydrogen peroxide. On the other hand, soluble Fe ions exhibit high Fenton activity. Therefore, when an electrolyte having a soluble Fe ion amount of 10 ppm or less is used, the durability of the fuel cell is improved. Moreover, when a predetermined amount of ions having an action of improving hydrogen peroxide resistance is introduced into an electrolyte having a soluble iron ion amount of 10 ppm or less, the interaction with soluble iron ions is suppressed, and the oxidation resistance is improved.
A fuel cell equipped with such an electrolyte performs the reduction treatment and pickling treatment of MEA or its components in this order or at the same time, and then introduces ions having an effect of improving hydrogen peroxide resistance. can get.

パーフルオロ系電解質膜と炭化水素系電解質膜を種々の濃度の硫酸鉄(Fe2+)水溶液に80℃×8hr浸漬し、Fe2+をイオン交換した後に過酸化水素蒸気暴露試験(3wt%H22、120℃×5hr)を行った場合の膜重量変化である。A perfluoro-based electrolyte membrane and a hydrocarbon-based electrolyte membrane are immersed in an aqueous solution of iron sulfate (Fe 2+ ) at various concentrations at 80 ° C. for 8 hours, and Fe 2+ is ion-exchanged, followed by hydrogen peroxide vapor exposure test (3 wt% H 2 O 2 , 120 ° C. × 5 hr).

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 固体高分子型燃料電池]
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、
電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体を備え、
前記膜電極接合体は、
(イ)可溶性鉄イオンの量が電解質重量当たり10ppm以下であり、
(ロ)過酸化水素耐性を改善する作用を持つプロトン以外のイオンの量が電解質の酸基割合に換算して0.5〜5%である
ことを特徴とする。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Solid polymer fuel cell]
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is
Provided with a membrane electrode assembly in which electrodes are bonded on both sides of the electrolyte membrane,
The membrane electrode assembly is
(A) The amount of soluble iron ions is 10 ppm or less per electrolyte weight,
(B) The amount of ions other than protons having an effect of improving hydrogen peroxide resistance is 0.5 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte.

[1.1. 膜電極接合体]
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜(電解質膜)の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を備えている。また、固体高分子型燃料電池は、通常、このようなMEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これを複数個積層したものからなる。
[1.1. Membrane electrode assembly]
A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane). In addition, the polymer electrolyte fuel cell is usually formed by sandwiching both sides of such an MEA with a separator having a gas flow path and laminating a plurality of them.

[1.1.1. 電解質膜]
本発明において、固体高分子電解質膜の材質は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。
すなわち、固体高分子電解質膜の材質は、高分子鎖内にC−H結合を含み、かつC−F結合を含まない炭化水素系電解質、及び高分子鎖内にC−F結合を含むフッ素系電解質のいずれであっても良い。また、フッ素系電解質は、高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む部分フッ素系電解質であっても良く、あるいは、高分子鎖内にC−F結合を含み、かつC−H結合を含まない全フッ素系電解質であっても良い。
なお、フッ素系電解質は、フルオロカーボン構造(−CF2−、−CFCl−)の他、クロロカーボン構造(−CCl2−)や、その他の構造(例えば、−O−、−S−、−C(=O)−、−N(R)−等。但し、「R」は、アルキル基)を備えていてもよい。また、固体高分子電解質膜を構成する高分子の分子構造は、特に限定されるものではなく、直鎖状又は分岐状のいずれであっても良く、あるいは環状構造を備えていても良い。
[1.1.1. Electrolyte membrane]
In the present invention, the material of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and various materials can be used.
That is, the material of the solid polymer electrolyte membrane is a hydrocarbon-based electrolyte containing a C—H bond in the polymer chain and not containing a C—F bond, and a fluorine-based material containing a C—F bond in the polymer chain. Any of electrolytes may be used. Further, the fluorine-based electrolyte may be a partial fluorine-based electrolyte containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain, or contains C—F bonds in the polymer chain, and A perfluorinated electrolyte containing no C—H bond may be used.
In addition to the fluorocarbon structure (—CF 2 —, —CFCl—), the fluorine-based electrolyte includes a chlorocarbon structure (—CCl 2 —) and other structures (eg, —O—, —S—, —C ( ═O) —, —N (R) —, etc. provided that “R” may be an alkyl group). The molecular structure of the polymer constituting the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and may be either linear or branched, or may have a cyclic structure.

また、固体高分子電解質に備えられる酸基の種類についても、特に限定されるものではない。酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基等がある。固体高分子電解質には、これらの酸基の内、いずれか1種類のみが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。さらに、これらの酸基は、直鎖状固体高分子化合物に直接結合していても良く、あるいは、分枝状固体高分子化合物の主鎖又は側鎖のいずれかに結合していても良い。   Also, the type of acid group provided in the solid polymer electrolyte is not particularly limited. Examples of the acid group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group. Only one of these acid groups may be contained in the solid polymer electrolyte, or two or more of them may be contained. Furthermore, these acid groups may be directly bonded to the linear solid polymer compound, or may be bonded to either the main chain or the side chain of the branched solid polymer compound.

炭化水素系電解質としては、具体的には、
(1)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテル等、及びこれらの誘導体(脂肪族炭化水素系電解質)、
(2)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリスチレン、芳香環を有するポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート等、及びこれらの誘導体(部分芳香族炭化水素系電解質)、
(3)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレン、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド等、及びこれらの誘導体(全芳香族炭化水素系電解質)、
などがある。
Specifically, as the hydrocarbon electrolyte,
(1) Polyamide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, etc. in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, and derivatives thereof (aliphatic hydrocarbons) System electrolyte),
(2) Polystyrene having an acid group such as a sulfonic acid group introduced into any of the polymer chains, polyamide having an aromatic ring, polyamideimide, polyimide, polyester, polysulfone, polyetherimide, polyethersulfone, polycarbonate, and the like, and These derivatives (partial aromatic hydrocarbon electrolytes),
(3) Polyetheretherketone, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyetherimide, polyphenylene, polyphenylene ether, polycarbonate, in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, Polyamide, polyamideimide, polyester, polyphenylene sulfide, etc., and derivatives thereof (fully aromatic hydrocarbon electrolytes),
and so on.

また、部分フッ素系電解質としては、具体的には、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン等、及びこれらの誘導体などがある。
また、全フッ素系電解質としては、具体的には、デュポン社製ナフィオン(登録商標)、旭化成(株)製アシプレックス(登録商標)、旭硝子(株)製フレミオン(登録商標)等、及びこれらの誘導体などがある。
Further, as the partial fluorine-based electrolyte, specifically, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft-polytetra, in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains. There are fluoroethylene and the like and derivatives thereof.
Further, as the perfluorinated electrolyte, specifically, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., etc. There are derivatives.

さらに、本発明において、MEAを構成する固体高分子電解質膜は、固体高分子電解質のみからなるものであっても良く、あるいは、多孔質材料、長繊維材料、短繊維材料等からなる補強材を含む複合体であっても良い。   Furthermore, in the present invention, the solid polymer electrolyte membrane constituting the MEA may be composed only of a solid polymer electrolyte, or a reinforcing material composed of a porous material, a long fiber material, a short fiber material, or the like. It may be a complex containing.

一般に、フッ素系電解質、特に全フッ素系電解質は、高分子鎖内にC−F結合を有しているため、耐酸化性に優れているが、フッ素系電解質に対して本発明を適用すると、さらに耐酸化性が向上する。また、炭化水素系電解質は、フッ素系電解質に比べて耐酸化性が低い。そのため、炭化水素系電解質に対して本発明を適用すると、燃料電池の作動環境下(特に、ドライ環境下)においても高い耐酸化性を示し、しかも低コストな固体高分子型燃料電池が得られる。   In general, fluorine-based electrolytes, particularly all-fluorine-based electrolytes have excellent oxidation resistance because they have a C—F bond in the polymer chain, but when the present invention is applied to fluorine-based electrolytes, Furthermore, the oxidation resistance is improved. In addition, hydrocarbon electrolytes have lower oxidation resistance than fluorine electrolytes. Therefore, when the present invention is applied to a hydrocarbon-based electrolyte, a solid polymer fuel cell that exhibits high oxidation resistance even in the operating environment of the fuel cell (particularly in a dry environment) and is low in cost can be obtained. .

[1.1.2. 電極]
MEAを構成する電極は、通常、触媒層と拡散層の二層構造を取るが、触媒層のみによって構成される場合もある。電極が触媒層と拡散層の二層構造を取る場合、電極は、触媒層を介して電解質膜に接合される。
[1.1.2. Electrode]
The electrode constituting the MEA usually has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, but may be constituted only by the catalyst layer. When the electrode has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, the electrode is joined to the electrolyte membrane via the catalyst layer.

触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、電極触媒又は電極触媒を担持した担体と、その周囲を被覆する触媒層内電解質とを備えている。一般に、電極触媒には、MEAの使用目的、使用条件等に応じて最適なものが用いられる。固体高分子型燃料電池の場合、電極触媒には、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等若しくはこれらの合金、又は、Pt等の貴金属とコバルト、鉄、ニッケル等の遷移金属元素との合金が用いられる。触媒層に含まれる電極触媒の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。   The catalyst layer is a part serving as a reaction field for the electrode reaction, and includes an electrode catalyst or a carrier carrying the electrode catalyst, and an electrolyte in the catalyst layer covering the periphery thereof. In general, an optimum electrode catalyst is used depending on the purpose of use of MEA, use conditions, and the like. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, the electrode catalyst includes platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, or an alloy thereof, or an alloy of a noble metal such as Pt and a transition metal element such as cobalt, iron, or nickel. Used. As the amount of the electrode catalyst contained in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.

触媒担体は、微粒の電極触媒を担持すると同時に、触媒層における電子の授受を行うためのものである。触媒担体には、一般に、カーボン、活性炭、フラーレン、カーボンナノフォーン、カーボンナノチューブ等が用いられる。触媒担体表面への電極触媒の担持量は、電極触媒及び触媒担体の材質、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な担持量が選択される。   The catalyst carrier is for carrying a fine electrode catalyst and simultaneously transferring electrons in the catalyst layer. Generally, carbon, activated carbon, fullerene, carbon nanophone, carbon nanotube or the like is used as the catalyst carrier. As the amount of the electrode catalyst supported on the surface of the catalyst carrier, an optimum amount is selected according to the material of the electrode catalyst and the catalyst carrier, the use of the MEA, the use conditions, and the like.

触媒層内電解質は、固体高分子電解質膜と電極との間でプロトンの授受を行うためのものである。触媒層内電解質には、通常、固体高分子電解質膜を構成する材料と同一の材料が用いられるが、異なる材料を用いても良い。触媒層内電解質の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。
触媒層内電解質は、フッ素系電解質であっても良く、あるいは、炭化水素系電解質であっても良い。特に、触媒層内電解質が炭化水素系電解質である電極に対して本発明を適用すると、高い効果が得られる。触媒層内電解質に関するその他の点は、固体高分子電解質膜と同様であるので、説明を省略する。
The electrolyte in the catalyst layer is for exchanging protons between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode. For the electrolyte in the catalyst layer, the same material as that constituting the solid polymer electrolyte membrane is usually used, but a different material may be used. As the amount of the electrolyte in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.
The electrolyte in the catalyst layer may be a fluorine-based electrolyte or a hydrocarbon-based electrolyte. In particular, when the present invention is applied to an electrode whose catalyst layer electrolyte is a hydrocarbon electrolyte, a high effect can be obtained. Since the other points regarding the electrolyte in the catalyst layer are the same as those of the solid polymer electrolyte membrane, description thereof is omitted.

拡散層は、触媒層との間で電子の授受を行うと同時に、反応ガスを触媒層に供給するためのものである。拡散層には、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等が用いられる。また、撥水性を高めるために、カーボンペーパ等の表面に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性高分子の粉末とカーボンの粉末との混合物(撥水層)をコーティングしたものを拡散層として用いても良い。   The diffusion layer is for supplying and receiving a reaction gas to the catalyst layer at the same time as transferring electrons to and from the catalyst layer. Generally, carbon paper, carbon cloth, or the like is used for the diffusion layer. In order to increase water repellency, a surface of carbon paper or the like coated with a mixture of water repellent polymer powder such as polytetrafluoroethylene and carbon powder (water repellent layer) is used as a diffusion layer. Also good.

[1.2. 可溶性Feイオン]
「可溶性鉄イオン」とは、電解質1g当たり0.3Lの1+10塩酸(塩酸1:水10の溶液)に室温で1日間浸漬したときに溶液中に溶出するFeイオンの量をいう。「可溶性」とは、実際の燃料電池の作動中に鉄元素が電解質内部でイオンとして存在しており、容易に電解質内部で移動しうる状態になっていることを言う。
本発明において、膜電極接合体は、可溶性鉄イオンの量が電解質重量当たり10ppm以下である必要がある。「電解質重量当たり」とは、電解質膜及び触媒層内電解質に含まれるすべての電解質の重量に対する可溶性鉄イオンの量をいう。
[1.2. Soluble Fe ion]
“Soluble iron ion” refers to the amount of Fe ions eluted in a solution when immersed in 0.3 L of 1 + 10 hydrochloric acid (hydrochloric acid 1: water 10 solution) per gram of electrolyte for 1 day at room temperature. “Soluble” means that during actual operation of the fuel cell, the iron element is present as ions inside the electrolyte, and can easily move inside the electrolyte.
In the present invention, the membrane / electrode assembly needs to have an amount of soluble iron ions of 10 ppm or less per electrolyte weight. “Per electrolyte weight” refers to the amount of soluble iron ions relative to the weight of all electrolytes contained in the electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer.

[1.3. プロトン以外のイオン]
[1.3.1. 定義]
膜電極接合体は、可溶性鉄イオンが10ppm以下であることに加えて、プロトン以外のイオンを含む。
「プロトン以外のイオン」とは、過酸化水素耐性を改善する作用を持つイオンをいう。 「プロトン以外のイオンを含む」とは、
(1)電解質膜又は触媒層内に、プロトン以外のイオンを徐々に放出可能な難溶性の化合物が存在すること、又は、
(2)電解質膜又は触媒層内電解質に含まれる酸基のプロトンが、プロトン以外のイオンにイオン交換されていること
をいう。
[1.3. Ions other than protons]
[1.3.1. Definition]
The membrane electrode assembly contains ions other than protons in addition to 10 ppm or less of soluble iron ions.
“Ions other than protons” refer to ions having an action of improving resistance to hydrogen peroxide. “Including ions other than protons”
(1) The presence of a poorly soluble compound capable of gradually releasing ions other than protons in the electrolyte membrane or the catalyst layer, or
(2) It means that protons of acid groups contained in the electrolyte membrane or the electrolyte in the catalyst layer are ion-exchanged with ions other than protons.

[1.3.2. プロトン以外のイオンの含有量]
プロトン以外のイオンの含有量が少なすぎると、過酸化水素耐性の改善の効果が得られない。従って、プロトン以外のイオンの含有量は、MEAに含まれる電解質の酸基割合に換算して0.5%以上である必要がある。
一方、プロトン以外のイオンの含有量が過剰になると、電池性能の低下が大きくなる。従って、プロトン以外のイオンの含有量は、MEAに含まれる電解質の酸基割合に換算して5%以下である必要がある。
「電解質の酸基割合に換算して0.5〜5%」とは、MEAに含まれる電解質の酸基の0.5〜5%をイオン交換可能な量のプロトン以外のイオン又はこのようなイオンの化合物を含むことを言う。
[1.3.2. Content of ions other than protons]
If the content of ions other than protons is too small, the effect of improving hydrogen peroxide resistance cannot be obtained. Therefore, the content of ions other than protons needs to be 0.5% or more in terms of the acid group ratio of the electrolyte contained in MEA.
On the other hand, when the content of ions other than protons is excessive, the battery performance is greatly lowered. Therefore, the content of ions other than protons needs to be 5% or less in terms of the acid group ratio of the electrolyte contained in MEA.
“0.5 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte” means that 0.5 to 5% of the acid group of the electrolyte contained in the MEA is ion exchanged in an amount other than protons or such ions. Contains ionic compounds.

一般に、触媒層内電解質と電解質膜の酸基割合は、それぞれの単位面積当たりの重量(膜厚)とイオン交換容量にもよるが、1:20〜1:2程度であり、触媒層に比べて電解質膜の酸基の数が多いのが一般的である。従って、例えば、触媒層内電解質のみ、あるいは電解質膜のみにプロトン以外のイオンを含む化合物を添加してMEAを作製した場合には、作動中に添加した化合物のイオンは、一部がMEA内部を拡散して電解質膜あるいは触媒層に移行して均質化する。従って、電解質膜又は触媒層内電解質のいずれか一方のみにイオンを導入するときは、5%を超えて導入しても良い。   In general, the acid group ratio of the electrolyte in the catalyst layer and the electrolyte membrane is about 1:20 to 1: 2, although it depends on the weight (film thickness) and ion exchange capacity per unit area, compared with the catalyst layer. In general, the number of acid groups in the electrolyte membrane is large. Therefore, for example, when an MEA is prepared by adding a compound containing ions other than protons only to the electrolyte in the catalyst layer or only to the electrolyte membrane, a part of the ions of the compound added during operation is inside the MEA. Diffusion and transfer to the electrolyte membrane or catalyst layer to homogenize. Therefore, when ions are introduced only into either the electrolyte membrane or the electrolyte in the catalyst layer, it may be introduced in excess of 5%.

これらのイオンを含む化合物を添加する場合は、化合物は、触媒層内電解質及び電解質膜のいずれに添加しても良い。しかしながら、過酸化水素は電極で生成するため、触媒層内電解質に添加するか、あるいは、膜/触媒層の界面に濃化するように触媒層又は電解質膜に存在させ、過酸化水素が膜内部へ拡散するのを防止するのが好ましい。すなわち、これらの化合物は、膜表面又は触媒層の最深部(膜との接合部)に濃化して添加すると良い。但し、過度の濃化は、膜/触媒層の接合性を低下させるので注意が必要である。   When adding a compound containing these ions, the compound may be added to either the electrolyte in the catalyst layer or the electrolyte membrane. However, since hydrogen peroxide is generated at the electrode, it is added to the electrolyte in the catalyst layer, or it is present in the catalyst layer or electrolyte membrane so as to be concentrated at the membrane / catalyst layer interface. It is preferable to prevent diffusion into the surface. That is, these compounds are preferably added after being concentrated at the surface of the membrane or the deepest portion of the catalyst layer (the junction with the membrane). However, it should be noted that excessive concentration reduces the membrane / catalyst layer bondability.

[1.3.3. 具体例]
過酸化水素耐性を向上させる作用を持つイオン又はその化合物としては、以下のようなものがある。特に、これら化合物が水に対する溶解度が小さい、いわゆる難溶性化合物であると、長時間、MEA内に留まることができるため好ましい。
[1.3.3. Concrete example]
Examples of ions or compounds having the effect of improving hydrogen peroxide resistance include the following. In particular, it is preferable that these compounds are so-called poorly soluble compounds having low solubility in water because they can remain in the MEA for a long time.

(1)アルカリ金属イオン:
アルカリ金属イオンとしては、Li+、Na+、K+、Cs+などがある。
「アルカリ金属化合物」とは、アルカリ金属イオンと、これと対になるアニオンとの化合物をいう。難溶性化合物の例としては、MgKHPO4、CsAl(SO4)2・12H2O、Cs2PtCl6、Cs312WO40、MgNa(UO2)3(CH3COO)9・6H2O等の錯塩又は複塩が挙げられる。
(1) Alkali metal ions:
Examples of the alkali metal ion include Li + , Na + , K + , and Cs + .
The “alkali metal compound” refers to a compound of an alkali metal ion and an anion that is paired with the alkali metal ion. Examples of poorly soluble compounds include MgKHPO 4 , CsAl (SO 4 ) 2 .12H 2 O, Cs 2 PtCl 6 , Cs 3 P 12 WO 40 , MgNa (UO 2 ) 3 (CH 3 COO) 9 · 6H 2 O And complex salts or double salts.

(2)ホスホニウムイオン:
「ホスホニウムイオン」とは、P原子のまわりに4つのアルキル基が結合した1価のカチオンをいう。
「ホスホニウム化合物」とは、ホスホニウムイオンと、これと対になるアニオンBとの化合物[P(R1)(R2)(R3)(R4)]+-をいう。
(2) Phosphonium ion:
“Phosphonium ion” refers to a monovalent cation in which four alkyl groups are bonded around a P atom.
“Phosphonium compound” refers to a compound [P (R 1 ) (R 2 ) (R 3 ) (R 4 )] + B with a phosphonium ion and an anion B paired therewith.

ホスホニウム化合物のカチオン部分としては、具体的には、テトラエチルホスホニウム、トリエチルベンジルホスホニウム、テトラブチルホスホニウム、テトラオクチルホスホニウム、トリメチルデシルホスホニウム、トリメチルドデシルホスホニウム、トリメチルヘキサデシルホスホニウム、トリメチルオクタデシルホスホニウム、トリブチルメチルホスホニウム、トリブチルドデシルホスホニウム、トリブチルオクタデシルホスホニウム、トリオクチルエチルホスホニウム、トリブチルヘキサデシルホスホニウム、メチルトリフェニルホスホニウム、エチルトリフェニルホスホニウム、ジフェニルジオクチルホスホニウム、トリフェニルオクタデシルホスホニウム、テトラフェニルホスホニウム、トリブチルアリルホスホニウム、テトラキス(ヒドロキシメチル)ホスホニウムなどがある。   Specific examples of the cation part of the phosphonium compound include tetraethylphosphonium, triethylbenzylphosphonium, tetrabutylphosphonium, tetraoctylphosphonium, trimethyldecylphosphonium, trimethyldodecylphosphonium, trimethylhexadecylphosphonium, trimethyloctadecylphosphonium, tributylmethylphosphonium, tributyl Dodecylphosphonium, tributyloctadecylphosphonium, trioctylethylphosphonium, tributylhexadecylphosphonium, methyltriphenylphosphonium, ethyltriphenylphosphonium, diphenyldioctylphosphonium, triphenyloctadecylphosphonium, tetraphenylphosphonium, tributylallylphosphonium, tetra Scan (hydroxymethyl), and the like phosphonium.

ホスホニウム化合物としては、具体的には、テトラエチルホスホニウムヒドロキシド、テトラ−n−ブチルホスホニウムヒドロキシド、エチルトリフェニルホスホニウムアセタート、テトラブチルホスホニウムアセタート、硫酸テトラキス(ヒドロキシメチル)ホスホニウム、硝酸テトラブチルホスホニウム、ビス(2,4,4−トリメチルペンチル)ホスフィン酸、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム、メタンスルホン酸テトラブチルホスホニウム、トシル酸トリイソブチルメチルホスホニウム、トシル酸テトラブチルホスホニウム、テトラブチルホスホニウムテトラフェニルボラート、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボラート、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフェニルボラート、ジ−tert−ブチルメチルホスホニウムテトラフェニルボラート、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウムビス[オキサラト(2−)]ボラート、テトラフェニルホスホニウムテトラ−P−トリルボラート、ベンジルフェニルホスホニウムテトラフェニルボラート、P−トリルトリフェニルホスホニウムテトラ−P−トリルボラート、トリエチルメチルホスホニウムジブチルフォスフェート、エチルトリフェニルホスホニウムホスフェート、トリブチルメチルホスホニウムジブチルフォスフェート、テトラブチルホスホニウムベンゾトリアゾラート、デカン酸トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム、トリブチルメチルホスホニウムメチルカーボネートなどがある。   Specific examples of the phosphonium compound include tetraethylphosphonium hydroxide, tetra-n-butylphosphonium hydroxide, ethyltriphenylphosphonium acetate, tetrabutylphosphonium acetate, tetrakis (hydroxymethyl) phosphonium sulfate, tetrabutylphosphonium nitrate, Bis (2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid, trihexyl (tetradecyl) phosphonium, tetrabutylphosphonium methanesulfonate, triisobutylmethylphosphonium tosylate, tetrabutylphosphonium tosylate, tetrabutylphosphonium tetraphenylborate, tetraphenyl Phosphonium tetraphenylborate, tri-tert-butylphosphonium tetraphenylborate, di-tert-butylmethylphosphate Fonium tetraphenylborate, trihexyl (tetradecyl) phosphonium bis [oxalato (2-)] borate, tetraphenylphosphonium tetra-P-tolylborate, benzylphenylphosphonium tetraphenylborate, P-tolyltriphenylphosphonium tetra-P-tolylborate And triethylmethylphosphonium dibutyl phosphate, ethyl triphenylphosphonium phosphate, tributylmethylphosphonium dibutyl phosphate, tetrabutylphosphonium benzotriazolate, trihexyl (tetradecyl) phosphonium decanoate, tributylmethylphosphonium methyl carbonate, and the like.

(3)含窒素陽イオン:
「含窒素陽イオン」とは、その構造内にNを含み、脂肪族系か芳香族系か、あるいは、複素環式か非環式かを問わず、陽イオンを形成し、電解質の酸基とイオン的な結合が可能なものをいう。
「含窒素塩基性化合物」とは、含窒素陽イオンと、これと対になるアニオンとの化合物をいう。
(3) Nitrogen-containing cation:
“Nitrogen-containing cation” includes N in its structure and forms a cation regardless of whether it is aliphatic or aromatic, or heterocyclic or acyclic. And those capable of ionic bonding.
The “nitrogen-containing basic compound” refers to a compound of a nitrogen-containing cation and an anion paired therewith.

含窒素陽イオンとしては、具体的には、
(a)アンモニウムイオン、アミン、ピリジン、ジピリジン、イミダゾール、キノリン、ピリミジン、イミン、トリアジン、アミノトリアジン、グアニジン、アミノカルボン酸、核酸塩基、ピラゾロン、又は、これらの誘導体、
(b)これら塩の陽イオン、
などがある。
As a nitrogen-containing cation, specifically,
(A) ammonium ion, amine, pyridine, dipyridine, imidazole, quinoline, pyrimidine, imine, triazine, aminotriazine, guanidine, aminocarboxylic acid, nucleobase, pyrazolone, or derivatives thereof,
(B) cations of these salts,
and so on.

含窒素陽イオンを含む塩基性化合物の中でも、(1)式で表される4級アンモニウム塩が好ましい。
+N(R1)(R2)(R3)(R4)Z- ・・・(1)
但し、R1、R2、R3、R4はアルキル基、Z-はアニオン。アルキル基は、Cl及びBr以外のハロゲン(例えば、I、F)で置換されていても良い。
4級アンモニウムイオンとしては、具体的には、
(a)NH4 +(アンモニウムイオン)、
(b)N(CH3)4 +(テトラメチルアンモニウムイオン)、N(C25)4 +(テトラエチルアンモニウムイオン)、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオンなどのアルキルアンモニウムイオン、
などがある。
Among the basic compounds containing a nitrogen-containing cation, a quaternary ammonium salt represented by the formula (1) is preferable.
+ N (R 1) (R 2) (R 3) (R 4) Z - ··· (1)
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are alkyl groups, and Z is an anion. The alkyl group may be substituted with a halogen other than Cl and Br (for example, I, F).
As a quaternary ammonium ion, specifically,
(A) NH 4 + (ammonium ion),
(B) alkyl ammonium ions such as N (CH 3 ) 4 + (tetramethylammonium ion), N (C 2 H 5 ) 4 + (tetraethylammonium ion), tetrapropylammonium ion, tetrabutylammonium ion,
and so on.

アミンは、1級アミン(R1NH2)、2級アミン(R12NH)、3級アミン(R123N)のいずれであっても良い。これらのアミンは、酸性下(電解質内部)では(2a)〜(2c)式のようにプロトン受容体となって、含窒素陽イオンA+となり、酸基アニオンB-とイオン的な結合を形成することができる。
1NH2+H+ → R1NH3 + ・・・(2a)
12NH+H+ → R12NH2 + ・・・(2b)
123NH+H+ → R123NH+ ・・・(2c)
The amine may be any of primary amine (R 1 NH 2 ), secondary amine (R 1 R 2 NH), and tertiary amine (R 1 R 2 R 3 N). Under acidic conditions (inside the electrolyte), these amines become proton acceptors as shown in the formulas (2a) to (2c), become nitrogen-containing cations A + , and form ionic bonds with the acid group anion B −. can do.
R 1 NH 2 + H + → R 1 NH 3 + (2a)
R 1 R 2 NH + H + → R 1 R 2 NH 2 + (2b)
R 1 R 2 R 3 NH + H + → R 1 R 2 R 3 NH + (2c)

1級アミンとしては、具体的には、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミンなどがある。
2級アミンとしては、具体的には、ジメチルアミン、ジエチルアミンなどがある。
3級アミンとしては、具体的には、トリメチルアミン、トリメチルアミンなどがある。
環状アミンとしては、具体的には、ヘキサメチレンテトラミン、シクロヘキシルアミン、シクロヘキシルジアミン、ピペラジン、モルホリンなどがある。
ヒンダードアミンとしては、具体的には、2,2,6,6,−テトラメチル−4−ピペリドン、1,2,2,6,6−ペンタメチル−4−ピペリドン、2,2,6,6−6−テトラメチルピペリジンなどがある。
ポリアミンとしては、具体的には、エチレンジアミン、ジシクロヘキシルジアミンなどがある。これらのアミンの炭酸塩、リン酸塩、硫酸塩等の塩も用いることができる。
Specific examples of the primary amine include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, and pentylamine.
Specific examples of the secondary amine include dimethylamine and diethylamine.
Specific examples of the tertiary amine include trimethylamine and trimethylamine.
Specific examples of the cyclic amine include hexamethylenetetramine, cyclohexylamine, cyclohexyldiamine, piperazine, and morpholine.
Specific examples of hindered amines include 2,2,6,6, -tetramethyl-4-piperidone, 1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidone, 2,2,6,6-6. -Tetramethylpiperidine and the like.
Specific examples of the polyamine include ethylenediamine and dicyclohexyldiamine. Salts of these amine carbonates, phosphates, sulfates and the like can also be used.

イミンとしては、具体的には、エチレンイミンなどがある。   Specific examples of imines include ethyleneimine.

アミノトリアジンとしては、具体的には、ホルモグアナミン、グアニルメラミン、シアノメラミン、アリールグアナミン、メラミン、アムメリン、アムメリド、メラム、メレム、メロンなどがある。   Specific examples of the aminotriazine include formoguanamine, guanylmelamine, cyanomelamine, arylguanamine, melamine, ammelin, ammelide, melam, melem, and melon.

アミノカルボン酸としては、具体的には、ヒスチジン、ニトリロトリ酢酸、エチレンジアミン四酢酸、ジエチレントリアミノ五酢酸などがある。   Specific examples of the aminocarboxylic acid include histidine, nitrilotriacetic acid, ethylenediaminetetraacetic acid, and diethylenetriaminopentaacetic acid.

グアニジン系窒素化合物としては、具体的には、アミノグアニジン、グアニル尿素、ビグアニド、グアニジン、炭酸グアニジン、ホウ酸グアニジン、リン酸・モノグアニジン、リン酸・ジグアニジン、リン酸グアニル尿素、塩酸グアニジン、硫酸グアニジン、スルファミン酸グアニジン、1,3ジフェニルグアニジンなどがある。   Specific examples of guanidine-based nitrogen compounds include aminoguanidine, guanylurea, biguanide, guanidine, guanidine carbonate, guanidine borate, phosphoric acid / monoguanidine, phosphoric acid / diguanidine, guanylurea phosphate, guanidine hydrochloride, guanidine sulfate. Guanidine sulfamate, 1,3-diphenylguanidine, and the like.

核酸塩基としては、具体的には、
(a)シトシン、5−メチルシトシン、5−ヒドロキシルメチルシトシン、チミン、ウラシル等のピリミジン塩基、
(b)プリン、アデニン、グアニン、ヒポキサンチン、キサンチン、テオフィリン、テオブロミン、カフェイン、イソグアニン、尿酸等のプリン誘導体、
などがある。
Specifically, as a nucleobase,
(A) pyrimidine bases such as cytosine, 5-methylcytosine, 5-hydroxylmethylcytosine, thymine, uracil,
(B) Purine derivatives such as purine, adenine, guanine, hypoxanthine, xanthine, theophylline, theobromine, caffeine, isoguanine, uric acid,
and so on.

ピラゾロイオンを生成する化合物としては、具体的には、ケイモリブデン酸と反応することが知られているアミノピリン、アンチピリンなどがある。   Specific examples of the compound that generates pyrazolo ions include aminopyrine and antipyrine that are known to react with silicomolybdic acid.

(4)アルカリ土類金属イオン:
アルカリ土類金属イオンとしては、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+などがある。
「アルカリ土類金属化合物」とは、アルカリ土類金属イオンと、これと対になるアニオンとの化合物をいう。Ca2+を例にとると、Ca3(PO4)2(リン酸カルシウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、CaWO4(タングステン酸カルシウム)、CaC24(シュウ酸カルシウム)、及び、これらの水和物が挙げられる。
(4) Alkaline earth metal ions:
Examples of alkaline earth metal ions include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ and Ba 2+ .
“Alkaline earth metal compound” refers to a compound of an alkaline earth metal ion and an anion paired therewith. Taking Ca 2+ as an example, Ca 3 (PO 4 ) 2 (calcium phosphate), CaF 2 (calcium fluoride), CaWO 4 (calcium tungstate), CaC 2 O 4 (calcium oxalate), and these Hydrates are mentioned.

(5)典型元素イオン:
「典型元素イオン」とは、12族のZr2+、13族のAl3+、Ga3+、In3+、14族のGa4+、Si4+、Sn4+、15族のSb3+、Bi3+の陽イオンなどがある。典型元素イオンの中では、特にZn2+イオンによる耐久性向上効果が大きい。
「典型元素化合物」とは、典型元素イオンと、これと対になるアニオンとの化合物をいう。Zn2+を例にとると、Zn3(PO4)2(リン酸亜鉛)、ZnF2(フッ化亜鉛)、ZnWO4(タングステン酸亜鉛)、ZnC24(シュウ酸亜鉛)、及び、これらの水和物が挙げられる。
(5) Typical element ions:
“Typical element ions” are Zr 2+ in group 12, Al 3+ , Ga 3+ , In 3+ in group 13, Ga 4+ in group 14, Si 4+ , Sn 4+ , Sb 3 in group 15 + , Bi 3+ cations, etc. Among typical element ions, the effect of improving the durability by Zn 2+ ions is particularly large.
“Typical element compound” refers to a compound of a typical element ion and a pair of anions. Taking Zn 2+ as an example, Zn 3 (PO 4 ) 2 (zinc phosphate), ZnF 2 (zinc fluoride), ZnWO 4 (zinc tungstate), ZnC 2 O 4 (zinc oxalate), and These hydrates are mentioned.

(6)鉄イオンの遷移金属イオン:
鉄イオン以外の遷移金属イオンとしては、Sc3+、Cr3+、マンガンイオン(Mn2+、Mn4+)、コバルトイオン(Co2+、Co3+)、Ni2+、Cu2+、Y3+、Zr4+、Mo3+、Ru3+、Rh2+、Pd2+、Ag+、Hf4+、Ta3+、W3+、Pt2+、Pt4+などがある。
「遷移金属化合物」とは、鉄イオン以外の遷移金属イオンと、これと対になるアニオンとの化合物をいう。
(6) Iron ion transition metal ions:
Examples of transition metal ions other than iron ions include Sc 3+ , Cr 3+ , manganese ions (Mn 2+ , Mn 4+ ), cobalt ions (Co 2+ , Co 3+ ), Ni 2+ , Cu 2+ , Y 3+ , Zr 4+ , Mo 3+ , Ru 3+ , Rh 2+ , Pd 2+ , Ag + , Hf 4+ , Ta 3+ , W 3+ , Pt 2+ , Pt 4+ and the like.
The “transition metal compound” refers to a compound of a transition metal ion other than iron ions and an anion paired therewith.

(7)希土類金属イオン:
希土類金属イオンとしては、La3+、Ce3+、Ce4+、Pr3+、Pr4+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Er3+、Yb3+、Lu3+などがある。
「希土類金属化合物」とは、希土類金属イオンと、これと対になるアニオンとの化合物をいう。Ce3+を例にとると、CePO4(リン酸セリウム(III))、Ce3(PO4)4(リン酸セリウム(IV))、CeF3(フッ化セリウム)、Ce2(WO4)3(タングステン酸セリウム)、Ce2(C24)3(シュウ酸セリウム)、及び、これらの水和物が挙げられる。
(7) Rare earth metal ions:
Examples of rare earth metal ions include La 3+ , Ce 3+ , Ce 4+ , Pr 3+ , Pr 4+ , Nd 3+ , Sm 3+ , Eu 3+ , Gd 3+ , Tb 3+ , Dy 3+ , Er 3+ , Yb 3+ , Lu 3+ and the like.
“Rare earth metal compound” refers to a compound of a rare earth metal ion and an anion paired therewith. Taking Ce 3+ as an example, CePO 4 (cerium (III) phosphate), Ce 3 (PO 4 ) 4 (cerium (IV) phosphate), CeF 3 (cerium fluoride), Ce 2 (WO 4 ) 3 (cerium tungstate), Ce 2 (C 2 O 4 ) 3 (cerium oxalate), and hydrates thereof.

上述した各種のプロトン以外のイオンは、MEAに含まれる電解質の種類に応じて、最適なものを選択する。この場合、MEAには、上述したイオンの内、いずれか一種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
例えば、電解質膜及び触媒層内電解質の少なくとも一方が炭化水素系電解質である場合、プロトン以外のイオンは、アルカリ金属イオン、ホスホニウムイオン、含窒素陽イオン、アルカリ土類金属イオン、及び典型元素イオンから選ばれるいずれか1以上が好ましい。
また、例えば、電解質膜及び触媒層内電解質の少なくとも一方がフッ素系電解質である場合、プロトン以外のイオンは、ホスホニウムイオン、含窒素陽イオン、鉄イオン以外の遷移金属イオン、及び希土類金属イオンから選ばれるいずれか1以上が好ましい。
For the ions other than the various protons described above, the optimum ions are selected according to the type of electrolyte contained in the MEA. In this case, the MEA may include any one of the above-described ions, or may include two or more.
For example, when at least one of the electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer is a hydrocarbon electrolyte, ions other than protons are alkali metal ions, phosphonium ions, nitrogen-containing cations, alkaline earth metal ions, and typical element ions. Any one or more selected is preferable.
For example, when at least one of the electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer is a fluorine-based electrolyte, ions other than protons are selected from phosphonium ions, nitrogen-containing cations, transition metal ions other than iron ions, and rare earth metal ions. Any one or more of these is preferable.

[1.4. ハロゲン含有量]
MEAは、可溶性鉄イオンが電解質重量当たり10ppm以下であり、かつ、酸基割合に換算して0.5〜5%のプロトン以外のイオンを含むことに加えて、Fを除くハロゲンイオンの含有量が電解質重量当たり10ppm以下であるのが好ましい。
Fを除くハロゲンイオンの含有量が10ppmを超えると、電極被毒が大きくなり、電圧が低下するため不適当である。ハロゲンイオンの定量は、触媒層、電解質膜又はMEAを高温の純水と接触させ、抽出した水のアニオン分析(イオン選択性電極、イオンクロマト分析)等で行えばよい。
[1.4. Halogen content]
MEA has a soluble iron ion content of 10 ppm or less per electrolyte weight, and contains 0.5 to 5% of ions other than protons in terms of acid group ratio, and the content of halogen ions excluding F Is preferably 10 ppm or less per electrolyte weight.
If the halogen ion content excluding F exceeds 10 ppm, electrode poisoning increases and the voltage decreases, which is inappropriate. The halogen ion may be quantified by anion analysis (ion-selective electrode, ion chromatography analysis) of the extracted water after bringing the catalyst layer, the electrolyte membrane or MEA into contact with high-temperature pure water.

Fを除くハロゲンイオンを所定量以下とするためには、MEAにプロトン以外のイオンを導入する際に、対イオンとしてハロゲン元素を含まない化合物を用いて行うのが好ましい。
プロトン以外のイオンを導入するための化合物の対イオンとしては、具体的には、水酸イオン、炭酸イオン、ギ酸イオン、酢酸イオン、プロピオン酸イオン、シュウ酸イオン、マレイン酸イオン、アジピン酸イオン、サリチル酸イオン、酒石酸イオン、クエン酸イオン、メタスルホン酸イオン、スルファミン酸イオン、トシル酸イオン、テトラフェニルホウ酸イオン、ホウ酸イオン、硫酸イオン、硫酸水素イオン、硝酸イオン、過塩素酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオン、ジブチルリン酸イオン、ベンゾトリアゾラートイオン、デカン酸イオン、メチルカーボネートイオンなどが好ましい。
In order to bring the halogen ions excluding F to a predetermined amount or less, it is preferable to use a compound containing no halogen element as a counter ion when introducing ions other than protons into the MEA.
Specific examples of counter ions for introducing ions other than protons include hydroxide ions, carbonate ions, formate ions, acetate ions, propionate ions, oxalate ions, maleate ions, adipate ions, Salicylate ion, tartrate ion, citrate ion, metasulfonate ion, sulfamate ion, tosylate ion, tetraphenylborate ion, borate ion, sulfate ion, hydrogen sulfate ion, nitrate ion, perchlorate ion, phosphate ion Hydrogen phosphate ion, dibutyl phosphate ion, benzotriazolate ion, decanoic acid ion, methyl carbonate ion and the like are preferable.

逆に、不適当なイオンは、塩化物イオン(Cl-)、臭素化物イオン(Br-)、ヨウ化物イオン(I-)である。特にこの中でも塩化物イオンは、MEA中にコンタミイオンとして残留しやすいために注意が必要である。
これらのハロゲンイオンは、金属との吸着力が強く、触媒被毒や触媒のPtをハロゲン錯イオン(例えば、PtCl4 2-、PtCl6 2-など)として触媒層から溶出させ、電池性能を大きく低下させるので好ましくない。そのため、これらハロゲンイオンを含む化合物を添加あるいはイオン交換した場合には、脱ハロゲン化物除去処理(温水洗浄、アニオン交換樹脂と供に洗浄)、又は特定の陽イオン(Ag+、Cs+、BiO+、YbO+など)を含む水溶液で洗浄し、ハロゲンイオンを難溶性ハロゲン化物として固定する必要がある。
Conversely, inappropriate ions are chloride ion (Cl ), bromide ion (Br ), and iodide ion (I ). In particular, care must be taken because chloride ions tend to remain as contamination ions in MEA.
These halogen ions have strong adsorptive power with metals, and catalyst poisoning and Pt of catalyst are eluted from the catalyst layer as halogen complex ions (for example, PtCl 4 2− , PtCl 6 2−, etc.), thus greatly improving battery performance. Since it lowers, it is not preferable. Therefore, when these halogen ion-containing compounds are added or ion exchanged, dehalide removal treatment (washing with warm water and anion exchange resin) or specific cations (Ag + , Cs + , BiO +) , YbO +, etc.) to fix the halogen ions as hardly soluble halides.

これに対し、これらプロトン以外のイオンの対アニオンがFを除くハロゲンイオン以外のイオンである時には、腐食性は弱く、触媒金属を溶出させるおそれがない。
なお、フッ化物イオンとフッ素原子が他のカチオンと複合化した錯イオン(例えば、AlF4 -、GaF4 -、AlF6 -など)も、他のハロゲンイオンに比べ比較的吸着力が弱いため、これらを対イオンとする化合物を用いてプロトン以外のイオンを導入しても良い。
On the other hand, when the counter anion of ions other than protons is an ion other than halogen ions other than F, the corrosiveness is weak and there is no possibility of eluting the catalyst metal.
Note that complex ions in which fluoride ions and fluorine atoms are complexed with other cations (for example, AlF 4 , GaF 4 , AlF 6 −, etc.) are also relatively weak in adsorption power compared to other halogen ions. Ions other than protons may be introduced using compounds having these as counter ions.

[2. 固体高分子型燃料電池の製造方法]
本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法は、還元・酸洗工程と、イオン導入工程とを備えている。
[2. Method for producing polymer electrolyte fuel cell]
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a reduction / pickling step and an ion introduction step.

[2.1. 還元・酸洗工程]
還元・酸洗工程は、膜電極接合体に含まれる可溶性鉄イオンの量が電解質重量当たり10ppm以下となるように、前記膜電極接合体又はその構成要素の還元処理及び酸洗処理を、この順で又は同時に行う工程である。
「還元処理」とは、還元雰囲気においてMEA又はその構成要素を処理することをいう。また、「還元雰囲気」とは、大気中又は大気と平衡にある溶液中に比べて還元性である(酸素分圧が小さいか、あるいは平衡電位がより卑である)雰囲気をいう。還元処理は、気相中での処理と液相中での処理に分けられる。
[2.1. Reduction / pickling process]
In the reduction / pickling step, reduction treatment and pickling treatment of the membrane electrode assembly or its constituent elements are performed in this order so that the amount of soluble iron ions contained in the membrane electrode assembly is 10 ppm or less per electrolyte weight. Or a step performed simultaneously.
“Reducing treatment” refers to treating MEA or its components in a reducing atmosphere. In addition, the “reducing atmosphere” refers to an atmosphere that is reducing (the oxygen partial pressure is small or the equilibrium potential is lower) than in the air or in a solution in equilibrium with the air. The reduction treatment is divided into treatment in the gas phase and treatment in the liquid phase.

鉄化合物中のFeの状態は、+2価と+3価を取ることが知られている。また、場合によっては、これらの混合原子価の化合物や中間原子価の化合物があることも知られている。その中でも、Fe2+イオンの化合物に比べて、Fe3+イオンの化合物は、難溶性であり、酸洗浄では除去し難い。還元処理は、難溶性のFe3+イオンを可溶性のFe2+イオンに還元し、酸洗浄による除去を容易化するために行う。 It is known that the state of Fe in the iron compound takes +2 and +3. In some cases, it is also known that these mixed valence compounds and intermediate valence compounds exist. Among them, the Fe 3+ ion compound is less soluble than the Fe 2+ ion compound and is difficult to remove by acid cleaning. The reduction treatment is performed to reduce hardly soluble Fe 3+ ions to soluble Fe 2+ ions and facilitate removal by acid washing.

[2.1.1. 処理対象]
MEAは、一般に、電極触媒を含む触媒層を電解質膜に転写し、必要に応じて触媒層の外側に拡散層を圧着することにより製造される。還元処理及び酸洗処理は、MEAの状態で行っても良い。あるいは、電解質膜、電極等のMEAの構成要素に対して還元処理及び酸洗処理を行い、処理後の構成要素を用いてMEAを製造しても良い。最終的にMEAに含まれる可溶性鉄イオンの量が所定量以下になっていれば良いので、処理対象は、出発原料の種類や純度に応じて、適宜選択することができる。
[2.1.1. Processing object]
The MEA is generally manufactured by transferring a catalyst layer containing an electrode catalyst to an electrolyte membrane and pressing a diffusion layer on the outside of the catalyst layer as necessary. You may perform a reduction process and a pickling process in the state of MEA. Alternatively, the MEA components such as electrolyte membranes and electrodes may be subjected to reduction treatment and pickling treatment, and the MEA may be manufactured using the treated components. Since it is sufficient that the amount of soluble iron ions finally contained in the MEA is equal to or less than a predetermined amount, the processing target can be appropriately selected according to the type and purity of the starting material.

[2.1.2. 具体例]
[2.1.2.1. 第1の具体例]
還元・酸洗工程の第1の具体例は、
膜電極接合体又はその構成要素を気相中で還元する還元工程と、
膜電極接合体又はその構成要素を酸洗する酸洗工程と
を備えている。
[2.1.2. Concrete example]
[2.1.2.1. First Specific Example]
The first specific example of the reduction / pickling process is:
A reduction step of reducing the membrane electrode assembly or a component thereof in the gas phase;
A pickling step for pickling the membrane electrode assembly or its constituent elements.

[A. 還元工程]
気相中での還元処理とは、大気中の酸素分圧以下での熱処理をいう。気相中での還元処理は、液相中での還元処理と異なり、廃液処理や液管理の必要がないという利点がある。
気相中での還元処理としては、具体的には、
(1)真空中での熱処理、
(2)Ar、N2等の不活性ガス中での熱処理、
(3)H2、NH3、CO、CH4等の還元性ガス中での熱処理、
などがある。
これらの中でも、H2雰囲気での熱処理は、Fe3+→Fe2+への還元が容易であるので、還元方法として特に好適である。
[A. Reduction process]
The reduction treatment in the gas phase refers to a heat treatment at an oxygen partial pressure or less in the atmosphere. Unlike the reduction treatment in the liquid phase, the reduction treatment in the gas phase has an advantage that there is no need for waste liquid treatment or liquid management.
Specifically, as the reduction treatment in the gas phase,
(1) heat treatment in vacuum,
(2) heat treatment in an inert gas such as Ar or N 2 ;
(3) heat treatment in a reducing gas such as H 2 , NH 3 , CO, CH 4 ,
and so on.
Among these, heat treatment in an H 2 atmosphere is particularly suitable as a reduction method because it is easy to reduce Fe 3+ → Fe 2+ .

還元は、可溶性鉄イオンの濃度が10ppm以下となるような条件下で行う。
電解質膜、触媒層、又はMEAに対して還元処理を行う場合、還元処理温度が高くなるほど、還元反応速度を速めることができる。
しかしながら、還元処理温度が高すぎると、
(a)高分子のガラス転位温度を超えてMEAが変形する、
(b)高分子電解質から脱スルホン化が生じ、電池性能が低下する、
という問題がある。
従って、電解質膜、触媒層又はMEAに対して還元処理を行う場合、還元処理温度は、120℃以下が好ましい。
The reduction is performed under conditions such that the concentration of soluble iron ions is 10 ppm or less.
When the reduction treatment is performed on the electrolyte membrane, the catalyst layer, or the MEA, the reduction reaction rate can be increased as the reduction treatment temperature increases.
However, if the reduction treatment temperature is too high,
(A) MEA is deformed beyond the glass transition temperature of the polymer,
(B) Desulfonation occurs from the polymer electrolyte, and the battery performance decreases.
There is a problem.
Accordingly, when the reduction treatment is performed on the electrolyte membrane, the catalyst layer, or the MEA, the reduction treatment temperature is preferably 120 ° C. or less.

なお、Na+、K+、Rb+、Cs+、NH4 +、テトラブチルアンモニウムイオン、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+からなる群から選択される少なくとも1つのイオンで電解質の酸基の50%以上をイオン交換した後還元処理を行い、次いで酸洗により電解質をH体に戻しても良い。この場合、還元処理温度が120℃を超えても、短時間であれば還元処理が可能な場合がある。但し、この場合は、酸基を安定にするために導入されたカチオンが廃棄されるので、コストアップとなり好ましくない。
また、電解質を含まない電極触媒や拡散層については、120℃を超える温度で還元処理をしてもかまわない。
In addition, at least one ion selected from the group consisting of Na + , K + , Rb + , Cs + , NH 4 + , tetrabutylammonium ion, Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , and Ba 2+ A reduction treatment may be performed after ion exchange of 50% or more of the acid groups of the electrolyte, and then the electrolyte may be returned to the H form by pickling. In this case, even if the reduction treatment temperature exceeds 120 ° C., the reduction treatment may be possible for a short time. However, in this case, the cation introduced to stabilize the acid group is discarded, which is not preferable because the cost increases.
Moreover, about the electrode catalyst and diffusion layer which do not contain electrolyte, you may reduce-react at the temperature exceeding 120 degreeC.

還元処理時間は、Fe3+イオンがFe2+イオンに十分還元される時間であれば良い。還元処理時間は、30分以上が好ましく、さらに好ましくは1時間以上である。
高温で還元処理した後、室温に冷却する前に還元雰囲気から一気に大気開放することは、Fe2+へ還元された鉄化合物が大気中の酸素により再酸化され、再びFe3+の化合物となりやすい。また、水素ガス用いて還元した場合には、残留した水素ガスによる爆発の危険性もある。従って、還元処理後に、必要に応じてN2、Ar等の不活性ガスで十分に置換し、冷却してから直ちに酸洗を行うのが好ましい。
The reduction treatment time may be a time during which Fe 3+ ions are sufficiently reduced to Fe 2+ ions. The reduction treatment time is preferably 30 minutes or longer, more preferably 1 hour or longer.
After the reduction treatment at a high temperature, before being cooled to room temperature, the air is released from the reducing atmosphere at once. The iron compound reduced to Fe 2+ is easily re-oxidized by oxygen in the air and becomes a compound of Fe 3+ again. . In addition, when reduction is performed using hydrogen gas, there is a risk of explosion due to residual hydrogen gas. Therefore, after the reduction treatment, it is preferable to sufficiently replace with an inert gas such as N 2 or Ar as necessary, and perform pickling immediately after cooling.

[B. 酸洗工程]
還元処理後、酸水溶液で酸洗を行う。酸洗用の酸水溶液は、還元処理によって可溶化したFe化合物を溶解し、あるいはFeイオンを無害化することが可能な酸を含む水溶液であれば良い。
酸洗に用いる酸としては、具体的には、
(1)塩酸、硝酸、リン酸、過塩素酸、硫酸などの無機酸、
(2)ギ酸、ヒドロキシカルボン酸、アスコルビン酸などの有機酸、
(3)ヘテロポリ酸、
などがある。これらは、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
[B. Pickling process]
After the reduction treatment, pickling is performed with an aqueous acid solution. The acid aqueous solution for pickling may be an aqueous solution containing an acid capable of dissolving the Fe compound solubilized by the reduction treatment or detoxifying Fe ions.
As an acid used for pickling, specifically,
(1) Inorganic acids such as hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, perchloric acid, sulfuric acid,
(2) organic acids such as formic acid, hydroxycarboxylic acid, ascorbic acid,
(3) heteropolyacid,
and so on. Any one of these may be used, or two or more may be used in combination.

[B.1. 無機酸]
塩酸や硝酸は、Fe化合物を溶解させることができる。但し、これらの酸を後述する電解還元に用いると、対極で塩素ガスやNOxガスが発生し、作業環境が悪化しやすいので好ましくない。
硫酸や過塩素酸は、可溶化したFe化合物を溶解させることができ、しかも電解還元を行っても有害ガスは発生しない。しかしながら、これらの酸はいずれも高沸点化合物であるため、MEAに残留しやすいという問題がある。そのため、これらの酸は、腐食や触媒被毒の観点から注意が必要であり、その後の水洗を十分に行う必要がある。
[B. 1. Inorganic acid]
Hydrochloric acid or nitric acid can dissolve the Fe compound. However, it is not preferable to use these acids for electrolytic reduction, which will be described later, because chlorine gas and NO x gas are generated at the counter electrode, and the working environment tends to deteriorate.
Sulfuric acid and perchloric acid can dissolve the solubilized Fe compound, and no harmful gas is generated even when electrolytic reduction is performed. However, since all of these acids are high-boiling compounds, there is a problem that they tend to remain in MEA. Therefore, these acids need attention from the viewpoint of corrosion and catalyst poisoning, and it is necessary to perform subsequent washing with water sufficiently.

[B.2. 有機酸]
ギ酸は、有機酸の中でも強酸でかつ還元力を持ち、鉄等の遷移金属とで作る塩は溶解度が大きい。そのため、少量の使用でpHを低下させ、Feイオンを効果的に除去できる。また、MEAに残留したとしても、硫酸、塩酸、リン酸、硝酸等の無機酸に比べて、それ自身の触媒被毒作用は小さい。しかも、酸化還元電位が卑であるために、電極に残留しても分解除去されやすく、電圧降下が比較的小さい。さらに、ギ酸は、過酸化水素と反応して最終的には無害のCO2とH2Oになり、電解質を保護する犠牲剤として働く。そのため、ギ酸は、酸洗に用いる酸として好適である。
但し、ギ酸は、遷移金属とのキレート能力や還元力にやや劣る。従って、可溶性鉄イオンの除去にギ酸を用いるときには、予め還元処理を施すか、あるいは、後述するように各種の還元剤(例えば、ヒドロキシカルボン酸やヘテロポリ酸などのキレート作用がある還元剤、アスコルビン酸などの還元作用が大きい還元剤、水素化ホウ素ナトリウムやジメチルアミンボランなどの水素を発生させる還元剤など)と併用するのが好ましい。
[B. 2. Organic acid]
Formic acid is a strong acid and has a reducing power among organic acids, and a salt formed with a transition metal such as iron has a high solubility. Therefore, pH can be lowered and Fe ions can be effectively removed with a small amount of use. Even if it remains in the MEA, its catalytic poisoning action is small as compared with inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid and nitric acid. Moreover, since the oxidation-reduction potential is base, it is easily decomposed and removed even if it remains on the electrode, and the voltage drop is relatively small. In addition, formic acid reacts with hydrogen peroxide to eventually become harmless CO 2 and H 2 O, which acts as a sacrificial agent that protects the electrolyte. Therefore, formic acid is suitable as an acid used for pickling.
However, formic acid is slightly inferior in chelating ability and reducing power with transition metals. Therefore, when formic acid is used to remove soluble iron ions, reduction treatment is performed in advance, or various reducing agents (for example, reducing agents having a chelating action such as hydroxycarboxylic acid and heteropolyacid, ascorbic acid, as described later) It is preferable to use in combination with a reducing agent having a large reducing action such as a reducing agent that generates hydrogen such as sodium borohydride or dimethylamine borane.

ヒドロキシカルボン酸(例えば、グリコール酸、グルコン酸、クエン酸、リンゴ酸、酒石酸など)及びアスコルビン酸は、Fe化合物を溶解させるだけでなく、遷移金属イオン(例えば、Fe2+イオン)と錯イオンを形成しやすい。そのため、酸性下で水に易溶である鉄イオンを効果的に除去できる。また、鉄の酸化物等の難溶性化合物を溶解できる。さらに、アスコルビン酸には、Fe3+をFe2+に還元する作用がある。
ヒドロキシカルボン酸及びアスコルビン酸は、万一残留したとしても腐食性は無機酸より弱い。また、これらは、過酸化水素と反応して最終的には無害のCO2とH2Oになり、電解質を保護する犠牲剤として働く。さらに、これらは、電極被毒のおそれも塩酸や硫酸に比べて格段に小さい。
なお、ヒドロキシカルボン酸及びアスコルビン酸は、酸としての解離度が相対的に小さいので、これら単独では電解質をH+体に戻すことが困難な場合がある。その場合には、酸としての解離度が大きい酸と併用するのが好ましい。特に、ヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸をギ酸と併用すると、ヒドロキシカルボン酸及びアスコルビン酸は、いずれも酸としてよりもむしろ還元剤として作用する。そのため、Feイオンを効率的に除去することができる。
Hydroxycarboxylic acids (eg, glycolic acid, gluconic acid, citric acid, malic acid, tartaric acid, etc.) and ascorbic acid not only dissolve Fe compounds but also transition metal ions (eg, Fe 2+ ions) and complex ions. Easy to form. Therefore, iron ions that are readily soluble in water under acidic conditions can be effectively removed. Further, it is possible to dissolve hardly soluble compounds such as iron oxides. Furthermore, ascorbic acid has an action of reducing Fe 3+ to Fe 2+ .
Hydroxycarboxylic acid and ascorbic acid are less corrosive than inorganic acids even if they remain. They also react with hydrogen peroxide to eventually become harmless CO 2 and H 2 O, which act as sacrificial agents that protect the electrolyte. Furthermore, they are much less susceptible to electrode poisoning than hydrochloric acid or sulfuric acid.
Since hydroxycarboxylic acid and ascorbic acid have a relatively low degree of dissociation as an acid, it may be difficult to return the electrolyte to an H + form alone. In that case, it is preferable to use in combination with an acid having a high degree of dissociation as an acid. In particular, when hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid is used in combination with formic acid, both hydroxycarboxylic acid and ascorbic acid act as reducing agents rather than acids. Therefore, Fe ions can be removed efficiently.

[B.3. ヘテロポリ酸]
ヘテロポリ酸とは、Mo、W、又は、Vを中心元素Mとする酸素酸アニオンと、P、Si、Ge、Ti、Zr、Sn、Ce、又は、Thを中心元素Xとする酸素酸アニオンとが結合した多元素のポリアニオンをいい、ポリオキソメタレートと総称される。これらは、一般に多量の水を水和していることが多く、ポリアニオンの分子量は、800以上になる場合がある。
[B. 3. Heteropoly acid]
The heteropolyacid is an oxyacid anion having Mo, W, or V as a central element M, an oxyacid anion having P, Si, Ge, Ti, Zr, Sn, Ce, or Th as a central element X, and Is a multi-element polyanion in which is bonded, and is collectively called polyoxometalate. These generally generally hydrate a large amount of water, and the molecular weight of the polyanion may be 800 or more.

例えば、酸素が40個結合したヘテロポリ酸イオンは、Xを中心元素、Mをポリ酸を構成する原子とすると、M=Mo、X=P5+、As5+、Si4+、Ge4+、Ti4+、Zr4+、Sn4+の時、アニオン構造として[Xn+1240]-10+nを取る。
X=Ce4+、Th4+、Sn4+では、アニオン構造として[Xn+1240]-12+nを取る。
X:M=1:11であり、X=P5+、As5+、Fe3+、Ce4+では、アニオン構造として[Xn+1139]-12+nを取る。
X:M=1:10であり、X=P5+、As5+、Pt4+では、アニオン構造として[Xn+10x]-2x+60+nを取る。
X:M=1:9であり、X=Mn4+、Co4+、Ni4+では、アニオン構造として[Xn+932]-10+nを取る。
X:M=2:18であり、X=P5+、As5+では、アニオン構造として[X2 n+1856]-16+2nを取る。
X:M=2:17であり、X=P5+、As5+では、アニオン構造として[X2 n+17x]-2x+10+2nを取る。
X:M=2:12であり、X=Co3+、Al3+、Cr3+、Fe3+、Rh3+では、アニオン構造として[X2 n+1242]-12+2nを取る。
X:M=1:6であり、X=Ni2+、Co2+、Mn2+、Cu2+、Se4+、P3+、As3+、P5+では、アニオン構造として[Xn+6x]-2x+36+nを取る。
For example, in a heteropolyacid ion in which 40 oxygen atoms are bonded, when X is a central element and M is an atom constituting a polyacid, M = Mo, X = P 5+ , As 5+ , Si 4+ , Ge 4+ , Ti 4+ , Zr 4+ and Sn 4+ take [X n + M 12 O 40 ] −10 + n as the anion structure.
In X = Ce 4+ , Th 4+ and Sn 4+ , [X n + M 12 O 40 ] -12 + n is taken as the anion structure.
X: M = 1: 11, and X = P 5+ , As 5+ , Fe 3+ , Ce 4+ takes [X n + M 11 O 39 ] -12 + n as the anion structure.
X: M = 1: 10, and X = P 5+ , As 5+ , Pt 4+ takes [X n + M 10 O x ] −2x + 60 + n as the anion structure.
X: M = 1: 9, and X = Mn 4+ , Co 4+ , and Ni 4+ take [X n + M 9 O 32 ] −10 + n as the anion structure.
X: M = 2: 18, and X = P 5+ and As 5+ take [X 2 n + M 18 O 56 ] -16 + 2n as the anion structure.
X: M = 2: 17, and X = P 5+ and As 5+ take [X 2 n + M 17 O x ] −2x + 10 + 2n as the anion structure.
X: M = 2: 12, and in X = Co 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Rh 3+ , [X 2 n + M 12 O 42 ] -12 + 2n is used as the anion structure. take.
X: M = 1: 6, and X = Ni 2+ , Co 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ , Se 4+ , P 3+ , As 3+ , P 5+ , [X n + M 6 O x ] -2x + 36 + n .

これらの中でも、X:M=1:12では、熱的に安定ないわゆるケギン構造([Xn+1240]-8+n)が代表的なものである。例えば、水和水を除外して表すと、H4SiW1240(けいタングステン酸)、H3PW1240(りんタングステン酸)、H4SiMo1240(けいモリブデン酸)、H3PMo1240(りんモリブデン酸)が挙げられる。
また、これらのW、Moの一部がVで置換された複合ヘテロポリ酸(例えば、H3PMo12-xx40、H3PW12-xx40等)も知られている。
さらに、これらの酸は、プロトン、タングステン又はモリブデンの一部が1価カチオン、2価カチオン、又は遷移金属カチオンと置換し、塩を形成することが知られている。
また、ケギン構造とは別のポリアニオンであるドーソン構造([X21262]n-)のようなサンドイッチ構造イオンや、アンダーソン構造のイソポリアニオンMo724 6-をベースにしたヘテロポリアニオンCo(III)Mo6246 3-、及びNi(II)Mo6246 4-等も比較的安定な遷移金属元素を含んだヘテロポリアニオンとして知られている。
Among these, when X: M = 1: 12, a thermally stable so-called Keggin structure ([X n + M 12 O 40 ] −8 + n ) is representative. For example, when excluding hydration water, H 4 SiW 12 O 40 (silicotungstic acid), H 3 PW 12 O 40 (phosphotungstic acid), H 4 SiMo 12 O 40 (silicomolybdic acid), H 3 PMo 12 O 40 (phosphomolybdic acid) may be mentioned.
In addition, composite heteropolyacids (for example, H 3 PMo 12-x V x O 40 , H 3 PW 12-x V x O 40, etc.) in which some of these W and Mo are substituted with V are also known. .
Furthermore, these acids are known to form a salt by substituting a part of proton, tungsten or molybdenum with a monovalent cation, a divalent cation or a transition metal cation.
Heteropolyanions based on sandwich structure ions such as the Dawson structure ([X 2 M 12 O 62 ] n- ), which is a polyanion different from the Keggin structure, and the isopolyanion Mo 7 O 24 6- of the Anderson structure Co (III) Mo 6 O 24 H 6 3− , Ni (II) Mo 6 O 24 H 6 4− and the like are also known as heteropolyanions containing a relatively stable transition metal element.

これらヘテロポリ酸は、種々のカチオンとプロトンとが交換(配位)し、そのカチオンはフリーの状態とは異なり、安定化される。例えば、フェントン活性のあるFe2+、Cu2+、Pd2+等の遷移金属イオンは、ヘテロポリアニオンとの共存でフェントン活性が失活する。従って、遷移金属で汚染された電解質(例えば、遷移金属の重合触媒残渣がある電解質)であっても、電解質の過酸化水素耐性を大きくすることが可能である。
これらヘテロポリ酸で電解質を洗浄した場合、ヘテロポリ酸アニオンは、遷移金属イオンと難溶性の塩を形成し、あるいはヘテロポリ酸のまま電解質に一部残留し、過酸化水素耐性の向上に寄与すると考えられる。
In these heteropolyacids, various cations and protons are exchanged (coordinated), and the cations are stabilized unlike the free state. For example, transition metal ions such as Fe 2+ , Cu 2+ , and Pd 2+ having Fenton activity deactivate Fenton activity in the presence of a heteropolyanion. Accordingly, even an electrolyte contaminated with a transition metal (for example, an electrolyte having a transition metal polymerization catalyst residue) can increase the hydrogen peroxide resistance of the electrolyte.
When the electrolyte is washed with these heteropolyacids, the heteropolyacid anion forms a sparingly soluble salt with the transition metal ion, or remains in the electrolyte as a heteropolyacid and contributes to the improvement of hydrogen peroxide resistance. .

[B.4. 酸洗条件]
酸洗は、可溶性鉄イオンの濃度が10ppm以下となるような条件下で行う。
例えば、酸がギ酸、ヒドロキシカルボン酸、又はアスコルビン酸である場合、酸の濃度は、0.05〜1M/Lが好ましい。酸の濃度が低すぎると、pHが高くなり、鉄イオン等の不純物イオンの除去が困難となる。一方、酸の濃度が高すぎると、薬液コストが高くなり、すすぎに要する純水の量も増えるので、経済的ではない。
[B. 4). Pickling conditions]
The pickling is performed under conditions such that the concentration of soluble iron ions is 10 ppm or less.
For example, when the acid is formic acid, hydroxycarboxylic acid, or ascorbic acid, the acid concentration is preferably 0.05 to 1 M / L. If the acid concentration is too low, the pH will be high and it will be difficult to remove impurity ions such as iron ions. On the other hand, if the acid concentration is too high, the cost of the chemical solution increases and the amount of pure water required for rinsing increases, which is not economical.

また、例えば、酸がギ酸とヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸との混酸である場合、ギ酸とヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸とのモル濃度比は、1:0.1〜1:2が好ましく、特に、1:1が好ましい。ヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸の濃度が低すぎると、Fe2+イオンのキレート作用が見られない。一方、ヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸の濃度が高すぎると、pHが高くなり、Fe2+イオンの除去能力が低下する。 For example, when the acid is a mixed acid of formic acid and hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid, the molar concentration ratio of formic acid and hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid is preferably 1: 0.1 to 1: 2, 1: 1 is preferred. When the concentration of hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid is too low, the chelating action of Fe 2+ ions is not observed. On the other hand, if the concentration of hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid is too high, the pH becomes high and the ability to remove Fe 2+ ions decreases.

また、例えば、酸がヘテロポリ酸である場合、酸の濃度は、0.01〜10g/Lが好ましい。酸の濃度が低すぎると、pHが高くなり、鉄イオン等の不純物イオンの除去が困難となる。一方、酸の濃度が高すぎると、薬液コストが高くなり、すすぎに要する純水の量も増えるので、経済的ではない。また、ヘテロポリ酸は、若干の酸化触媒作用を有しているため、すすぎで除去できずに残留したヘテロポリ酸が電解質(特に、炭化水素系電解質)を酸化劣化させることがある。そのため、高濃度での洗浄は薦められない。   For example, when the acid is a heteropolyacid, the acid concentration is preferably 0.01 to 10 g / L. If the acid concentration is too low, the pH will be high and it will be difficult to remove impurity ions such as iron ions. On the other hand, if the acid concentration is too high, the cost of the chemical solution increases and the amount of pure water required for rinsing increases, which is not economical. In addition, since the heteropolyacid has a slight oxidation catalytic action, the remaining heteropolyacid that cannot be removed by rinsing may oxidize and degrade the electrolyte (particularly, the hydrocarbon electrolyte). Therefore, cleaning at a high concentration is not recommended.

酸洗の温度は40℃以上、時間は30分以上かけることが好ましい。必要に応じて、膜内部まで酸を浸透させるために、超音波を照射しても良い。酸洗後に温純水で十分すすいで、水溶性のイオン性成分を除去することが好ましい。   The pickling temperature is preferably 40 ° C. or higher, and the time is preferably 30 minutes or longer. If necessary, ultrasonic waves may be irradiated to allow the acid to penetrate into the membrane. It is preferable to rinse with warm pure water after pickling to remove water-soluble ionic components.

[C. 脱脂工程]
還元処理を行う前に、有機物汚れを除去するために、MEAやその構成要素の脱脂を行っても良い。脱脂方法としては、
(1)アルカリ水溶液(例えば、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウムなど。以下同じ。)にMEAやその構成要素を浸漬する方法、
(2)MEAやその構成要素にアルカリ水溶液をスプレーする方法、
(3)アルカリ水溶液中においてMEAやその構成要素を電解脱脂する方法、
などがある。
[C. Degreasing process]
Prior to the reduction treatment, MEA and its constituent elements may be degreased in order to remove organic contaminants. As a degreasing method,
(1) A method of immersing MEA and its components in an aqueous alkali solution (for example, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, sodium hydroxide, sodium silicate, etc.).
(2) A method of spraying an alkaline aqueous solution onto MEA and its constituent elements,
(3) A method of electrolytically degreasing MEA and its components in an aqueous alkaline solution,
and so on.

[2.1.2.2. 第2の具体例]
還元・酸洗工程の第2の具体例は、MEA又は触媒層、拡散層などの電子伝導性がある構成要素を酸水溶液中に浸漬し、MEA又はその構成要素を水素発生電位よりも卑な電位に保ち、水素を発生させながら通電する方法(電解還元処理法)である。この方法により、還元と同時に酸洗を行うことができる。
[2.1.2.2. Second specific example]
In the second specific example of the reduction / pickling step, MEA or a component having electron conductivity such as a catalyst layer or a diffusion layer is immersed in an acid aqueous solution, and the MEA or the component is lower than the hydrogen generation potential. This is a method (electrolytic reduction treatment method) in which electricity is supplied while maintaining a potential and generating hydrogen. By this method, pickling can be performed simultaneously with the reduction.

[A. 電解還元処理]
[A.1. 電解還元処理溶液]
電解還元処理に用いられる酸水溶液(電解還元処理溶液)は、電解還元処理によって可溶化したFe化合物を溶解し、あるいはFeイオンを無害化することが可能な酸を含む水溶液であれば良い。
電解還元処理溶液に含まれる酸としては、具体的には、
(1)塩酸、硝酸、リン酸、過塩素酸、硫酸などの無機酸、
(2)ギ酸、ヒドロキシカルボン酸、アスコルビン酸などの有機酸、
(3)ヘテロポリ酸、
などがある。これらは、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
[A. Electrolytic reduction treatment]
[A. 1. Electrolytic reduction solution]
The acid aqueous solution (electrolytic reduction treatment solution) used for the electrolytic reduction treatment may be an aqueous solution containing an acid capable of dissolving the Fe compound solubilized by the electrolytic reduction treatment or detoxifying Fe ions.
Specifically, as the acid contained in the electrolytic reduction treatment solution,
(1) Inorganic acids such as hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, perchloric acid, sulfuric acid,
(2) organic acids such as formic acid, hydroxycarboxylic acid, ascorbic acid,
(3) heteropolyacid,
and so on. Any one of these may be used, or two or more may be used in combination.

これらの中でも、電解還元処理溶液に含まれる酸としては、
(1)ギ酸、ヒドロキシカルボン酸、アスコルビン酸、ヘテロポリ酸、
(2)ギ酸とヒドロキシカルボン酸の混合物、ギ酸とアスコルビン酸の混合物、
などが好適である。
酸に関するその他の点は、第1の具体例と同様であるので、説明を省略する。
Among these, as an acid contained in the electrolytic reduction treatment solution,
(1) formic acid, hydroxycarboxylic acid, ascorbic acid, heteropolyacid,
(2) a mixture of formic acid and hydroxycarboxylic acid, a mixture of formic acid and ascorbic acid,
Etc. are suitable.
Since the other points regarding the acid are the same as in the first specific example, description thereof is omitted.

[A.2. 電解条件]
電解は、可溶性鉄イオンの濃度が10ppm以下となるような条件下で行う。
電解還元時の浴温度は、60℃以上が好ましい。電流密度は、水素ガスの発生を目視で十分に確認できるように、0.01A/cm2以上とするのが好ましい。
被処理物(作用極、陰極)は、PtやTiからなる不溶性のメッシュで挟んでリードを取るのが好ましい。対極(陽極)は、不溶性陽極としてのPt、Au、C、フェライト等を用いても良く、あるいは、被処理物を用いても良い。
電解還元処理は、被処理物を常時陰極として用いて行っても良く、あるいは、適宜極性を反転させる、いわゆるPR電解処理を行っても良い。特に、対極に被処理物を用いてPR電解を行うと、一度に2つの被処理物を還元及び酸洗できるという利点がある。
[A. 2. Electrolysis conditions]
Electrolysis is performed under conditions such that the concentration of soluble iron ions is 10 ppm or less.
The bath temperature during electrolytic reduction is preferably 60 ° C. or higher. The current density is preferably 0.01 A / cm 2 or more so that generation of hydrogen gas can be sufficiently confirmed visually.
The object to be processed (working electrode, cathode) is preferably sandwiched between insoluble meshes made of Pt or Ti and leads are taken. For the counter electrode (anode), Pt, Au, C, ferrite, or the like as an insoluble anode may be used, or an object to be processed may be used.
The electrolytic reduction treatment may be performed using the object to be treated as the cathode at all times, or so-called PR electrolytic treatment in which the polarity is appropriately reversed. In particular, when PR electrolysis is performed using an object to be processed as a counter electrode, there is an advantage that two objects to be processed can be reduced and pickled at a time.

[B. 脱脂工程]
電解還元処理を行う前に、MEA又はその構成要素の脱脂を行っても良い。脱脂工程の詳細は、第1の具体例と同様であるので、説明を省略する。
[B. Degreasing process]
Before performing the electrolytic reduction treatment, the MEA or a component thereof may be degreased. The details of the degreasing step are the same as those of the first specific example, and thus the description thereof is omitted.

[2.1.2.3. 第3の具体例]
還元・酸洗工程の第3の具体例は、
膜電極接合体又はその構成要素を液相中で還元する還元工程と、
膜電極接合体又はその構成要素を酸洗する酸洗工程と、
を備えている。
[2.1.2.3. Third specific example]
A third specific example of the reduction / pickling process is:
A reduction step of reducing the membrane electrode assembly or a component thereof in a liquid phase;
Pickling step of pickling the membrane electrode assembly or its components;
It has.

[A. 還元工程]
[A.1. 還元剤溶液]
液相中での還元は、還元剤溶液を用いて行う。還元剤溶液には、具体的には以下のようなものがある。
還元剤溶液の第1の具体例は、水に水素ガスを飽和させた水素ガス飽和水溶液である。水素ガス飽和水溶液は、例えば、
(1)純水に水素ガスをバブリングする方法、
(2)純水の電気分解を行い、カソード側から発生する水素を飽和したカソード水を用いる方法、
などにより製造することができる。
[A. Reduction process]
[A. 1. Reducing agent solution]
Reduction in the liquid phase is performed using a reducing agent solution. Specific examples of the reducing agent solution include the following.
A first specific example of the reducing agent solution is a hydrogen gas saturated aqueous solution in which hydrogen gas is saturated with water. Hydrogen gas saturated aqueous solution is, for example,
(1) A method of bubbling hydrogen gas into pure water,
(2) A method of using cathode water saturated with hydrogen generated from the cathode side by electrolyzing pure water;
Etc. can be manufactured.

還元剤溶液の第2の具体例は、水素を発生させる還元剤を溶解させた還元性水溶液である。水素を発生させる還元剤としては、水素化ホウ素化合物がある。水素化ホウ素化合物は、水に溶けて分解して水素ガスを発生する。
水素化ホウ素化合物は、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウムなどの無機水素化ホウ素化合物であっても良く、あるいは、ジメチルアミンボラン、シアノメチルアミンボランなどの有機水素化ホウ素化合物でも良い。これらの中でも、水素化ホウ素ナトリウム及びジメチルアミンボランは、いずれも大気中でも比較的安定であり、水との反応も穏やかであるため、還元剤として特に好ましい。
水素化ホウ素化合物は、ヒドリドイオン(BH4 -)の存在により、水素ガス飽和水溶液よりもさらに還元電位の卑な状態に保つことができる。そのため、単にH2ガスを接触させた場合よりも、MEA又はその構成要素に含まれるFe3+のFe2+への還元をスムーズに行うことができる。
A second specific example of the reducing agent solution is a reducing aqueous solution in which a reducing agent that generates hydrogen is dissolved. As a reducing agent for generating hydrogen, there is a borohydride compound. Boron hydride compounds dissolve in water and decompose to generate hydrogen gas.
The borohydride compound may be an inorganic borohydride compound such as lithium borohydride, sodium borohydride, or potassium borohydride, or an organic borohydride compound such as dimethylamine borane or cyanomethylamine borane. But it ’s okay. Among these, sodium borohydride and dimethylamine borane are both particularly preferable as a reducing agent because they are both relatively stable in the air and have a mild reaction with water.
The borohydride compound can be kept in a lower state of reduction potential than the saturated aqueous solution of hydrogen gas due to the presence of hydride ions (BH 4 ). Therefore, the reduction of Fe 3+ contained in MEA or its constituent elements to Fe 2+ can be performed more smoothly than when H 2 gas is simply contacted.

[A.2. 還元条件]
還元は、可溶性鉄イオンの濃度が10ppm以下となるような条件下で行う。
還元剤溶液とMEA又はその構成要素との接触は、浸漬、スプレー、スピンコートなどの方法により行うことができる。この方法は、通電不可能な構成要素(例えば、電解質膜)に含まれるFeイオンを除去するのに有効である。
還元剤溶液が水素ガス飽和水溶液である場合、その処理温度及び処理時間は、Fe3+イオンがFe2+イオンに十分還元される温度及び時間であれば良い。
[A. 2. Reduction conditions]
The reduction is performed under conditions such that the concentration of soluble iron ions is 10 ppm or less.
The contact between the reducing agent solution and the MEA or a component thereof can be performed by a method such as dipping, spraying or spin coating. This method is effective for removing Fe ions contained in components that cannot be energized (for example, electrolyte membrane).
When the reducing agent solution is a hydrogen gas saturated aqueous solution, the treatment temperature and treatment time may be any temperature and time at which Fe 3+ ions are sufficiently reduced to Fe 2+ ions.

水素化ホウ素化合物を溶解させた還元性水溶液を用いて触媒層又はMEAを処理する場合、比表面積の大きな電極触媒により水素化ホウ素化合物が分解し、発熱とH2ガス発生が著しい。そのため、水素化ホウ素化合物の濃厚溶液で処理することは危険である。
水素化ホウ素化合物の濃度は、0.1モル/L以下が好ましく、さらに好ましくは0.01〜0.5モル/Lである。また、水素化ホウ素化合物に加えて、NaOH、KOH、NH3等のアルカリを加え、pHを10以上に調製すると、処理溶液の還元力が高まり、処理時間を短縮することができる。
When the catalyst layer or MEA is treated using a reducing aqueous solution in which a borohydride compound is dissolved, the borohydride compound is decomposed by an electrode catalyst having a large specific surface area, and heat generation and H 2 gas generation are remarkable. Therefore, it is dangerous to treat with a concentrated solution of borohydride compound.
The concentration of the borohydride compound is preferably 0.1 mol / L or less, more preferably 0.01 to 0.5 mol / L. In addition to boron hydride compound, NaOH, KOH, adding an alkali such as NH 3, when the pH is adjusted to 10 or higher, the reducing power of the treatment solution is increased, it is possible to shorten the processing time.

水素化ホウ素化合物を溶解させた還元性水溶液への浸漬時間は5〜30分、温度は室温〜90℃で十分である。室温では、還元反応速度が遅く、長時間を要する。90℃を超える高温では還元反応速度が速くなるものの、処理溶液の蒸発量が多くなり、プロセス制御がしづらいために、コストアップになりやすい。標準的な処理条件は、例えば、80℃で1hrである。   It is sufficient that the immersion time in the reducing aqueous solution in which the borohydride compound is dissolved is 5 to 30 minutes and the temperature is room temperature to 90 ° C. At room temperature, the reduction reaction rate is slow and requires a long time. Although the reduction reaction rate increases at a high temperature exceeding 90 ° C., the amount of evaporation of the treatment solution increases, and it is difficult to control the process, which tends to increase the cost. Standard processing conditions are, for example, 1 hr at 80 ° C.

[B. 酸洗工程]
還元処理後、MEA又はその構成要素の酸洗処理を行う。酸洗工程の詳細は、第1の具体例と同様であるので、説明を省略する。
なお、水素化ホウ素化合物を用いてMEA又はその構成要素を還元処理した後、酸洗を行う場合、酸洗の際に、水素化ホウ素化合物によって電解質に導入されたカチオンが100%プロトンに置き換わらなくても良い。残留したアンモニウム、ナトリウム、カリウム等のカチオンは、過酸化水素の分解触媒として働き、酸基を安定化することができるためである。また、アンモニウム、Na+、K+等の安価なイオンであれば大量に使用しても問題ないが、高価であるが特に効果的なイオン(例えば、Cs+、ホスホニウムイオン)を導入する場合には、アンモニウム等のイオンを酸洗により取り除いた後、Cs+等のイオンを後で微量添加することが経済的である。
[B. Pickling process]
After the reduction treatment, pickling treatment of MEA or its constituents is performed. The details of the pickling process are the same as those in the first specific example, and thus the description thereof is omitted.
In addition, when pickling after performing reduction processing of MEA or its component using a borohydride compound, the cation introduced into the electrolyte by the borohydride compound is replaced with 100% protons during pickling. It is not necessary. This is because the remaining cations such as ammonium, sodium and potassium act as a decomposition catalyst for hydrogen peroxide and can stabilize the acid group. Also, it is possible to use a large amount of ions such as ammonium, Na + , K +, etc., but there is no problem. However, when an expensive but particularly effective ion (for example, Cs + , phosphonium ion) is introduced. It is economical to remove a small amount of ions such as Cs + after removing ions such as ammonium by pickling.

[C. 脱脂工程]
還元剤溶液による還元処理前に、MEA又はその構成要素脱脂を行っても良い。脱脂工程の詳細は、第1の具体例と同様であるので、説明を省略する。
なお、アルカリ性の還元剤溶液(例えば、水素化ホウ素化合物の水溶液)を用いて還元処理する場合、脱脂と還元が同時に行われるので、必ずしも前もって脱脂処理をする必要はない。
[C. Degreasing process]
You may degrease MEA or its component before the reduction process by a reducing agent solution. The details of the degreasing step are the same as those of the first specific example, and thus the description thereof is omitted.
In addition, when reducing using an alkaline reducing agent solution (for example, an aqueous solution of a borohydride compound), degreasing and reduction are performed at the same time. Therefore, it is not always necessary to degrease in advance.

[2.1.2.4. 第4の具体例]
還元・酸洗工程の第4の具体例は、酸性の還元剤溶液を用いて膜電極接合体又はその構成要素の還元と同時に酸洗を行う方法である。
[2.1.2.4. Fourth Specific Example]
The fourth specific example of the reduction / pickling step is a method of pickling simultaneously with the reduction of the membrane electrode assembly or its constituent elements using an acidic reducing agent solution.

[A. 還元酸洗工程]
[A.1 還元剤溶液]
還元処理に用いられる酸性の還元剤溶液としては、
(1)酸水溶液に水素ガスをバブリングさせた酸性の水素ガス飽和水溶液、
(2)ギ酸等の酸性溶液を2室あるいは3室の電解槽で電解することにより得られる水素飽和の電解カソード水、
(3)相対的に解離度の高い強酸(例えば、ギ酸など)と、キレート作用がある相対的に解離度の低い弱酸(例えば、ヒドロキシカルボン酸、アスコルビン酸、ヘテロポリ酸など)との混合物、
などがある。
酸に関するその他の点については、第1の具体例と同様であるので、説明を省略する。
[A. Reduction pickling process]
[A. 1 Reducing agent solution]
As an acidic reducing agent solution used for the reduction treatment,
(1) an acidic hydrogen gas saturated aqueous solution in which hydrogen gas is bubbled into an acid aqueous solution,
(2) Hydrogen-saturated electrolytic cathodic water obtained by electrolyzing an acidic solution such as formic acid in a two-chamber or three-chamber electrolytic cell;
(3) A mixture of a strong acid (eg, formic acid) having a relatively high degree of dissociation and a weak acid (eg, hydroxycarboxylic acid, ascorbic acid, heteropolyacid, etc.) having a chelating action and a relatively low degree of dissociation,
and so on.
The other points regarding the acid are the same as in the first specific example, and thus the description thereof is omitted.

[A.2 還元酸洗条件]
還元酸洗は、可溶性鉄イオンの濃度が10ppm以下となるような条件下で行う。
還元剤溶液とMEA又はその構成要素との接触は、浸漬、スプレー、スピンコートなどの方法により行うことができる。この方法は、通電不可能な構成要素(例えば、電解質膜)に含まれるFeイオンを除去するのに有効である。
還元剤溶液が酸性の水素ガス飽和水溶液である場合、その処理温度及び処理時間は、
Fe3+イオンがFe2+イオンに十分還元される温度及び時間であれば良い。
[A. 2 Reducing pickling conditions]
The reduction pickling is performed under conditions such that the concentration of soluble iron ions is 10 ppm or less.
The contact between the reducing agent solution and the MEA or a component thereof can be performed by a method such as dipping, spraying or spin coating. This method is effective for removing Fe ions contained in components that cannot be energized (for example, electrolyte membrane).
When the reducing agent solution is an acidic hydrogen gas saturated aqueous solution, the treatment temperature and treatment time are:
Any temperature and time may be sufficient as long as the Fe 3+ ions are sufficiently reduced to Fe 2+ ions.

また、例えば、還元剤溶液に含まれる酸がギ酸とヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸との混酸である場合、ギ酸とヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸とのモル濃度比は、1:0.1〜1:2が好ましく、特に、1:1が好ましい。ヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸の濃度が低すぎると、Fe2+イオンのキレート作用が見られない。一方、ヒドロキシカルボン酸又はアスコルビン酸の濃度が高すぎると、pHが高くなり、
Fe2+イオンの除去能力が低下する。
For example, when the acid contained in the reducing agent solution is a mixed acid of formic acid and hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid, the molar concentration ratio of formic acid and hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid is 1: 0.1 to 1: 2 is preferable, and 1: 1 is particularly preferable. When the concentration of hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid is too low, the chelating action of Fe 2+ ions is not observed. On the other hand, if the concentration of hydroxycarboxylic acid or ascorbic acid is too high, the pH will be high,
The ability to remove Fe 2+ ions decreases.

また、例えば、還元剤溶液にヘテロポリ酸が含まれる場合、ヘテロポリ酸の濃度は、0.01〜10g/Lが好ましい。ヘテロポリ酸の濃度が低すぎると、十分なキレート効果が得られない。一方、ヘテロポリ酸の濃度が高すぎると、薬液コストが高くなり、すすぎに要する純水の量も増えるので、経済的ではない。また、ヘテロポリ酸は、若干の酸化触媒作用を有しているため、すすぎで除去できずに残留したヘテロポリ酸が電解質(特に、炭化水素系電解質)を酸化劣化させることがある。そのため、高濃度での洗浄は薦められない。   For example, when the reducing agent solution contains a heteropolyacid, the concentration of the heteropolyacid is preferably 0.01 to 10 g / L. If the concentration of the heteropolyacid is too low, a sufficient chelating effect cannot be obtained. On the other hand, if the concentration of the heteropolyacid is too high, the cost of the chemical solution increases and the amount of pure water required for rinsing increases, which is not economical. In addition, since the heteropolyacid has a slight oxidation catalytic action, the remaining heteropolyacid that cannot be removed by rinsing may oxidize and degrade the electrolyte (particularly, the hydrocarbon electrolyte). Therefore, cleaning at a high concentration is not recommended.

還元処理の温度は40℃以上、時間は30分以上かけることが好ましい。必要に応じて、膜内部まで還元剤溶液を浸透させるために、超音波を照射しても良い。還元処理後に温純水で十分すすいで、水溶性のイオン性成分を除去することが好ましい。   The temperature of the reduction treatment is preferably 40 ° C. or higher and the time is preferably 30 minutes or longer. If necessary, ultrasonic waves may be irradiated to allow the reducing agent solution to penetrate into the membrane. It is preferable that the water-soluble ionic component is removed by sufficiently rinsing with warm pure water after the reduction treatment.

[B. 脱脂工程]
還元剤溶液による還元処理前に、MEA又はその構成要素脱脂を行っても良い。脱脂工程の詳細は、第1の具体例と同様であるので、説明を省略する。
[B. Degreasing process]
You may degrease MEA or its component before the reduction process by a reducing agent solution. The details of the degreasing step are the same as those of the first specific example, and thus the description thereof is omitted.

[2.2. イオン導入工程]
イオン導入工程は、膜電極接合体に含まれる過酸化水素耐性を改善する作用を持つプロトン以外のイオンの量が電解質の酸基割合に換算して0.5〜5%となるように、膜電極接合体又はその構成要素にプロトン以外のイオンを導入する工程である。
[2.2. Ion introduction process]
The ion introduction step is performed so that the amount of ions other than protons having an effect of improving hydrogen peroxide resistance contained in the membrane electrode assembly is 0.5 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte. In this step, ions other than protons are introduced into the electrode assembly or its constituent elements.

[2.2.1. 導入方法]
最終的にMEAに含まれるイオンの量が所定量になっていれば良いので、イオンの導入方法は、処理対象に応じて適宜選択することができる。還元酸洗が行われたMEA又はその構成要素にイオンを導入する方法には、具体的には、以下のような方法がある。
(1)還元酸洗が行われた電解質をアルコール等の溶媒に溶解させ、この溶液にさらにプロトン以外のイオンを含む化合物を溶解又は分散させ、この溶液を適当な基板(例えば、金属製容器、ガラス製容器、PTFEフィルム、PETフィルムなど)上にキャストして溶媒を除去するキャスト法。
(2)還元酸洗が行われた電解質にプロトン以外のイオンを含む化合物を加え、これを加熱溶融して混合し、押し出し成型機でフィルム成型する溶融押し出し法。
(3)還元酸洗が行われた電解質をアルコール等の溶媒に溶解させ、この溶液にさらに触媒が担持された導電性担体及びプロトン以外のイオンを含む化合物を加えて触媒ペーストとし、触媒ペーストを電解質膜表面にスプレー塗布するスプレー法。
(4)上記触媒ペーストを用いて、ドクターブレード法等によりPTFEフィルムやPETフィルムに転写シートを形成し、電解質膜と転写シートとをホットプレスにより接合する転写シート法。
(5)還元酸洗が行われたMEA又はその構成要素を、プロトン以外のイオンを含む化合物を溶解させた溶液に浸漬し、イオン交換するイオン交換法。
[2.2.1. Introduction method]
Since the amount of ions finally contained in the MEA only needs to be a predetermined amount, the ion introduction method can be appropriately selected according to the processing target. Specific examples of methods for introducing ions into MEA subjected to reductive pickling or components thereof include the following methods.
(1) The electrolyte that has been subjected to the reductive pickling is dissolved in a solvent such as alcohol, and a compound containing ions other than protons is further dissolved or dispersed in this solution, and this solution is dissolved in a suitable substrate (for example, a metal container, A casting method in which a solvent is removed by casting on a glass container, PTFE film, PET film or the like.
(2) A melt-extrusion method in which a compound containing ions other than protons is added to an electrolyte that has been subjected to reductive pickling, and this is heated and melted and mixed, and film-molded with an extruder.
(3) The electrolyte that has been subjected to the reductive pickling is dissolved in a solvent such as alcohol, and a conductive carrier carrying a catalyst and a compound containing ions other than protons are further added to the solution to form a catalyst paste. A spray method in which the surface of the electrolyte membrane is sprayed.
(4) A transfer sheet method in which a transfer sheet is formed on a PTFE film or PET film by the doctor blade method or the like using the catalyst paste, and the electrolyte membrane and the transfer sheet are joined by hot pressing.
(5) An ion exchange method in which MEA subjected to reductive pickling or a component thereof is immersed in a solution in which a compound containing ions other than protons is dissolved, and ion exchange is performed.

ホスホニウム化合物や含窒素陽イオンを含む化合物は、分子量が大きくなると水に不溶となるものがあり、アルコール等の有機溶媒への溶解度も小さくなる。このような場合には、分子量の大きなこれらの化合物と還元酸洗が行われた電解質とを機械的に均一に混合する方法を用いるのが好ましい。
一方、プロトン以外のイオンを含む化合物が溶媒に可溶である場合には、これら化合物を一旦、水やアルコール等の溶媒に溶解した後、その溶液に電解質を溶解させるか、あるいは、その溶液に電解質膜、触媒層又はMEAを浸漬してイオン交換するのが好ましい。これらの方法は、プロトン以外のイオンを含む化合物を単に機械的に混合する方法比べて、イオンが電解質の酸基と相互作用を持って強固に結合する。そのため、生成水や加湿水によってMEAの系外に持ち出され難いので、機械的に混合する方法に比べて、少量でも長期間の耐久性を確保できる。
Some phosphonium compounds and compounds containing nitrogen-containing cations become insoluble in water as the molecular weight increases, and the solubility in alcohols and other organic solvents also decreases. In such a case, it is preferable to use a method of mechanically and uniformly mixing these compounds having a large molecular weight and the electrolyte subjected to the reduction pickling.
On the other hand, when compounds containing ions other than protons are soluble in a solvent, these compounds are once dissolved in a solvent such as water or alcohol, and then the electrolyte is dissolved in the solution or the compound is dissolved in the solution. It is preferable to perform ion exchange by immersing the electrolyte membrane, the catalyst layer, or the MEA. In these methods, compared to a method in which a compound containing ions other than protons is merely mechanically mixed, the ions are strongly bonded to each other by interacting with an acid group of the electrolyte. Therefore, since it is difficult to take out of the MEA by generated water or humidified water, long-term durability can be ensured even in a small amount as compared with the mechanical mixing method.

[2.2.2. イオン交換法]
イオン交換法について詳しく説明する。
イオン交換は、プロトン以外のイオンを含む溶液と電解質とを、浸漬、スプレー塗布等の方法を用いて接触させることにより行うことができる。溶媒は、これらの化合物を溶解できるものであればよい。溶媒は、特に、水、エタノール、イソプロパノールなどの極性溶媒が好ましい。
また、イオン交換に先立って、アルコール等の非水溶媒又は水と非水溶媒との混合溶媒に電解質を浸漬し、電解質を膨潤させた後でイオン交換を行うのが好ましい。イオン交換前に電解質を膨潤させると、電解質内部まで容易にイオン交換することができる。
また、水に難溶性の化合物は、一旦、エタノールやプロパノール等の非水溶媒に溶解した後、水に溶解するのが好ましい。このような方法により、水に難溶性の化合物であっても、均質な処理溶液を作製することができる。
[2.2.2. Ion exchange method]
The ion exchange method will be described in detail.
The ion exchange can be performed by bringing a solution containing ions other than protons into contact with an electrolyte using a method such as immersion or spray coating. The solvent should just be what can melt | dissolve these compounds. The solvent is particularly preferably a polar solvent such as water, ethanol or isopropanol.
Prior to ion exchange, it is preferable to perform ion exchange after the electrolyte is immersed in a nonaqueous solvent such as alcohol or a mixed solvent of water and a nonaqueous solvent to swell the electrolyte. If the electrolyte is swollen before the ion exchange, the inside of the electrolyte can be easily ion exchanged.
Moreover, it is preferable that the compound hardly soluble in water is once dissolved in a non-aqueous solvent such as ethanol or propanol and then dissolved in water. By such a method, a homogeneous treatment solution can be prepared even for a compound that is sparingly soluble in water.

溶液中には、電解質の酸基を部分的にイオン交換するのに必要な量の化合物を溶解させればよい。
溶液中のこれらの化合物の濃度は、1mM/L〜0.01M/Lの希薄溶液が好ましい。0.01M/Lを超える高濃度でイオン交換すると、100%近くのプロトンがイオン交換されてしまい、電解質のプロトン伝導性が失われることがあるので注意を要する。
What is necessary is just to melt | dissolve the compound of an amount required in order to carry out partial ion exchange of the acid group of electrolyte in a solution.
The concentration of these compounds in the solution is preferably a dilute solution of 1 mM / L to 0.01 M / L. When ion exchange is performed at a high concentration exceeding 0.01 M / L, protons of nearly 100% are ion-exchanged, and the proton conductivity of the electrolyte may be lost.

溶液のpHは、2以上が好ましい。pH2未満の酸性溶液においてのイオン交換では、プロトンの数が多すぎるために、電解質は酸体が安定となる。その結果、所望のイオンの導入が困難となる。
イオン交換処理に要する時間は、温度により異なる。例えば、室温の場合、電解質の酸基がこれらのイオンに100%近く交換されるためには、8時間以上を必要とする。一方、40℃以上の温度で加温すると、1〜4時間程度でイオン交換が進行する。従って、イオン交換は、加温して行うのが好ましい。
The pH of the solution is preferably 2 or more. In ion exchange in an acidic solution having a pH of less than 2, since the number of protons is too large, the acid body of the electrolyte becomes stable. As a result, it becomes difficult to introduce desired ions.
The time required for the ion exchange process varies depending on the temperature. For example, at room temperature, it takes 8 hours or more for the acid group of the electrolyte to be exchanged with these ions by nearly 100%. On the other hand, when heating is performed at a temperature of 40 ° C. or higher, ion exchange proceeds in about 1 to 4 hours. Therefore, it is preferable to perform ion exchange by heating.

微量イオンを電解質の酸基とイオン交換する場合は、処理液に含まれる対アニオンは少量であるため、電池性能を阻害することはなく、特に水洗を必要としない。
但し、電解質のプロトンの1%以上をイオン交換する場合には、対アニオンによる電極被毒が無視できないことや、凝縮水のイオン伝導度が増加し、配管等が腐食する恐れが生じる。このような高濃度のイオン交換を行う場合には、処理液との接触後、十分に水洗(加温水洗)して、余剰のアニオンを除去する事が好ましい。
When a small amount of ions are ion-exchanged with the acid group of the electrolyte, the amount of counter anion contained in the treatment liquid is small, so that the battery performance is not hindered and washing with water is not particularly required.
However, when ion exchange of 1% or more of the protons in the electrolyte is performed, electrode poisoning due to counter anions cannot be ignored, ion conductivity of condensed water increases, and piping may be corroded. When such high-concentration ion exchange is performed, it is preferable to remove excess anions by sufficiently washing with water (heating with water) after contact with the treatment liquid.

なお、処理溶液中にFe2+、Fe3+、Cu2+、Ru3+、Pd2+等の不純物金属イオンが混入している場合には、所望のイオンを高分子電解質(特に、炭化水素系電解質)内に導入すると、これら不純物金属イオンも同時にイオン交換されてしまい、電解質の過酸化水素に対する耐性を大幅に悪化させることがある。そのため、イオン交換に供する試薬中の不純物濃度及び処理容器からの金属イオンの溶け出しには、十分注意する必要がある。これらの金属イオンの処理溶液中の濃度許容値は、0.1ppm以下、好ましくは0.001ppm(10ppb)以下にすることが好ましい。
一方、アンモニウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン等のアルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンは、過酸化水素耐性を改善させるため、処理液中に不純物イオンとして数ppm程度(電解質の酸基の5%相当)まで含まれていても良い。
In addition, when impurity metal ions such as Fe 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ , Ru 3+ , and Pd 2+ are mixed in the treatment solution, the desired ions are converted into a polymer electrolyte (particularly, carbonized). When introduced into the hydrogen-based electrolyte), these impurity metal ions are also ion-exchanged at the same time, which may greatly deteriorate the resistance of the electrolyte to hydrogen peroxide. Therefore, it is necessary to pay sufficient attention to the impurity concentration in the reagent used for ion exchange and the dissolution of metal ions from the processing vessel. The allowable concentration of these metal ions in the treatment solution is 0.1 ppm or less, preferably 0.001 ppm (10 ppb) or less.
On the other hand, alkali metal ions and alkaline earth metal ions such as ammonium ion, sodium ion, magnesium ion, and calcium ion are about several ppm (impurity acid group of the electrolyte) as impurity ions in the treatment liquid in order to improve hydrogen peroxide resistance. Up to 5%).

[2.2.3. イオン導入量]
プロトン以外のイオンを化合物として添加する場合及びイオン交換により導入する場合のいずれにおいても、イオン導入量は、MEAに含まれる電解質の酸基割合に換算して0.5〜5%が好ましい。イオン導入量について、上述した通りであるので、詳細な説明を省略する。
[2.2.3. Ion introduction amount]
In any case where ions other than protons are added as a compound or introduced by ion exchange, the amount of ion introduction is preferably 0.5 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte contained in MEA. Since the ion introduction amount is as described above, a detailed description is omitted.

[3. 固体高分子型燃料電池及びその製造方法の作用]
Fe総含有量とは、MEA若しくはその構成要素、又はこれらを灰化したものを、王水中で煮沸処理して抽出される鉄イオンの総量をいう。耐久上問題となるのは、Fe総含有量ではなく、可溶性鉄イオンの濃度である。すなわち、Fe総含有量が10ppmを超えていたとしても、Feが難溶性の鉄化合物(例えば、リン酸鉄、タングステン酸鉄、酸化鉄(Fe−Ni−Cr−O等の複合酸化物を含む)等)の形に固定されていると、これらの鉄化合物は、過酸化水素をラジカル的に分解するフェントン活性を示さず、逆に過酸化水素を鉄化合物の表面で2H22→2H2O+O2と非ラジカル的に分解(イオン分解、接触分解)する。すなわち、過酸化水素が無害化されるため、高分子の劣化は抑制される。従って、Fe総含有量とMEAの耐久性には相関がない場合がある。
[3. Operation of polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same]
The total Fe content refers to the total amount of iron ions extracted by boiling the MEA or its constituents or those incinerated in aqua regia. The problem in terms of durability is not the total Fe content but the concentration of soluble iron ions. That is, even if the total Fe content exceeds 10 ppm, Fe is a poorly soluble iron compound (for example, iron oxide, iron tungstate, iron oxide (including complex oxides such as Fe—Ni—Cr—O)). ) Etc.), these iron compounds do not exhibit Fenton activity that radically decomposes hydrogen peroxide, and conversely, hydrogen peroxide is converted to 2H 2 O 2 → 2H on the surface of the iron compound. 2 O + O 2 and non-radical decomposition (ionic decomposition, catalytic decomposition). That is, since hydrogen peroxide is rendered harmless, the deterioration of the polymer is suppressed. Therefore, there may be no correlation between the total Fe content and the durability of MEA.

一方、可溶性Feイオンは、高いフェントン活性を示す。そのため、電解質中の可溶性Feイオン量を10ppm以下にすることができれば、燃料電池の耐久性を向上させることができる。しかしながら、鉄化合物中のFeの状態は、+2価と+3価を取ることが知られている。また、鉄化合物の中でもFe3+イオン化合物は、難溶性であり、酸洗浄のみで除去するのは難しい。
これに対し、酸洗浄の前又は酸洗浄と同時に還元処理を行うと、難溶性のFe3+イオンが可溶性のFe2+イオンとなる。そのため、酸洗浄によって容易に除去することができ、可溶性鉄イオン量を容易に10ppm以下にすることができる。
On the other hand, soluble Fe ions exhibit high Fenton activity. Therefore, if the amount of soluble Fe ions in the electrolyte can be reduced to 10 ppm or less, the durability of the fuel cell can be improved. However, it is known that the state of Fe in the iron compound takes +2 and +3. Further, among iron compounds, Fe 3+ ion compounds are hardly soluble and are difficult to remove only by acid cleaning.
In contrast, when the reduction treatment is performed before or simultaneously with the acid cleaning, the hardly soluble Fe 3+ ions become soluble Fe 2+ ions. Therefore, it can be easily removed by acid cleaning, and the amount of soluble iron ions can be easily reduced to 10 ppm or less.

図1に、パーフルオロ系電解質膜と炭化水素系電解質膜を種々の濃度の硫酸鉄(Fe2+)水溶液に80℃×8hr浸漬し、Fe2+をイオン交換した後に過酸化水素蒸気暴露試験(3wt%H22、120℃×5hr)を行った場合の膜重量変化を示す。図1からわかるように、炭化水素系電解質膜の過酸化水素蒸気耐性はFe濃度に大きく依存し、しかもパーフルオロ系電解質膜に見られる過剰の鉄イオンによる劣化抑制作用が見られない。これは、パーフルオロ系電解質膜に比べて、炭化水素系電解質膜は、基本骨格が脆弱なため、・OHラジカルがFe2+イオンによってOH-イオンへ還元される前に、フェントン反応により生成した・OHラジカルによって膜が劣化してしまうことを示している。
すなわち、炭化水素系電解質膜においては、パーフルオロ系電解質膜以上に可溶性鉄イオンの量を制限する必要がある。従って、還元処理と酸洗浄の組み合わせによって、徹底的に可溶性鉄イオンを除去することは、特に炭化水素系電解質に対して効果がある。
Fig. 1 shows hydrogen peroxide vapor exposure test after perfluoro-type electrolyte membrane and hydrocarbon-type electrolyte membrane are immersed in aqueous iron sulfate (Fe 2+ ) solution at various concentrations at 80 ° C for 8 hours, and ion exchange of Fe 2+ is performed. The change in film weight when (3 wt% H 2 O 2 , 120 ° C. × 5 hr) is performed is shown. As can be seen from FIG. 1, the hydrogen peroxide vapor resistance of the hydrocarbon-based electrolyte membrane is highly dependent on the Fe concentration, and further, the deterioration suppressing action due to the excess iron ions found in the perfluoro-based electrolyte membrane is not observed. This is compared to the perfluorinated electrolyte membrane, the hydrocarbon-based electrolyte membrane, because the basic skeleton is fragile, · OH radicals OH by Fe 2+ ions - before being reduced to ions, produced by Fenton reaction -It shows that the film is deteriorated by OH radicals.
That is, in the hydrocarbon electrolyte membrane, it is necessary to limit the amount of soluble iron ions more than the perfluoro electrolyte membrane. Therefore, thorough removal of soluble iron ions by a combination of reduction treatment and acid cleaning is particularly effective for hydrocarbon electrolytes.

さらに、可溶性鉄イオンを10ppm以下にすることに加えて、ある種のプロトン以外のイオンを導入すると、耐酸化性がさらに向上する。これは、電解質に存在するプロトン以外のイオン(例えば、アルカリ金属イオンや亜鉛イオンなど)が、H22をイオン的(非ラジカル的)に分解し、無害化するためと考えられる。 Furthermore, in addition to making soluble iron ions 10 ppm or less, if ions other than certain protons are introduced, the oxidation resistance is further improved. This is presumably because ions other than protons (for example, alkali metal ions and zinc ions) present in the electrolyte decompose H 2 O 2 ionic (non-radical) and render it harmless.

(実施例1〜2、比較例1〜2)
[1. 試料の作製]
大きさ60mm×60mm、厚さ50μmのフッ素系電解質膜1枚を、PP(ポリプロピレン)製容器に入れた0.05M/Lの濃度のNaBH4水溶液120mLに浸漬し、80℃×2hr攪拌処理した。その後、十分水洗した。
次に、PP製容器に入れた0.1M/Lの濃度のギ酸水溶液120mLに膜を浸漬し、80℃×8hr処理し、膜をH体に戻した。ギ酸処理後、PP製容器に入れた超純水120mLに膜を浸漬して80℃×2hrのすすぎを4回繰り返し、余剰のギ酸を除いた。
次に、Ce(NO3)3・6H2Oを0.9mM/Lの濃度で超純水120mLに溶解した溶液をPP製容器に入れ、溶液に膜を浸漬し、酸基の2.5%をCe3+イオンでイオン交換した。その後、PP製容器内に入れた超純水120mLに膜を浸漬して80℃×2hrのすすぎを4回繰り返し、余剰の硝酸イオンを除いた(実施例1)。
(Examples 1-2, Comparative Examples 1-2)
[1. Preparation of sample]
One fluorine-based electrolyte membrane having a size of 60 mm × 60 mm and a thickness of 50 μm was immersed in 120 mL of a 0.05 M / L NaBH 4 aqueous solution in a PP (polypropylene) container and stirred at 80 ° C. for 2 hours. . Thereafter, it was sufficiently washed with water.
Next, the membrane was immersed in 120 mL of a 0.1 M / L formic acid aqueous solution placed in a PP container, treated at 80 ° C. for 8 hours, and the membrane was returned to H form. After the formic acid treatment, the membrane was immersed in 120 mL of ultrapure water placed in a PP container and rinsed at 80 ° C. × 2 hr four times to remove excess formic acid.
Next, a solution obtained by dissolving Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O at a concentration of 0.9 mM / L in 120 mL of ultrapure water is placed in a PP container, the film is immersed in the solution, and an acid group of 2.5 % Was ion exchanged with Ce 3+ ions. Thereafter, the membrane was immersed in 120 mL of ultrapure water placed in a PP container and rinsed at 80 ° C. × 2 hr four times to remove excess nitrate ions (Example 1).

また、別に同上の大きさの膜1枚を、0.1M/L濃度のギ酸と0.1M/Lの濃度のアスコルビン酸とを溶かした120mLの水溶液で80℃×8hr処理し、膜から鉄イオンを還元処理しながら酸洗浄して除いた。
その後、PP製容器に入れた超純水120mLに膜を浸漬して80℃×2hrのすすぎを4回繰り返し、余剰のギ酸イオンとアスコルビン酸イオンを除いた。
次に、実施例1と同様にして、膜の酸基の2.5%をCe3+イオンでイオン交換し、80℃×2hrの超純水によるすすぎを4回繰り返し、余剰の硝酸イオンを除いた(実施例2)。
Separately, one membrane having the same size as above was treated at 80 ° C. for 8 hours with 120 mL of an aqueous solution in which 0.1 M / L formic acid and 0.1 M / L ascorbic acid were dissolved. Ions were removed by acid washing while reducing.
Thereafter, the membrane was immersed in 120 mL of ultrapure water placed in a PP container and rinsed at 80 ° C. × 2 hr four times to remove excess formate ions and ascorbate ions.
Next, in the same manner as in Example 1, 2.5% of the acid groups of the membrane were ion-exchanged with Ce 3+ ions, and rinsing with ultrapure water at 80 ° C. × 2 hr was repeated four times, and excess nitrate ions were removed. Excluded (Example 2).

比較として、入手のままの膜(比較例1)、還元処理と酸洗処理を行わずにCe3+によるイオン交換のみを行った膜(比較例2)を用意した。 For comparison, a membrane (comparative example 1) as obtained and a membrane (comparative example 2) in which only ion exchange with Ce 3+ was performed without performing reduction treatment and pickling treatment were prepared.

[2. 試験方法]
[2.1. ドライフェントン試験]
これらの膜に対して過酸化水素水蒸気の暴露試験を120℃×5hrの条件で行った。
まず、試験前の膜について80℃×2hrの真空乾燥処理を行い、膜重量W1を求めた。
次に、1wt%の過酸化水素水を0.12mL/minの速さで120℃に加熱したPTFE製の蒸発器に滴下し、全量を気化させた。これにN2を0.3L/min加えて希釈した。本条件で、120℃における相対湿度は、約31%と計算された。試験膜は、PTFE製の網に固定し、120℃に加熱したPTFE製の内筒内に置いた。
暴露試験後、80℃×2hrの真空乾燥処理を行い、膜重量W2を求めた。さらに、膜重量W1、W2から、重量変化ΔW(=(W1−W2)/W1×100)を算出した。
[2. Test method]
[2.1. Dry Fenton test]
These films were subjected to a hydrogen peroxide vapor exposure test under the conditions of 120 ° C. × 5 hr.
First, the membrane before the test was vacuum dried at 80 ° C. for 2 hours to obtain the membrane weight W 1 .
Next, 1 wt% aqueous hydrogen peroxide was added dropwise to a PTFE evaporator heated to 120 ° C. at a rate of 0.12 mL / min to vaporize the entire amount. This was diluted by adding 0.3 L / min of N 2 . Under this condition, the relative humidity at 120 ° C. was calculated to be about 31%. The test membrane was fixed in a PTFE net and placed in a PTFE inner cylinder heated to 120 ° C.
After the exposure test, a vacuum drying process at 80 ° C. × 2 hr was performed to determine the film weight W 2 . Further, a weight change ΔW (= (W 1 −W 2 ) / W 1 × 100) was calculated from the film weights W 1 and W 2 .

試料を通過した過酸化水素蒸気を、PE(ポリエチレン)製容器(周りを氷冷却)に入れた超純水100mLにバブリングして回収した。その回収水中に検出されたF-の量をオリオン社製のイオン選択性電極で計測し、試験膜面積と試験時間から単位時間、単位面積当たりのF-排出速度FRR(μg/cm2/hr)を求めた。
回収水(約120mL)の導電率を簡易導電率計((株)堀場製作所製;Twin cond B-173)で計測した。また、回収水のpHをpHメータ((株)堀場製作所製;F−7、緩衝溶液pH4.0とpH2.0で更正)で調べた。
The hydrogen peroxide vapor that passed through the sample was recovered by bubbling into 100 mL of ultrapure water placed in a PE (polyethylene) container (cooled around with ice). Its recovery was detected in the water F - amount was measured by ion-selective electrode made Orion Corporation, a unit time from the test membrane area and test time, per unit area F - elimination rate FRR (μg / cm 2 / hr )
The conductivity of the recovered water (about 120 mL) was measured with a simple conductivity meter (manufactured by Horiba, Ltd .; Twin cond B-173). Further, the pH of the recovered water was examined with a pH meter (manufactured by Horiba, Ltd .; F-7, corrected with buffer solution pH 4.0 and pH 2.0).

[2.2. 可溶性鉄イオン量及び鉄総含有量]
還元・酸洗処理後の膜を1+10HCl溶液に浸漬し、可溶性鉄イオンを抽出した。
[2.2. Soluble iron ion content and total iron content]
The membrane after the reduction and pickling treatment was immersed in a 1 + 10 HCl solution to extract soluble iron ions.

[3. 結果]
表1に、結果を示す。実施例1〜2は、いずれも回収水の導電率が未処理膜(比較例1)や還元処理及び酸処理を行わずにイオン交換のみの膜(比較例2)よりも小さく、膜劣化の程度(イオン成分の排出)が小さい。また、実施例1〜2では、pHが比較例より高く、かつF-排出速度(FRR)も比較例よりも小さく、フッ化水素酸の生成が抑制されていた。
[3. result]
Table 1 shows the results. In Examples 1 and 2, the conductivity of the recovered water is smaller than that of the untreated membrane (Comparative Example 1) or the membrane of only ion exchange without performing the reduction treatment and the acid treatment (Comparative Example 2). The degree (discharge of ionic components) is small. In Examples 1 to 2, pH is higher than Comparative Example, and F - elimination rate (FRR) is also smaller than that of the comparative example, the generation of hydrofluoric acid was suppressed.

Figure 2011034739
Figure 2011034739

(実施例3〜4、比較例3〜5)
[1. 試料の作製]
大きさ60mm×60mm、厚さ10μmの炭化水素系電解質膜1枚を、PP製容器に入れた0.05M ジメチルアミンボラン(DMAB)水溶液120mLに浸漬し、80℃×1hr攪拌処理した。その後、十分水洗した。
次に、PP製容器に入れた0.1M ギ酸水溶液120mLに膜を浸漬し、80℃×8hr処理し、膜をH体に戻した。ギ酸処理後、80℃×2hrのすすぎを4回繰り返し、余剰のギ酸を除いた。
次に、Zn(NO3)2・6H2O又はトリブチルメチルカーボネートを含む超純水120mLをPP製容器に入れ、溶液に膜を浸漬し、膜の酸基の1%をZn2+イオン又はホスホニウムイオンでイオン交換した。その後、80℃×2hrのすすぎを4回繰り返し、余剰のイオンを除いた(実施例3、4)
(Examples 3-4, Comparative Examples 3-5)
[1. Preparation of sample]
One hydrocarbon electrolyte membrane having a size of 60 mm × 60 mm and a thickness of 10 μm was immersed in 120 mL of a 0.05 M dimethylamine borane (DMAB) aqueous solution placed in a PP container, and stirred at 80 ° C. for 1 hr. Thereafter, it was sufficiently washed with water.
Next, the membrane was immersed in 120 mL of 0.1 M formic acid aqueous solution placed in a PP container, treated at 80 ° C. for 8 hours, and the membrane was returned to H form. After the formic acid treatment, rinsing at 80 ° C. × 2 hr was repeated 4 times to remove excess formic acid.
Next, 120 mL of ultrapure water containing Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O or tributylmethyl carbonate is placed in a PP container, the film is immersed in the solution, and 1% of the acid groups of the film are made up of Zn 2+ ions or Ion exchange with phosphonium ions. Thereafter, rinsing at 80 ° C. × 2 hr was repeated 4 times to remove excess ions (Examples 3 and 4).

比較として、入手のままの膜(比較例3)、還元処理及び酸洗をすることなく膜の酸基の1%をZn2+イオン又はホスホニウムイオンでイオン交換した膜(比較例4、5)を用意した。 For comparison, a membrane as obtained (Comparative Example 3), a membrane in which 1% of the acid groups of the membrane were ion-exchanged with Zn 2+ ions or phosphonium ions without performing reduction treatment and pickling (Comparative Examples 4 and 5). Prepared.

[2. 試験方法]
実施例1〜2と同一条件下で、ドライフェントン試験及び可溶性鉄イオン量の測定を行った。また、ドライフェントン試験後の膜形状を目視で評価した。膜形状が良好で割れが生じていないものを「○」、割れが生じたものを「×」とした。
[2. Test method]
Under the same conditions as in Examples 1 and 2, the dry Fenton test and the amount of soluble iron ions were measured. Further, the film shape after the dry Fenton test was visually evaluated. The case where the film shape was good and no crack was generated was indicated by “◯”, and the case where the crack was generated was indicated by “X”.

[3. 結果]
表2に、その結果を示す。未処理膜(比較例3)は、ドライフェントン試験後、真空乾燥した時に割れが生じた。一方、イオン交換のみの膜(比較例4、5)及び還元処理+酸洗処理+イオン交換を行った膜(実施例3〜4)は、いずれも割れが生じなかった。さらに、実施例3〜4では、いずれも可溶性鉄イオン量は10ppm以下であった。
[3. result]
Table 2 shows the results. The untreated film (Comparative Example 3) was cracked when vacuum-dried after the dry Fenton test. On the other hand, none of the membranes of only ion exchange (Comparative Examples 4 and 5) and the membranes subjected to reduction treatment + pickling treatment + ion exchange (Examples 3 to 4) were cracked. Further, in Examples 3 to 4, the amount of soluble iron ions was 10 ppm or less.

Figure 2011034739
Figure 2011034739

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る固体高分子型燃料電池は、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等に適用することができる。
また、可溶性鉄イオン量の少ない固体高分子電解質の用途は、固体高分子型燃料電池の電解質膜あるいは触媒層内電解質に限定されるものではなく、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、電極材料等としても用いることができる。
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be applied to an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.
In addition, the use of a solid polymer electrolyte with a small amount of soluble iron ions is not limited to the electrolyte membrane or electrolyte in a catalyst layer of a solid polymer fuel cell, but a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt solution It can also be used as electrolyte membranes, electrode materials, etc. used in various electrochemical devices such as electrolyzers, oxygen and / or hydrogen concentrators, humidity sensors, gas sensors and the like.

Claims (13)

電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体を備え、
前記膜電極接合体は、
(イ)可溶性鉄イオンの量が電解質重量当たり10ppm以下であり、かつ、
(ロ)過酸化水素耐性を改善する作用を持つプロトン以外のイオンの量が電解質の酸基割合に換算して0.5〜5%である
固体高分子型燃料電池。
Provided with a membrane electrode assembly in which electrodes are bonded on both sides of the electrolyte membrane,
The membrane electrode assembly is
(A) The amount of soluble iron ions is 10 ppm or less per electrolyte weight, and
(B) A polymer electrolyte fuel cell in which the amount of ions other than protons having an effect of improving hydrogen peroxide resistance is 0.5 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte.
前記電解質膜及び前記電極に含まれる触媒層内電解質の少なくとも一方は、炭化水素系電解質であり、
前記プロトン以外のイオンは、アルカリ金属イオン、ホスホニウムイオン、含窒素陽イオン、アルカリ土類金属イオン、及び典型元素イオンから選ばれるいずれか1以上である
請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。
At least one of the electrolyte in the catalyst layer contained in the electrolyte membrane and the electrode is a hydrocarbon electrolyte,
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ions other than protons are any one or more selected from alkali metal ions, phosphonium ions, nitrogen-containing cations, alkaline earth metal ions, and typical element ions. .
前記電解質膜及び前記電極に含まれる触媒層内電解質の少なくとも一方は、フッ素系電解質であり、
前記プロトン以外のイオンは、ホスホニウムイオン、含窒素陽イオン、鉄イオン以外の遷移金属イオン、及び希土類金属イオンから選ばれるいずれか1以上である
請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。
At least one of the electrolyte in the catalyst layer included in the electrolyte membrane and the electrode is a fluorine-based electrolyte,
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ions other than protons are any one or more selected from phosphonium ions, nitrogen-containing cations, transition metal ions other than iron ions, and rare earth metal ions.
前記膜電極接合体は、Fを除くハロゲンイオンの含有量が電解質重量当たり10ppm以下である請求項1から3までのいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。   4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the membrane electrode assembly has a halogen ion content excluding F of 10 ppm or less per electrolyte weight. 5. 膜電極接合体に含まれる可溶性鉄イオンの量が電解質重量当たり10ppm以下となるように、前記膜電極接合体又はその構成要素の還元処理及び酸洗処理を、この順で又は同時に行う還元・酸洗工程と、
前記膜電極接合体に含まれる過酸化水素耐性を改善する作用を持つプロトン以外のイオンの量が電解質の酸基割合に換算して0.5〜5%となるように、前記膜電極接合体又はその構成要素に前記プロトン以外のイオンを導入するイオン導入工程と、
を備えた固体高分子型燃料電池の製造方法。
Reduction / acid treatment in which reduction treatment and pickling treatment of the membrane electrode assembly or its components are performed in this order or simultaneously so that the amount of soluble iron ions contained in the membrane electrode assembly is 10 ppm or less per weight of the electrolyte. A washing process;
The membrane / electrode assembly so that the amount of ions other than protons having an effect of improving hydrogen peroxide resistance contained in the membrane / electrode assembly is 0.5 to 5% in terms of the acid group ratio of the electrolyte. Or an ion introduction step of introducing ions other than protons into the constituent elements;
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell comprising:
前記還元・酸洗工程は、
前記膜電極接合体又はその構成要素を気相中で還元する還元工程と、
前記膜電極接合体又はその構成要素を酸洗する酸洗工程と
を備えている請求項5に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
The reduction / pickling step includes
A reduction step of reducing the membrane electrode assembly or a component thereof in a gas phase;
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, further comprising a pickling step for pickling the membrane electrode assembly or a component thereof.
前記還元工程は、前記膜電極接合体又はその構成要素を水素ガス雰囲気下において、120℃以下の温度で熱処理するものである請求項6に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the reduction step includes heat-treating the membrane electrode assembly or a component thereof in a hydrogen gas atmosphere at a temperature of 120 ° C. or lower. 前記還元・酸洗工程は、
前記膜電極接合体又は電子伝導性がある前記膜電極接合体の構成要素を酸水溶液中に浸漬し、前記膜電極接合体又は前記構成要素を水素発生電位よりも卑な電位に保ち、水素を発生させながら通電するものである請求項5に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
The reduction / pickling step includes
A component of the membrane electrode assembly or the membrane electrode assembly having electronic conductivity is immersed in an acid aqueous solution, and the membrane electrode assembly or the component is maintained at a potential lower than a hydrogen generation potential, and hydrogen is removed. 6. The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the energization is performed while generating the polymer electrolyte fuel cell.
前記還元・酸洗工程は、
前記膜電極接合体又はその構成要素を液相中で還元する還元工程と、
前記膜電極接合体又はその構成要素を酸洗する酸洗工程と、
を備えている請求項5に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
The reduction / pickling step includes
A reduction step of reducing the membrane electrode assembly or a component thereof in a liquid phase;
Pickling step of pickling the membrane electrode assembly or its components; and
The manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell of Claim 5 provided with these.
前記還元工程は、水素化ホウ素化合物を含む還元性溶液を用いて前記膜電極接合体又はその構成要素を還元するものであり、
前記酸洗工程は、硫酸、ギ酸、又はヘテロポリ酸を含む酸水溶液を用いて前記膜電極接合体又はその構成要素を酸洗するものである
請求項9に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
The reduction step is to reduce the membrane electrode assembly or a component thereof using a reducing solution containing a borohydride compound,
10. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 9, wherein the pickling step is a step of pickling the membrane electrode assembly or a component thereof using an acid aqueous solution containing sulfuric acid, formic acid, or heteropolyacid. Method.
前記還元・酸洗工程は、酸性の還元剤溶液を用いて前記膜電極接合体又はその構成要素の還元と同時に酸洗を行うものである
請求項5に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
6. The production of a polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the reduction / pickling step performs pickling simultaneously with the reduction of the membrane electrode assembly or its constituent elements using an acidic reducing agent solution. Method.
前記還元剤溶液は、ギ酸とヒドロキシカルボン酸との混合物、ギ酸とアスコルビン酸との混合物、又は、ギ酸とヘテロポリ酸との混合物を含む
請求項11に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 11, wherein the reducing agent solution includes a mixture of formic acid and hydroxycarboxylic acid, a mixture of formic acid and ascorbic acid, or a mixture of formic acid and heteropolyacid.
前記イオン導入工程は、前記プロトン以外のイオンと、ハロゲン元素(Fを除く)を含まない対イオンからなる化合物を用いて、前記電解質のイオン交換を行うものである請求項5から12までのいずれかに記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。   13. The ion exchange of the electrolyte according to claim 5, wherein the ion-introducing step performs ion exchange of the electrolyte using a compound composed of an ion other than the proton and a counter ion not containing a halogen element (excluding F). A method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013031479A1 (en) * 2011-08-26 2013-03-07 旭硝子株式会社 Solid polymer electrolyte membrane, and membrane electrode assembly for use in solid polymer fuel cell
CN104045132A (en) * 2014-06-23 2014-09-17 北京师范大学 Three-dimensional porous membrane electrode used for electro-optical synergistic fenton system and preparation process thereof
CN107317064A (en) * 2017-06-22 2017-11-03 中南大学 A kind of recovery method of waste lithium cell

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013031479A1 (en) * 2011-08-26 2013-03-07 旭硝子株式会社 Solid polymer electrolyte membrane, and membrane electrode assembly for use in solid polymer fuel cell
JPWO2013031479A1 (en) * 2011-08-26 2015-03-23 旭硝子株式会社 Solid polymer electrolyte membrane and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
US9379403B2 (en) 2011-08-26 2016-06-28 Asahi Glass Company, Limited Polymer electrolyte membrane and membrane/electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
CN104045132A (en) * 2014-06-23 2014-09-17 北京师范大学 Three-dimensional porous membrane electrode used for electro-optical synergistic fenton system and preparation process thereof
CN104045132B (en) * 2014-06-23 2016-03-02 北京师范大学 Can be used for the three-dimensional porous membrane electrode of photoelectric-synergetic effect Fenton system
CN107317064A (en) * 2017-06-22 2017-11-03 中南大学 A kind of recovery method of waste lithium cell

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