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JP5447791B2 - Method for producing polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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JP5447791B2
JP5447791B2 JP2009106815A JP2009106815A JP5447791B2 JP 5447791 B2 JP5447791 B2 JP 5447791B2 JP 2009106815 A JP2009106815 A JP 2009106815A JP 2009106815 A JP2009106815 A JP 2009106815A JP 5447791 B2 JP5447791 B2 JP 5447791B2
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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の製造方法に関し、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の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a method for producing a polymer electrolyte fuel cell suitable as an in-vehicle power source, a stationary small generator, a cogeneration system, and the like.

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.

さらに、燃料電池の空気極の触媒として用いられているPt等の貴金属元素は、燃料電池の運転中に触媒層から溶出し、膜内部で析出したり、あるいは、触媒層で再析出し、触媒層内の触媒粒子が粒成長することが知られている。貴金属元素の溶出や粒成長は、電池性能を低下させる原因となる。また、貴金属イオンの中にもフェントン活性を示すものがある事が知られており、このような貴金属イオンの溶出は、電解質を劣化させ、その劣化生成物が電極を被毒し、電池性能を低下させると言われている。   Further, the noble metal element such as Pt used as a catalyst for the air electrode of the fuel cell is eluted from the catalyst layer during the operation of the fuel cell and is deposited inside the membrane or re-precipitated in the catalyst layer. It is known that the catalyst particles in the layer grow. The elution and grain growth of the noble metal element causes a decrease in battery performance. In addition, it is known that some precious metal ions exhibit Fenton activity, and such elution of precious metal ions degrades the electrolyte, and the degradation products poison the electrodes, thereby improving battery performance. It is said to decrease.

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、ラジカルに起因する電解質の劣化の抑制や貴金属元素の溶出の抑制を目的とするものではないが、貴金属及び/又は遷移金属からなる分子量800〜10000のヘテロポリ酸の部分塩である固体ヘテロポリ酸燃料電池用触媒が開示されている。
同文献には、ポリ酸中で白金はすべてポリ酸クラスター表面に存在しすべての白金が活性になるため、これらのポリ酸中での白金含有量は極めて少量であるにもかかわらず高活性を示す点が記載されている。
Further, Patent Document 3 does not aim at suppressing electrolyte degradation caused by radicals or suppressing elution of noble metal elements, but a part of a heteropolyacid having a molecular weight of 800 to 10,000 made of noble metal and / or transition metal. A solid heteropolyacid fuel cell catalyst that is a salt is disclosed.
In this document, all platinum in polyacids is present on the surface of the polyacid cluster and all platinum becomes active. Therefore, even though the platinum content in these polyacids is very small, it has high activity. The points to show are described.

また、特許文献4には、スルホン酸基を有するイオン交換膜を硝酸セリウム水溶液に浸漬してスルホン酸基の一部をセリウムイオンにイオン交換し、次いでこの膜をリン酸水溶液に浸漬する固体高分子型燃料電池用電解質膜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り膜中にリン酸第一セリウムを析出させることができる点、及び、膜中に難溶性のセリウム化合物を析出させることによって、電解質膜の過酸化水素又は過酸化物ラジカル耐性が向上する点が記載されている。
Further, Patent Document 4 discloses a solid high membrane in which an ion exchange membrane having a sulfonic acid group is immersed in an aqueous cerium nitrate solution to partially exchange sulfonic acid groups with cerium ions, and then this membrane is immersed in an aqueous phosphoric acid solution. A method for producing an electrolyte membrane for a molecular fuel cell is disclosed.
In this document, it is possible to deposit cerium phosphate in the film by such a method, and by depositing a hardly soluble cerium compound in the film, The point that oxide radical tolerance improves is described.

さらに、特許文献5には、2,2−ビピリジンのような白金捕捉剤を含む固体高分子型燃料電池用電極触媒層が開示されている。
同文献には、触媒層に白金捕捉剤を添加すると、電極触媒層からの白金イオンの溶出が防止され、触媒活性の低下が抑制される点が記載されている。
Further, Patent Document 5 discloses an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell containing a platinum scavenger such as 2,2-bipyridine.
This document describes that when a platinum scavenger is added to the catalyst layer, elution of platinum ions from the electrode catalyst layer is prevented, and a decrease in catalyst activity is suppressed.

特開2000−106203号公報JP 2000-106203 A 特開2004−018573号公報JP 2004-018573 A 国際公開WO04/045009号公報International Publication WO 04/045009 特開2008−98179号公報JP 2008-98179 A 特開2006−147345号公報JP 2006-147345 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、十分な耐食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 corrosion resistance cannot be obtained even if these techniques are directly applied to hydrocarbon-based 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.

さらに、従来知られている過酸化水素耐性を有する化合物やイオンは、水に易溶であるものが多い。そのため、長期間の使用によりこれらが系外に持ち出され、良好な耐久性を維持できない場合があった。一方、耐久性を維持するために化合物やイオンの添加量を過剰にすると、燃料電池の性能低下を引き起こす場合がある。特に炭化水素系電解質の場合、化合物やイオンを多量に導入すると、炭化水素系電解質の一般的な欠点である剛直さが一層高まる。その結果、機械的強度や可撓性は大きく低下し、燃料電池の運転初期にクロスリーク(孔開きや割れ)に至ることがあった。
さらに、系外への持ち出しを抑制するために、過酸化水素耐性を有する化合物を不溶化させると、電解質への均一分散が困難となる。
Furthermore, many of the conventionally known compounds and ions having hydrogen peroxide resistance are readily soluble in water. For this reason, they may be taken out of the system due to long-term use, and good durability may not be maintained. On the other hand, if the amount of compound or ion added is excessive in order to maintain durability, the performance of the fuel cell may be degraded. Particularly in the case of hydrocarbon electrolytes, when a large amount of a compound or ion is introduced, rigidity, which is a general drawback of hydrocarbon electrolytes, is further increased. As a result, the mechanical strength and flexibility are greatly reduced, and cross leaks (perforations and cracks) may occur in the initial operation of the fuel cell.
Furthermore, if the compound having hydrogen peroxide resistance is insolubilized in order to suppress the removal outside the system, uniform dispersion in the electrolyte becomes difficult.

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.

また、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。
また、白金の溶出を抑制するために2,2−ビピリジンのような含窒素有機化合物を添加する方法は、2,2−ビピリジンの過酸化水素に対する安定性が不十分であり、かつ水溶性であるために、長期間に渡って白金の溶出を抑制するのは困難である。
It is also known that transition metal ions (particularly Fe ions (Fe 2+ / Fe 3+ )) are present in an electrolyte exceeding a certain threshold value, thereby degrading 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.
In addition, the method of adding a nitrogen-containing organic compound such as 2,2-bipyridine in order to suppress the elution of platinum is insufficient in stability of 2,2-bipyridine to hydrogen peroxide and is water-soluble. For this reason, it is difficult to suppress the elution of platinum over a long period of time.

さらに、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減、及び、貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を図るためには、従来、別個の対策を講じる必要があり、これらを同時に解決する方法が提案された例は従来にはない。   Furthermore, in order to improve resistance to hydrogen peroxide, reduce impurity ions having Fenton activity, and suppress performance degradation caused by elution of noble metal elements, it has been necessary to take separate measures in the past. There has never been an example in which a method for solving the problem simultaneously has been proposed.

本発明が解決しようとする課題は、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減及び貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を同時に解決することが可能な固体高分子型燃料電池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、これらの効果を長期間に渡って持続させることが可能な固体高分子型燃料電池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 a solid polymer fuel capable of simultaneously solving the improvement of hydrogen peroxide resistance, the reduction of impurity ions having Fenton activity, and the suppression of the performance degradation due to the elution of noble metal elements It is in providing the manufacturing method of a battery.
Another object of the present invention is to provide a method for producing a polymer electrolyte fuel cell capable of sustaining these effects over a long period of time.

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の製造方法は、
ヘテロポリ酸イオンと結合することによってヘテロポリ酸塩となるカチオンと、電解質とを接触させるカチオン接触工程と、
前記電解質と前記ヘテロポリ酸イオンとを接触させるヘテロポリ酸イオン接触工程と
を備え、
前記ヘテロポリ酸塩は、難溶性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の2番目は、
電解質とヘテロポリ酸イオンとを接触させるヘテロポリ酸イオン接触工程と、
前記ヘテロポリ酸イオン接触工程の後に、前記ヘテロポリ酸イオンと結合することによってヘテロポリ酸塩となるカチオンと、前記電解質とを接触させるカチオン接触工程と、
を備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, a method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes:
A cation contact step in which a cation that becomes a heteropolyacid salt by binding to a heteropolyacid ion is brought into contact with an electrolyte;
A heteropolyacid ion contact step for bringing the electrolyte into contact with the heteropolyacid ion,
The gist of the heteropolyacid salt is sparingly soluble.
The second method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is as follows.
A heteropolyacid ion contacting step of bringing the electrolyte into contact with the heteropolyacid ion ;
After the heteropolyacid ion contacting step, a cation which is a heteropolyacid salt by binding to pre-Symbol heteropoly acid ion, and a cation-contact step of contacting the electrolyte,
The main point is that

所定のカチオンと電解質とを接触させ、次いでヘテロポリ酸イオンと電解質とを接触させると、電解質内部に所定の組成を有するヘテロポリ酸塩を均一に形成することができる。同様に、ヘテロポリ酸イオンと電解質とを接触させ、次いで所定のカチオンと電解質とを接触させると、電解質内部に所定の組成を有するヘテロポリ酸塩を均一に形成することができる。所定の組成を有するヘテロポリ酸塩を電解質内部に分散させると、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減及び貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を同時に図ることができる。
これは、
(1)ヘテロポリ酸塩自体が過酸化水素のイオン分解触媒となって過酸化水素を無害化するため、
(2)ヘテロポリ酸塩がフェントン活性を有する不純物遷移金属イオン(特に、可溶性鉄イオン)を捕捉し、フェントン活性を失活させるため、及び、
(3)ヘテロポリ酸塩が溶出した貴金属イオンを捕捉してキレート化し、貴金属イオンが電極沖合に溶出・拡散することを防ぐため、
と考えられる。
さらに、所定のカチオンとヘテロポリ酸との塩は難溶性であり、長期間に渡って電解質膜又は電極内に留まることができるため、これらの効果を長期間に渡って持続させることができる。
When a predetermined cation and an electrolyte are brought into contact, and then a heteropolyacid ion and the electrolyte are brought into contact, a heteropolyacid salt having a predetermined composition can be uniformly formed inside the electrolyte. Similarly, when a heteropolyacid ion is brought into contact with an electrolyte, and then a predetermined cation is brought into contact with an electrolyte, a heteropolyacid salt having a predetermined composition can be uniformly formed inside the electrolyte. When a heteropolyacid salt having a predetermined composition is dispersed inside the electrolyte, it is possible to simultaneously improve resistance to hydrogen peroxide, reduce impurity ions having Fenton activity, and suppress performance degradation due to elution of noble metal elements.
this is,
(1) Since the heteropolyacid salt itself becomes an ion decomposition catalyst for hydrogen peroxide and detoxifies hydrogen peroxide,
(2) The heteropolyacid salt traps impurity transition metal ions (particularly soluble iron ions) having Fenton activity and deactivates Fenton activity; and
(3) To capture and chelate the precious metal ions eluted by the heteropoly acid salt and prevent the precious metal ions from eluting and diffusing off the electrode,
it is conceivable that.
Furthermore, since the salt of a predetermined cation and heteropolyacid is hardly soluble and can remain in an electrolyte membrane or an electrode for a long period of time, these effects can be sustained for a long period of time.

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]
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。本発明において、固体高分子型燃料電池は、MEAに含まれる電解質内に後述する方法により得られるヘテロポリ酸塩が含まれる。この点が従来の固体高分子型燃料電池とは異なる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Solid polymer fuel cell]
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. In the present invention, the polymer electrolyte fuel cell includes a heteropolyacid salt obtained by a method described later in the electrolyte contained in the MEA. This is different from conventional polymer electrolyte fuel cells.

[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. 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. .

[1.2. 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。
[1.2. 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.

[1.3. ヘテロポリ酸塩]
「ヘテロポリ酸塩」とは、ヘテロポリ酸に含まれるプロトンの全部又は一部がカチオンに置換されたものをいう。
本発明において、ヘテロポリ酸塩は、後述するように、
(1)カチオンと電解質とを接触させ、次いでヘテロポリ酸イオンと電解質とを接触させる方法、又は、
(2)ヘテロポリ酸イオンと電解質とを接触させ、次いでカチオンと電解質とを接触させる方法、
により電解質内に形成することができる。
電解質には、これらのヘテロポリ酸塩の内、いずれか1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。また、ヘテロポリ酸塩は、2種以上のカチオンと1つのヘテロポリ酸アニオンが結合した複合塩でも良く、あるいは、単独のカチオンと結合したヘテロポリ酸塩を複数混合した混合物でも良い。
[1.3. Heteropolyacid salt]
“Heteropolyacid salt” refers to a compound in which all or part of the protons contained in the heteropolyacid are replaced with cations.
In the present invention, the heteropolyacid salt, as described later,
(1) A method in which a cation and an electrolyte are contacted, and then a heteropolyacid ion and an electrolyte are contacted, or
(2) A method of bringing a heteropolyacid ion into contact with an electrolyte, and then bringing a cation into contact with an electrolyte,
Can be formed in the electrolyte.
Any one of these heteropolyacid salts may be contained in the electrolyte, or two or more thereof may be contained. The heteropolyacid salt may be a complex salt in which two or more kinds of cations and one heteropolyacid anion are bonded, or may be a mixture in which a plurality of heteropolyacid salts bonded to a single cation are mixed.

[1.3.1. ヘテロポリ酸]
ヘテロポリ酸とは、Mo、W、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、Thなどを中心元素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。
[1.3.1. Heteropoly acid]
The heteropolyacid is a combination of an oxyacid anion having Mo, W, V as the central element M and an oxyacid anion having P, Si, Ge, Ti, Zr, Sn, Ce, Th, etc. as the central element X. Multi-element polyanion is a generic term for polyoxometalates. 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の構造体に存在するイオンは、フリーのイオンとは異なった状態にあり、配位安定化されている。
例えば、ポルフィリン化合物は、酸素40個からなるヘテロポリ酸と類似の構造を持ち、4方向からN原子に配位された金属イオンを有する有機化合物である。ポルフィリン化合物は、過酸化水素の攻撃によりポルフィリン環が開裂し、分解しやすい。
一方、ヘテロポリ酸塩は、遙かに安定であり、過酸化水素を用いた有機合成触媒に繰り返し使用できることが知られている。その中でもプロトンを特定のイオンで置換すると、溶解度は小さくなり、pHが小さい強酸性下でも難溶性となる。例えば、りんモリブデン酸にあっては、セシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ホスホニウムイオン、グアニジウムイオン、核酸塩基、白金イオン、ピラゾロン系イオン等である。そのため、これら難溶性ヘテロポリ酸塩は、強酸性のプロトン導電性高分子電解質内部で安定に存在できると考えられる。
The ions present in these heteropolyacid structures are in a different state from free ions and are coordinated and stabilized.
For example, a porphyrin compound is an organic compound having a structure similar to a heteropolyacid composed of 40 oxygen atoms and having a metal ion coordinated to an N atom from four directions. Porphyrin compounds are easily decomposed by cleavage of the porphyrin ring by the attack of hydrogen peroxide.
On the other hand, it is known that heteropolyacid salts are much more stable and can be used repeatedly for organic synthesis catalysts using hydrogen peroxide. Among them, when a proton is substituted with a specific ion, the solubility becomes small, and it becomes hardly soluble even under strong acidity at a low pH. For example, phosphomolybdic acid includes cesium ion, quaternary alkyl ammonium ion, pyridinium ion, imidazolium ion, phosphonium ion, guanidinium ion, nucleobase, platinum ion, pyrazolone ion and the like. Therefore, it is considered that these poorly soluble heteropolyacid salts can exist stably inside the strongly acidic proton conductive polymer electrolyte.

[1.3.2. カチオン]
ヘテロポリ酸イオンと結合するカチオン、及び、このようなカチオンを形成可能な化合物としては、具体的には、以下のようなものがある。
[1.3.2. Cation]
Specific examples of cations that bind to heteropolyacid ions and compounds that can form such cations include the following.

[1.3.2.1. アルカリ金属イオン]
ヘテロポリ酸塩を形成するアルカリ金属イオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、セシウムイオンなどがある。これらの中でもセシウムイオンは、ヘテロポリ酸イオンと難溶性の塩を形成するので、カチオンとして好適である。
リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンの塩は、比較的溶解度が大きいため、系外に持ち出されやすく、耐久性向上作用はセシウムイオンより小さい。従って、これらのイオンは、沈殿生成しやすい他のイオンと一緒に共沈させて用いるのが好ましい。
[1.3.2.1. Alkali metal ion]
Examples of the alkali metal ions forming the heteropoly acid salt include lithium ions, sodium ions, potassium ions, and cesium ions. Among these, a cesium ion is suitable as a cation because it forms a hardly soluble salt with a heteropolyacid ion.
Since salts of lithium ions, sodium ions, and potassium ions have relatively high solubility, they are easily taken out of the system, and the durability improving action is smaller than that of cesium ions. Therefore, these ions are preferably co-precipitated with other ions that are likely to precipitate.

[1.3.2.2. アルカリ土類金属イオン]
ヘテロポリ酸塩を形成するアルカリ土類金属イオンとしては、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+などがある。
これらのイオンは、いずれも比較的溶解度の大きい塩を形成するので、耐久性向上作用は、セシウムイオンを用いたときよりも小さい。従って、これらのイオンは、沈殿生成しやすい他のイオンと一緒に用いるのが好ましい。
[1.3.2.2. Alkaline earth metal ions]
Examples of alkaline earth metal ions that form heteropolyacid salts include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , and Ba 2+ .
Since all of these ions form a salt having a relatively high solubility, the durability improving action is smaller than when cesium ions are used. Therefore, these ions are preferably used together with other ions that are likely to precipitate.

[1.3.2.3. 4級アンモニウムイオン]
「4級アンモニウムイオン」とは、+N(R1)(R2)(R3)(R4)で表されるイオンをいう。R1、R2、R3、R4は、それぞれ、アルキル基、H、又は、Cl、Br以外のハロゲン(例えば、I、F)を表す。
4級アンモニウムイオンを形成する「4級アンモニウム塩」とは、+N(R1)(R2)(R3)(R4)Z-で表される塩をいう。Z-は、アニオンを表す。
[1.3.2.3. Quaternary ammonium ion]
The “quaternary ammonium ion” refers to an ion represented by + N (R 1 ) (R 2 ) (R 3 ) (R 4 ). R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 each represent an alkyl group, H, or a halogen other than Cl and Br (for example, I and F).
The “quaternary ammonium salt” that forms a quaternary ammonium ion refers to a salt represented by + N (R 1 ) (R 2 ) (R 3 ) (R 4 ) Z . Z represents an anion.

4級アンモニウムイオンとしては、具体的には、NH4 +(アンモニウムイオン)、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がある。
NH4 +は、ヘテロポリ酸アニオンと比較的溶解度の大きな塩を形成しやすい。従って、4級アンモニウムイオンは、アルキル置換した分子量の大きな4級アンモニウムイオン(4級アルキルアンモニウムイオン)が好ましい。4級アルキルアンモニウムイオンは、溶解度の低い塩を形成しやすいという利点がある。
Specific examples of the quaternary ammonium ion include NH 4 + (ammonium ion), N (CH 3 ) 4 + (tetramethylammonium ion), N (C 2 H 5 ) 4 + (tetraethylammonium ion), tetra Examples include propylammonium ion and tetrabutylammonium ion.
NH 4 + tends to form a salt having a relatively high solubility with the heteropolyacid anion. Therefore, the quaternary ammonium ion is preferably an alkyl-substituted quaternary ammonium ion having a large molecular weight (quaternary alkyl ammonium ion). Quaternary alkyl ammonium ions have the advantage of easily forming salts with low solubility.

非塩化物で、好ましい4級アンモニウム塩としては、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラ−n−ブチルアンモニウムヒドロキシド、ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、ベンジルトリエチルアンモニウムヒドロキシド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、フェニルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、トリス(2−ヒドロキシエチル)メチルアンモニウムヒドロキシド、重酒石酸コリン、無水ベタイン、L−カルニチン、メチルトリ−n−オクチルアンモニウム硫酸水素塩、テトラブチルアンモニウム硫酸水素塩、テトラブチルアンモニウム硫酸水素塩、テトラブチルアンモニウムホスファネート、テトラ−n−ブチルアンモニウムサリチラートなどがある。   Non-chloride and preferred quaternary ammonium salts include, for example, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrapropylammonium hydroxide, tetra-n-butylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium hydroxide, benzyltriethylammonium Hydroxide, hexadecyltrimethylammonium hydroxide, phenyltrimethylammonium hydroxide, tris (2-hydroxyethyl) methylammonium hydroxide, choline bitartrate, betaine anhydride, L-carnitine, methyltri-n-octylammonium hydrogensulfate, tetra Butyl ammonium hydrogen sulfate, tetrabutyl ammonium hydrogen sulfate, tetrabutyl ammonium phosphate, There is such as La -n- butyl ammonium salicylate.

[1.3.2.4. ピリジニウムイオン]
ピリジニウムイオンを形成する化合物としては、具体的には、ピリジン、ジピリジン、テルピリジン、及び、これらの塩などがある。
[1.3.2.4. Pyridinium ion]
Specific examples of compounds that form pyridinium ions include pyridine, dipyridine, terpyridine, and salts thereof.

[1.3.2.5. イミダゾリウムイオン]
イミダゾリウムイオンを形成する化合物としては、具体的には、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、1,3−ジメチルイミダゾール、及び、これらの塩などがある。
[1.3.2.5. Imidazolium ion]
Specific examples of the compound that forms an imidazolium ion include imidazole, 1-methylimidazole, 1,3-dimethylimidazole, and salts thereof.

[1.3.2.6. 含窒素複素環化合物イオン]
含窒素複素環化合物イオンを形成する化合物としては、具体的には、1,10フェナントロリンなどがある。
[1.3.2.6. Nitrogen-containing heterocyclic compound ion]
Specific examples of compounds that form nitrogen-containing heterocyclic compound ions include 1,10 phenanthroline.

[1.3.2.7. 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。
ホスホニウムイオンを形成する化合物(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とがイオン結合した化合物[P(R1)(R2)(R3)(R4)]+-をいう。R1〜R4は、アルキル基を表す。
[1.3.2.7. Phosphonium ion]
“Phosphonium ion” refers to a monovalent cation in which four alkyl groups are bonded around a P atom.
A compound that forms a phosphonium ion (phosphonium compound) is a compound [P (R 1 ) (R 2 ) (R 3 ) (R 4 )] + in which a phosphonium ion and an anion B paired therewith are ionically bonded. B - refers to. R 1 to R 4 represent an alkyl group.

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, tetraphenylphosphonium Tetraphenylborate, tri-tert-butylphosphonium tetraphenylborate, di-tert-butylmethylphos Nium tetraphenylborate, trihexyl (tetradecyl) phosphonium bis [oxalato (2-)] borate, tetraphenylphosphonium tetra-P-tolylborate, benzylphenylphosphonium tetraphenylborate, P-tolyltriphenylphosphonium tetra-P-tolylborate, Examples include triethylmethylphosphonium dibutyl phosphate, ethyltriphenylphosphonium phosphate, tributylmethylphosphonium dibutyl phosphate, tetrabutylphosphonium benzotriazolate, trihexyl (tetradecyl) phosphonium decanoate, tributylmethylphosphonium methyl carbonate, and the like.

[1.3.2.8. グアジニウムイオン]
グアニジウムイオンを形成する化合物としては、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、硫酸グアニジン、スルファミン酸グアニンジン、1,3ジフェニルグアニジンなどがある。
[1.3.2.8. Guazinium ion]
Specific compounds that form guanidinium ions include aminoguanidine, guanylurea, biguanide, guanidine, guanidine carbonate, guanidine borate, phosphoric acid / monoguanidine, phosphoric acid / diguanidine, guanylurea phosphate, sulfuric acid. Examples include guanidine, guanidine sulfamate, and 1,3 diphenylguanidine.

[1.3.2.9. 核酸塩基]
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。
[1.3.2.9. Nucleobase]
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.

[1.3.2.10. 白金イオン]
白金イオンは、Pt(II)、Pt(IV)のいずれの価数でも良い。
白金イオンを形成する化合物としては、Pt塩を生成しやすい点から、Pt(II)の塩を用いるのが好ましい。白金イオンを形成する化合物としては、具体的には、テトラアンミンジクロライド白金Pt(NH3)4Cl2、ヘキサアンミンジクロライド白金Pt(NH3)6Cl2等の塩化物を用いることができる。但し、これらの塩化物は、残留した塩化物イオンが電極を被毒したり、PtCl4 2−又はPtCl6 2−の錯イオン化を促し、電池性能を低下させる原因となる。従って、これらの化合物を出発原料に用いる場合には、後述する方法を用いてイオン交換した後、脱塩化物イオン処理(温水洗浄、アニオン交換樹脂と供に洗浄)を行うか、あるいは、特定のカチオン(Ag+、Cs+、BiO+、YbO+)を含む水溶液で洗浄して塩化物イオンを難溶性塩化物として固定することが好ましい。
[1.3.2.10. Platinum ion]
The platinum ion may have any valence of Pt (II) or Pt (IV).
As the compound that forms platinum ions, it is preferable to use a salt of Pt (II) from the viewpoint of easily generating a Pt salt. Specifically, chlorides such as tetraammine dichloride platinum Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 , hexaammine dichloride platinum Pt (NH 3 ) 6 Cl 2 can be used as the compound that forms platinum ions. However, these chlorides cause the remaining chloride ions to poison the electrode and promote the complex ionization of PtCl 4 2− or PtCl 6 2− , thereby causing deterioration in battery performance. Therefore, when these compounds are used as starting materials, they are ion-exchanged using the method described later and then subjected to dechloride ion treatment (washing with warm water and anion exchange resin) It is preferable to fix chloride ions as hardly soluble chlorides by washing with an aqueous solution containing cations (Ag + , Cs + , BiO + , YbO + ).

塩化物より好ましい白金化合物としては、ジクロライドのClをCl以外のアニオンとしたものである。例えば、テトラアンミン白金リン酸水溶液、炭酸水素テトラアンミン白金、テトラアンミン白金水酸化物溶液、水酸化テトラアンミン白金水和物、硝酸テトラアンミン白金、亜硝酸ジアンミン白金アンモニア水溶液、ヘキサアンミン白金水酸化物Pt(NH3)6(OH)4、硝酸ヘキサアンミン白金Pt(NH3)6(NO3)4、硫酸ヘキサアンミン白金Pt(NH3)6(SO4)2などがある。
これらを用いた場合でも、過剰のPtイオンの配位子(アンモニア、アミン、硝酸イオン、硫酸イオン等)が残存すると、Ptの溶出を促すので、塩化物を使用した場合と同様に十分水洗することが好ましい。
Preferable platinum compounds than chlorides are those in which Cl of dichloride is an anion other than Cl. For example, tetraammineplatinum phosphate aqueous solution, tetraammineplatinum bicarbonate, tetraammineplatinum hydroxide solution, tetraammineplatinum hydrate, tetraammineplatinum nitrate, diammineplatinum ammonia aqueous solution, hexaammineplatinum hydroxide Pt (NH 3 ) 6 (OH) 4 , hexaammineplatinum nitrate Pt (NH 3 ) 6 (NO 3 ) 4 , hexaammineplatinum sulfate Pt (NH 3 ) 6 (SO 4 ) 2 and the like.
Even when these are used, if excess Pt ion ligands (ammonia, amine, nitrate ion, sulfate ion, etc.) remain, Pt elution is promoted. It is preferable.

[1.3.2.11. ピラゾロン系イオン]
ピラゾロン系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、3メチル−1−フェニル−5−ピラゾロンなどがある。
[1.3.2.11. Pyrazolone ions]
Specific examples of compounds that generate pyrazolone ions include aminopyrine, antipyrine, and 3-methyl-1-phenyl-5-pyrazolone that are known to react with silicomolybdic acid.

[1.3.3. 難溶性]
ヘテロポリ酸塩を電解質膜又は電極内に留め、長期間に渡って効果を持続させるためには、ヘテロポリ酸塩は、難溶性であるものが好ましい。
ここで、「難溶性」とは、ヘテロポリ酸を10g/Lの濃度で溶解した溶液5mLと、カチオンの濃度が4×10-3Nの溶液1mLとを混合し、室温で1日間放置したときに沈殿が生成することをいう。電解質内部のpHは、0〜1程度の強酸性であることが知られているので、ヘテロポリ酸塩は、強酸性下、80℃近傍(燃料電池作動温度)で完全に溶解しないこと、即ち不溶性が理想である。しかしながら、完全な不溶性でなくても、所定の条件下で沈殿を生成するヘテロポリ酸塩であれば、燃料電池作動下でも電池性能を阻害することなく、MEAの耐久性を十分改善することができる。
上述したヘテロポリ酸イオンと結合するカチオンの中でも、特に、セシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、含窒素複素環化合物イオン、ホスホニウムイオン、グアニジウムイオン、核酸塩基、白金イオン、及び、ピラゾロン系イオンから選ばれるいずれか1以上が好ましい。これらのヘテロポリ酸塩は、いずれもMEAの耐久性を改善する作用があり、しかも水に対して高い難溶性を有するものが多いので、電解質膜内に長期間留まることができる。
[1.3.3. Slightly soluble]
In order to retain the heteropolyacid salt in the electrolyte membrane or electrode and maintain the effect for a long period of time, the heteropolyacid salt is preferably insoluble.
Here, “slightly soluble” means that 5 mL of a solution in which a heteropolyacid is dissolved at a concentration of 10 g / L and 1 mL of a solution having a cation concentration of 4 × 10 −3 N are mixed and left at room temperature for 1 day. This means that a precipitate is formed. Since the pH inside the electrolyte is known to be strong acidity of about 0 to 1, the heteropolyacid salt does not completely dissolve at around 80 ° C. (fuel cell operating temperature) under strong acidity, that is, insoluble. Is ideal. However, even if it is not completely insoluble, if it is a heteropoly acid salt that forms a precipitate under predetermined conditions, the durability of MEA can be sufficiently improved without impairing the cell performance even under the operation of the fuel cell. .
Among the cations that bind to the heteropolyacid ions mentioned above, in particular, cesium ions, quaternary alkyl ammonium ions, pyridinium ions, imidazolium ions, nitrogen-containing heterocyclic compound ions, phosphonium ions, guanidinium ions, nucleobases, platinum ions Any one or more selected from pyrazolone ions is preferred. All of these heteropolyacid salts have an effect of improving the durability of MEA, and many of them have high insolubility in water, so that they can remain in the electrolyte membrane for a long time.

[1.4. ヘテロポリ酸塩の含有量]
ヘテロポリ酸塩の含有量は、目的に応じて最適な量を選択する。一般に、ヘテロポリ酸の含有量が少ないと、過酸化水素分解活性が低下し、耐久性向上効果が小さくなる。実用十分な耐久性を得るためには、ヘテロポリ酸塩の含有量は、電解質の酸基当たりのカチオン量に換算して0.1%以上が好ましい。ヘテロポリ酸塩の含有量は、さらに好ましくは、電解質の酸基当たりのカチオン量に換算して0.5%以上である。
一方、ヘテロポリ酸塩の含有量が過剰になると、部分的に溶解したヘテロポリ酸イオンによる電極被毒が大きくなり、電池性能が低下する。また、電解質膜が脆化し易く、機械的性質の低下が大きくなる。従って、ヘテロポリ酸塩の含有量は、電解質の酸基当たりのカチオン量に換算して20%以下が好ましい。ヘテロポリ酸塩の含有量は、さらに好ましくは、電解質の酸基当たりのカチオン量に換算して5%以下である。
[1.4. Content of heteropolyacid salt]
The optimum content of the heteropolyacid salt is selected according to the purpose. In general, when the content of the heteropolyacid is small, the hydrogen peroxide decomposition activity is lowered and the durability improving effect is reduced. In order to obtain practically sufficient durability, the content of the heteropolyacid salt is preferably 0.1% or more in terms of the amount of cation per acid group of the electrolyte. The content of the heteropolyacid salt is more preferably 0.5% or more in terms of the cation amount per acid group of the electrolyte.
On the other hand, when the content of the heteropolyacid salt becomes excessive, electrode poisoning due to partially dissolved heteropolyacid ions increases, and the battery performance decreases. In addition, the electrolyte membrane is easily embrittled and the mechanical properties are greatly reduced. Therefore, the content of the heteropolyacid salt is preferably 20% or less in terms of the amount of cation per acid group of the electrolyte. The content of the heteropolyacid salt is more preferably 5% or less in terms of the amount of cation per acid group of the electrolyte.

[1.5 ハロゲン量]
ハロゲンイオン(特に、塩化物イオン)は、電極被毒や触媒金属の溶出を促進し、電池性能を低下させる原因となる。従って、電解質中のハロゲンイオンの含有量は、少ない程よい。電池性能の低下を抑制するためには、ハロゲンイオンの含有量は、電解質重量当たり10ppm以下が好ましい。
[1.5 Halogen content]
Halogen ions (particularly chloride ions) promote electrode poisoning and elution of catalytic metals, and cause battery performance to deteriorate. Therefore, the lower the halogen ion content in the electrolyte, the better. In order to suppress a decrease in battery performance, the halogen ion content is preferably 10 ppm or less per electrolyte weight.

[2. 固体高分子型燃料電池の製造方法(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の製造方法は、カチオン接触工程と、ヘテロポリ酸イオン接触工程とを備えている。
[2. Method for producing polymer electrolyte fuel cell (1)]
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment of the present invention includes a cation contact step and a heteropolyacid ion contact step.

[2.1. カチオン接触工程]
カチオン接触工程は、ヘテロポリ酸イオンと結合することによってヘテロポリ酸塩となるカチオンと、電解質とを接触させる工程である。
[2.1. Cationic contact process]
The cation contact step is a step in which a cation that becomes a heteropolyacid salt by binding to a heteropolyacid ion is brought into contact with the electrolyte.

[2.1.1. カチオン]
カチオンは、特に限定されるものではなく、上述した種々のカチオンを用いることができる。カチオンとしては、特に、セシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、含窒素複素環化合物イオン、ホスホニウムイオン、グアニジウムイオン、核酸塩基、白金イオン、及び、ピラゾロン系イオンから選ばれるいずれか1以上が好ましい。
[2.1.1. Cation]
The cation is not particularly limited, and various cations described above can be used. The cation is particularly selected from cesium ion, quaternary alkyl ammonium ion, pyridinium ion, imidazolium ion, nitrogen-containing heterocyclic compound ion, phosphonium ion, guanidinium ion, nucleobase, platinum ion and pyrazolone ion. Any one or more of these is preferable.

カチオン導入に際しては、電解質に残留するハロゲンイオン(特に、塩化物イオン)の量が電解質重量当たり10ppm以下となるようにするのが好ましい。そのためには、カチオン導入に用いる試薬として、対アニオンが非ハロゲンイオンであるものを用いるのが好ましい。特に、塩化物、臭化物、ヨウ化物は薦められない。
カチ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。
例えば、Cs+の場合、過塩素酸セシウム、硝酸セシウム、硫酸セシウム、ギ酸セシウム、酢酸セシウム、シュウ酸セシウム、クエン酸セシウム、水酸化セシウム、炭酸セシウムなどが好ましい。
When introducing the cation, it is preferable that the amount of halogen ions (particularly chloride ions) remaining in the electrolyte be 10 ppm or less per electrolyte weight. For that purpose, it is preferable to use a reagent whose counter anion is a non-halogen ion as a reagent used for cation introduction. In particular, chlorides, bromides and iodides are not recommended.
Specific examples of the counter ion for introducing a cation include a hydroxide ion, a carbonate ion, a formate ion, an acetate ion, a propionate ion, an oxalate ion, a maleate ion, an adipate ion, a 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, phosphate Hydrogen ion, dibutyl phosphate ion, benzotriazolate ion, decanoic acid ion, methyl carbonate ion and the like are preferable.
For example, in the case of Cs + , cesium perchlorate, cesium nitrate, cesium sulfate, cesium formate, cesium acetate, cesium oxalate, cesium citrate, cesium hydroxide, cesium carbonate and the like are preferable.

特に、ギ酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩は、pHを極端にアルカリにして共雑イオンを沈殿させることがなく、触媒への被毒作用も小さいので、カチオン導入用の原料として好適である。また、水酸化物も低濃度であればpHを極端に増大させないので、問題なく使用することができる。   In particular, formate, carbonate, and hydrogen carbonate are suitable as a cation-introducing raw material because the pH is extremely alkalinized so that no mixed ions are precipitated and the poisoning action on the catalyst is small. In addition, if the hydroxide is also at a low concentration, the pH will not be increased extremely, so that it can be used without any problem.

[2.1.2. 電解質との接触]
「カチオンと電解質とを接触させる」とは、MEA、又は、MEAの構成要素(例えば、電解質膜、触媒層、転写触媒シート、電解質及び触媒を溶媒に分散させた触媒ペーストなど)とカチオンを含む溶液とを接触させ、電解質の酸基のプロトンとカチオンとをイオン交換させることをいう。
[2.1.2. Contact with electrolyte]
“Contacting a cation with an electrolyte” includes MEA or a component of MEA (for example, an electrolyte membrane, a catalyst layer, a transfer catalyst sheet, a catalyst paste in which an electrolyte and a catalyst are dispersed in a solvent) and a cation. It means that the solution is brought into contact with each other to ion-exchange protons and cations of the acid group of the electrolyte.

ヘテロポリ酸塩は、触媒層内電解質又は電解質膜のいずれに添加しても良いが、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して触媒層/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ことを防止することが好ましい。即ち、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。膜表面又は触媒層の最深部にヘテロポリ酸塩を濃化させるためには、処理対象は、電解質膜、触媒層、又は転写触媒シートが好ましい。
但し、過度の濃化は、膜/触媒層の接合性を低下させるため、注意が必要である。
The heteropolyacid salt may be added to either the electrolyte in the catalyst layer or the electrolyte membrane, but since hydrogen peroxide is generated at the electrode, it is added to the electrolyte in the catalyst layer or at the interface of the membrane / catalyst layer. It is preferable to concentrate and exist in the catalyst layer / or electrolyte membrane to prevent hydrogen peroxide from diffusing into the membrane. That is, these compounds are preferably concentrated and added to the membrane surface or the deepest portion of the catalyst layer (junction with the membrane). In order to concentrate the heteropolyacid salt at the membrane surface or the deepest part of the catalyst layer, the treatment target is preferably an electrolyte membrane, a catalyst layer, or a transfer catalyst sheet.
However, caution is required because excessive concentration reduces the membrane / catalyst layer bondability.

接触の方法は、特に限定されるものではなく、スプレー塗布、浸漬などの各種の方法を用いることができる。例えば、電解質膜を浸漬する場合は、40℃以上で加温し、処理溶液を攪拌するのが好ましい。加温及び攪拌により、イオン交換による時間を短縮することができる。浸漬後、不要のイオン成分を水洗する。
また、一旦、アルコール等の非水溶媒又は水とこれらの非水溶媒との混合溶媒に電解質膜を浸漬させて膨潤させた後、水溶液中でイオン交換すると、電解質膜内部までイオン交換することができる。
The contact method is not particularly limited, and various methods such as spray coating and immersion can be used. For example, when immersing the electrolyte membrane, it is preferable to heat at 40 ° C. or higher and to stir the treatment solution. The time for ion exchange can be shortened by heating and stirring. After immersion, unnecessary ionic components are washed with water.
Moreover, once the electrolyte membrane is immersed and swollen in a nonaqueous solvent such as alcohol or a mixed solvent of water and these nonaqueous solvents and then ion exchanged in an aqueous solution, the ion exchange can be performed up to the inside of the electrolyte membrane. it can.

溶媒は、カチオンを形成する化合物を溶解できるものであれば良い。溶媒としては、具体的には、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。
ホスホニウム化合物や4級アンモニウム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。従って、分子量の大きなこれらの化合物をイオン交換する場合には、これらの化合物を一旦アルコール等の有機溶媒に溶解してから水に加えるのが好ましい。このような溶液にMEA、触媒層又は膜を浸漬すると、電解質内にこれらのイオンを容易に導入することができる。
Any solvent may be used as long as it can dissolve a compound that forms a cation. Specifically, polar solvents such as water, ethanol and isopropanol are preferred as the solvent.
Some phosphonium compounds and compounds containing quaternary ammonium ions become insoluble in water as the molecular weight increases, and the solubility in alcohols and other organic solvents also decreases. Therefore, when ion-exchanging these compounds having a large molecular weight, it is preferable that these compounds are once dissolved in an organic solvent such as alcohol and then added to water. When MEA, a catalyst layer, or a membrane is immersed in such a solution, these ions can be easily introduced into the electrolyte.

溶液中におけるカチオンを形成可能な化合物の濃度は、0.01mM/L〜1mM/Lの希薄溶液が好ましく、電解質の酸基を部分的にイオン交換しようとする量に対応する化合物を溶解させれば良い。1mM/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が必要である。   The concentration of the compound capable of forming a cation in the solution is preferably a dilute solution of 0.01 mM / L to 1 mM / L, and the compound corresponding to the amount to partially ion-exchange the acid group of the electrolyte can be dissolved. It ’s fine. When ion exchange is performed at a high concentration exceeding 1 mM / L, it is necessary to note that nearly 100% of protons are ion-exchanged and the proton conductivity of the electrolyte may be lost.

溶液のpHは、2以上であることが好ましい。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て電解質は酸体が安定となり、所望のイオン導入が困難となる。
イオン交換に要する時間は、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、8hr以上必要とする。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ため、加温して行うことが好ましい。
The pH of the solution is preferably 2 or more. In the ion exchange in an acidic solution having a pH of less than 2, the number of protons is so large that the acid body of the electrolyte becomes stable, making it difficult to introduce desired ions.
The time required for ion exchange is 8 hours or more in order to exchange nearly 100% of the acid groups of the electrolyte with these ions at room temperature. On the other hand, when heating at a temperature of 40 ° C. or higher, ion exchange proceeds in about 1 to 4 hours.

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い。従って、特に水洗を必要としない。
一方、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。また、凝縮水のイオン伝導度が増加し、配管等が腐食するおそれが生じる。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のが好ましい。
When a small amount of ions are ion-exchanged with the acid group of the electrolyte, the battery performance is not hindered because the counter anion contained in the treatment liquid is small. Therefore, no particular water washing is required.
On the other hand, when 1% or more of electrolyte protons are ion-exchanged, electrode poisoning due to counter anions cannot be ignored. In addition, the ionic conductivity of the condensed water increases, and the piping and the like 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.

[2.1.3. カチオン導入量]
カチオンの導入量が少なすぎると、耐久性向上の効果が小さい。従って、カチオン導入量は、電解質の酸基割合に換算して0.1%以上が好ましい。カチオン導入量は、さらに好ましくは、電解質の酸基割合に換算して0.5%以上である。
一方、カチオンの導入量が過剰になると、電池性能の低下が甚だしい。従って、カチオン導入量は、電解質の酸基割合に換算して20%以下が好ましい。カチオン導入量は、さらに好ましくは、電解質の酸基割合に換算して5%以下である。
ここで、「カチオン導入量が電解質の酸基割合に換算してx%である」とは、酸基100に対してx/n(nはカチオンの価数)の割合でカチオンが導入されていることをいう。例えば、2価カチオンは、1価カチオンに比べ1/2のモル数の導入量で同一の酸基割合で導入されることになる。
[2.1.3. Cation introduction amount]
If the amount of cation introduced is too small, the effect of improving durability is small. Therefore, the cation introduction amount is preferably 0.1% or more in terms of the acid group ratio of the electrolyte. More preferably, the cation introduction amount is 0.5% or more in terms of the acid group ratio of the electrolyte.
On the other hand, when the amount of cation introduced is excessive, the battery performance is significantly lowered. Therefore, the cation introduction amount is preferably 20% or less in terms of the acid group ratio of the electrolyte. More preferably, the cation introduction amount is 5% or less in terms of the acid group ratio of the electrolyte.
Here, “the amount of cation introduced is x% in terms of the acid group ratio of the electrolyte” means that cations are introduced at a ratio of x / n (n is the valence of the cation) with respect to the acid group 100. It means being. For example, divalent cations are introduced at the same acid group ratio with an introduction amount of ½ mole compared to monovalent cations.

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。従って、例えば、触媒層内電解質又は電解質のいずれか一方のみをイオン交換してヘテロポリ酸塩を含む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がMEA内部を拡散し、電解質膜又は触媒層に移行して均質化することがある。従って、いずれか一方にのみ添加する場合には、カチオンは、電解質の酸基割合に換算して20%を超えて添加しても良い。
ヘテロポリ酸の添加量は、MEAに含まれる電解質全体の酸基当たりのカチオン量に換算して0.1〜20%であれば良い。さらに好適な添加割合は、MEAに含まれる電解質全体の酸基当たりのカチオン量に換算して0.5〜5%である。
In general, the ratio of acid groups in 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. The number of acid groups in the electrolyte membrane is large. Therefore, for example, when an MEA containing a heteropoly acid salt is produced by ion-exchange only one of the electrolyte in the catalyst layer or the electrolyte, ions of the compound added during operation diffuse inside the MEA, and the electrolyte membrane Or it may move to a catalyst layer and homogenize. Therefore, when added to only one of them, the cation may be added in excess of 20% in terms of the acid group ratio of the electrolyte.
The addition amount of the heteropoly acid may be 0.1 to 20% in terms of the cation amount per acid group of the entire electrolyte contained in the MEA. A more preferable addition ratio is 0.5 to 5% in terms of the cation amount per acid group of the entire electrolyte contained in the MEA.

[2.2. ヘテロポリ酸イオン接触工程]
ヘテロポリ酸イオン接触工程は、カチオンでイオン交換した電解質とヘテロポリ酸イオンとを接触させる工程である。
「ヘテロポリ酸イオンと電解質とを接触させる」とは、MEA、又は、MEAの構成要素(例えば、電解質膜、触媒層、転写触媒シート、電解質及び触媒を溶媒に分散させた触媒ペーストなど)とヘテロポリ酸イオンを含む溶液とを接触させることをいう。
カチオンでイオン交換された電解質とヘテロポリ酸イオンを含む溶液とを接触させると、ヘテロポリ酸塩が生成する。ヘテロポリ酸塩が難溶性である場合には、ヘテロポリ酸塩が沈殿固定される。電解質の酸基は、この処理で再びH体となるので、プロトン伝導性が復活する。必要があれば、さらに水洗を行い、不要のイオン成分を除去する。
[2.2. Heteropolyacid ion contact process]
The heteropolyacid ion contacting step is a step of bringing the electrolyte ion-exchanged with a cation into contact with the heteropolyacid ion.
“Contacting a heteropolyacid ion with an electrolyte” means MEA or MEA components (for example, an electrolyte membrane, a catalyst layer, a transfer catalyst sheet, a catalyst paste in which an electrolyte and a catalyst are dispersed in a solvent) and heteropoly Contacting a solution containing acid ions.
When an electrolyte ion-exchanged with a cation is brought into contact with a solution containing a heteropolyacid ion, a heteropolyacid salt is formed. When the heteropolyacid salt is hardly soluble, the heteropolyacid salt is precipitated and fixed. Since the acid group of the electrolyte becomes H form again by this treatment, proton conductivity is restored. If necessary, further washing with water is performed to remove unnecessary ion components.

ヘテロポリ酸イオンを含む溶液には、ヘテロポリ酸又はその可溶性塩を水に溶解させたものを用いることができる。ヘテロポリ酸としては、例えば、けいタングステン酸、りんタングステン酸、りんモリブデン酸などがある。また、可溶性塩としては、これらのアンモニウム塩、Na塩などがある。   As the solution containing the heteropolyacid ion, a solution obtained by dissolving a heteropolyacid or a soluble salt thereof in water can be used. Examples of the heteropolyacid include silicotungstic acid, phosphotungstic acid, and phosphomolybdic acid. Soluble salts include these ammonium salts and Na salts.

ヘテロポリ酸イオンを含む溶液中におけるヘテロポリ酸イオンの濃度は、特に限定されるものではなく、ヘテロポリ酸イオンの導入が容易となるように、ヘテロポリ酸イオン種や処理対象に応じて最適な濃度を選択するのが好ましい。
溶液中のヘテロポリ酸イオンの総量は、すべてのカチオンをヘテロポリ酸塩として固定できる量が好ましいが、多少の過不足があっても良い。
接触の方法は、特に限定されるものではなく、スプレー塗布、浸漬などの各種の方法を用いることができる。
The concentration of the heteropolyacid ion in the solution containing the heteropolyacid ion is not particularly limited, and an optimal concentration is selected according to the type of heteropolyacid ion and the treatment target so that the heteropolyacid ion can be easily introduced. It is preferable to do this.
The total amount of heteropolyacid ions in the solution is preferably an amount capable of fixing all cations as a heteropolyacid salt, but there may be some excess or deficiency.
The contact method is not particularly limited, and various methods such as spray coating and immersion can be used.

なお、触媒ペーストにカチオンを含む溶液を添加する場合、カチオン導入後に転写電極としても良く、あるいは、ヘテロポリ酸イオン導入後に転写電極としても良い。
また、カチオン導入の前に電解質に内在するFe等のフェントン活性を有する遷移金属イオンを酸洗浄又は酸洗浄の前に還元処理を行うか、酸洗浄を還元状態で行うことにより除いても良い。予め遷移金属イオンを除去すると、ヘテロポリ酸塩の働きが確実になり、過酸化水素耐性が強固となる。
In addition, when adding the solution containing a cation to a catalyst paste, it is good also as a transfer electrode after cation introduction | transduction, or good also as a transfer electrode after heteropoly acid ion introduction | transduction.
Further, transition metal ions having a Fenton activity such as Fe existing in the electrolyte before cation introduction may be removed by performing a reduction treatment before acid cleaning or acid cleaning, or by performing acid cleaning in a reduced state. If the transition metal ions are removed in advance, the function of the heteropolyacid salt is ensured and the hydrogen peroxide resistance is strengthened.

[2.3. 具体例]
Cs+によりイオン交換を行い、ヘテロポリ酸としてH3PW1240を使用する場合について、具体的に説明する。電解質の酸基がスルホン酸基である場合、ヘテロポリ酸のプロトンがすべてCs+で置換されたとすると、この反応は、以下の(1)式及び(2)式で表される。(1)式は、電解質プロトンとカチオンのイオン交換を表す。(2)式は、H体再生とヘテロポリ酸塩固定を表す。
R−SO3H+Cs+→R−SO3Cs+H+ ・・・(1)
3R−SO3Cs+H3PW1240→3R−SO3H+Cs3PW1240↓ ・・・(2)
[2.3. Concrete example]
The case where ion exchange is performed with Cs + and H 3 PW 12 O 40 is used as the heteropolyacid will be specifically described. In the case where the acid group of the electrolyte is a sulfonic acid group, this reaction is expressed by the following formulas (1) and (2), assuming that all protons of the heteropolyacid are substituted with Cs + . The formula (1) represents ion exchange between electrolyte protons and cations. Formula (2) represents H-body regeneration and heteropolyacid salt fixation.
R-SO 3 H + Cs + → R-SO 3 Cs + H + (1)
3R-SO 3 Cs + H 3 PW 12 O 40 → 3R-SO 3 H + Cs 3 PW 12 O 40 ↓ (2)

なお、Li+、Na+、K+等のアルカリイオン、Ni+、Ag+等の遷移金属イオン、Ce3+、Ce4+等の希土類金属イオンのように、ヘテロポリ酸塩を形成しても溶解度が比較的大きいものがある(易溶性イオン)。その場合は、電解質酸基にヘテロポリ酸のカチオン部分を導入する際に用いるカチオンのカウンターアニオンは、水酸イオンや炭酸イオンのように残留しても被毒作用が小さいものを用い、ヘテロポリ酸イオンと反応させた後は、過剰な水洗を避けると良い。 It is also possible to form heteropoly acid salts such as alkali ions such as Li + , Na + and K + , transition metal ions such as Ni + and Ag + , and rare earth metal ions such as Ce 3+ and Ce 4+. Some have relatively high solubility (easily soluble ions). In that case, the counter anion of the cation used when introducing the cation part of the heteropoly acid into the electrolyte acid group is a cation counter anion having a small poisoning action even if it remains like a hydroxide ion or carbonate ion. After reacting with, avoid excessive washing.

また、上記易溶性イオンを難溶性塩として固定したい場合には、上記イオンに加え、沈殿しやすいイオンであるセシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ホスホニウムイオン、グアニジウムイオン、核酸塩基、白金イオン、ピラゾロン系イオンなどと一緒に置換して、共沈させればよい。
例えば、H4SiMo1240を用いる場合には、予め電解質にホスホニウムイオン(Pho+)とセリウムイオンとをイオン交換させておき、H4SiMo1240と接触させることで、単独では溶解度の高いヘテロポリ酸セリウム塩を難溶性複合塩として固定することができる。(3)式に、その反応式を示す。
Ce3++Pho++H4SiMo1240→CePhoSiMo1240↓+4H+ ・・・(3)
In addition, when it is desired to fix the readily soluble ion as a hardly soluble salt, in addition to the above ions, cesium ions, quaternary alkyl ammonium ions, pyridinium ions, imidazolium ions, phosphonium ions, guanidinium ions that are easily precipitated. Substitution together with ions, nucleobases, platinum ions, pyrazolone ions, etc., may be carried out.
For example, in the case of using H 4 SiMo 12 O 40 , phosphonium ions (Pho + ) and cerium ions are ion-exchanged in advance in the electrolyte and contacted with H 4 SiMo 12 O 40 , so High cerium polyacid cerium salt can be fixed as a poorly soluble complex salt. Equation (3) shows the reaction formula.
Ce 3+ + Pho + + H 4 SiMo 12 O 40 → CePhoSiMo 12 O 40 ↓ + 4H + (3)

[3. 固体高分子型燃料電池の製造方法(2)]
本発明の第2の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の製造方法は、ヘテロポリ酸イオン接触工程と、カチオン接触工程とを備えている。
[3. Method for producing polymer electrolyte fuel cell (2)]
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment of the present invention includes a heteropoly acid ion contact step and a cation contact step.

[3.1. ヘテロポリ酸イオン接触工程]
ヘテロポリ酸イオン接触工程は、電解質とヘテロポリ酸イオンとを接触させる工程である。すなわち、本実施の形態においては、カチオンの導入前にヘテロポリ酸イオンを導入する。この点が第1の実施の形態とは異なる。
「ヘテロポリ酸イオンと電解質とを接触させる」とは、MEA、又は、MEAの構成要素(例えば、電解質膜、触媒層、転写触媒シート、電解質及び触媒を溶媒に分散させた触媒ペーストなど)とヘテロポリ酸イオンを含む溶液とを接触させることをいう。
電解質膜とヘテロポリ酸イオンを含む溶液とを接触させると、電解質内部にヘテロポリ酸イオンが吸着する。また、膜表面又は触媒層の最深部にヘテロポリ酸塩を濃化させるためには、処理対象は、電解質膜、触媒層、又は転写触媒シートが好ましい。
[3.1. Heteropolyacid ion contact process]
The heteropolyacid ion contacting step is a step of bringing the electrolyte into contact with the heteropolyacid ion. That is, in this embodiment, heteropoly acid ions are introduced before the introduction of cations. This is different from the first embodiment.
“Contacting a heteropolyacid ion with an electrolyte” means MEA or MEA components (for example, an electrolyte membrane, a catalyst layer, a transfer catalyst sheet, a catalyst paste in which an electrolyte and a catalyst are dispersed in a solvent) and heteropoly Contacting a solution containing acid ions.
When the electrolyte membrane is brought into contact with a solution containing heteropolyacid ions, the heteropolyacid ions are adsorbed inside the electrolyte. Further, in order to concentrate the heteropolyacid salt on the membrane surface or the deepest part of the catalyst layer, the treatment target is preferably an electrolyte membrane, a catalyst layer, or a transfer catalyst sheet.

電解質が陽イオン交換樹脂(スルホン酸やカルボン酸等のアニオン)である場合には、ヘテロポリ酸イオンは電荷の反発から電解質内部に浸透しづらく、表面に濃化しやすい。そこで、ヘテロポリ酸イオンを吸着させて直ちにカチオンを含む溶液と接触させず、一旦表面を純水ですすいでから反応させ、過剰な表面濃縮を防いでも良い。
ヘテロポリ酸イオン接触工程に関するその他の点は、第1の実施の形態に係るヘテロポリ酸イオン接触工程と同様であるので、説明を省略する。
When the electrolyte is a cation exchange resin (anions such as sulfonic acid and carboxylic acid), the heteropolyacid ions are difficult to permeate into the electrolyte due to the repulsion of charges, and are easily concentrated on the surface. Therefore, it is possible to adsorb heteropoly acid ions and not immediately contact with a solution containing cations, but to rinse the surface once with pure water and react to prevent excessive surface concentration.
Since the other points regarding the heteropolyacid ion contact step are the same as the heteropolyacid ion contact step according to the first embodiment, the description thereof is omitted.

[3.2. カチオン接触工程]
カチオン接触工程は、ヘテロポリ酸イオンと結合することによってヘテロポリ酸塩となるカチオンと、ヘテロポリ酸イオンが導入された電解質とを接触させる工程である。
[3.2. Cationic contact process]
The cation contact step is a step of bringing a cation that becomes a heteropolyacid salt by binding with a heteropolyacid ion and an electrolyte into which the heteropolyacid ion is introduced.

電解質にヘテロポリ酸イオンを導入した後、所定のカチオンC+を含む溶液と接触させると、ヘテロポリ酸イオンのプロトンH+とカチオンC+とがイオン交換し、電解質内部にカチオンC+を含むヘテロポリ酸塩が生成する。また、カチオンC+の種類を最適化すると、電解質内部に難溶性のヘテロポリ酸塩が生成する。
カチオン接触工程に関するその他の点については、第1の実施の形態のカチオン接触工程と同様であるので、説明を省略する。
When a heteropolyacid ion is introduced into the electrolyte and then brought into contact with a solution containing a predetermined cation C + , the proton H + and the cation C + of the heteropolyacid ion undergo ion exchange, and the heteropolyacid containing the cation C + inside the electrolyte Salt is formed. In addition, when the type of cation C + is optimized, a poorly soluble heteropolyacid salt is generated inside the electrolyte.
Since the other points regarding the cation contact step are the same as those of the cation contact step of the first embodiment, description thereof is omitted.

[4. 固体高分子型燃料電池の製造方法の作用]
MEAの耐久性を向上させるために、膜又は電極に種々の化合物やイオンを導入することが行われている。しかしながら、従来のこの種の添加物は、いずれも実用上十分な耐性を得るためには、相対的に多量の添加を必要とする場合が多い。この種の添加物の多量添加は、膜の機械的強度や可撓性の低下、あるいは、膜又は電極に含まれる電解質のプロトン伝導度の低下の原因となる。
さらに、ある種の添加物を炭化水素系電解質に添加すると、逆に耐久性が低下する場合がある。一方、炭化水素系電解質のラジカル耐性を向上させる添加物としては、例えば、過酸化水素を非ラジカル分解できるアルカリ金属化合物や過酸化水素を包摂して安定化する四級アンモニウム化合物などがある。しかしながら、アルカリ金属化合物は、水に易溶であるものが多く、長期間の使用ではMEA系外に持ち出され、良好な耐久性を維持できない。また、四級アルキルアンモニウム化合物は、高温において過酸化水素及びラジカルに対して不安定なものが多く、耐久改善効果が十分ではない。
[4. Operation of production method of polymer electrolyte fuel cell]
In order to improve the durability of MEA, various compounds and ions are introduced into a membrane or an electrode. However, these conventional additives of this type often require a relatively large amount of addition in order to obtain practically sufficient resistance. Addition of a large amount of this type of additive causes a decrease in the mechanical strength and flexibility of the membrane, or a decrease in the proton conductivity of the electrolyte contained in the membrane or electrode.
Furthermore, when certain additives are added to the hydrocarbon electrolyte, the durability may be reduced. On the other hand, examples of the additive for improving the radical resistance of the hydrocarbon electrolyte include an alkali metal compound capable of non-radical decomposition of hydrogen peroxide and a quaternary ammonium compound which includes hydrogen peroxide and stabilizes it. However, many alkali metal compounds are easily soluble in water, and they are taken out of the MEA system for a long period of use and cannot maintain good durability. Moreover, many quaternary alkyl ammonium compounds are unstable to hydrogen peroxide and radicals at high temperatures, and the durability improvement effect is not sufficient.

また、耐久性を向上させるために化合物やイオンを添加する場合において、これらの添加物とフェントン活性を有する不純物との間に相互作用が存在する。すなわち、遷移金属イオン(特に、鉄イオン(Fe2+/Fe3+))があるしきい値を超えて電解質に存在すると、添加物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。 In addition, when compounds or ions are added to improve durability, there is an interaction between these additives and impurities having Fenton activity. That is, if transition metal ions (especially iron ions (Fe 2+ / Fe 3+ )) exist in the electrolyte above a certain threshold, the effect of the additive is lost or conversely the hydrogen peroxide resistance deteriorates. There is a case to let you.

さらに、燃料電池の空気極の触媒として使用されているPt、Pd、Ru、Agなどの貴金属元素は、運転中に触媒層から溶出し、膜内部で析出したり、触媒層で再析出して触媒粒子が粒成長し、電池性能が低下することが知られている。また、燃料極の触媒として使われるPt−Ru合金においても、PtやRuの溶出あるいは粒成長により電池性能が低下すると言われている。これら電極の貴金属元素の劣化は、運転電位の変動で促進されることが知られている。さらに、貴金属イオンの中にもフェントン活性を示すものがあることが知られており、このような貴金属イオンの溶出は、電解質を劣化させ、その劣化生成物が電極を被毒し、電池性能が低下すると言われている。   Furthermore, noble metal elements such as Pt, Pd, Ru, and Ag used as a catalyst for the air electrode of the fuel cell elute from the catalyst layer during operation and precipitate inside the membrane or reprecipitate in the catalyst layer. It is known that catalyst particles grow and battery performance is reduced. In addition, it is said that the Pt—Ru alloy used as a fuel electrode catalyst also deteriorates in battery performance due to elution or grain growth of Pt and Ru. It is known that the deterioration of the noble metal elements of these electrodes is promoted by fluctuations in the operating potential. Furthermore, it is known that some noble metal ions exhibit Fenton activity. Such elution of noble metal ions deteriorates the electrolyte, and the deterioration products poison the electrodes, and the battery performance is reduced. It is said to decline.

しかしながら、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減、及び、貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を図るためには、従来、別個の対策を講じる必要があり、これらを同時に解決する方法が提案された例は従来にはない。   However, in order to improve the resistance to hydrogen peroxide, reduce the impurity ions having Fenton activity, and suppress the performance degradation caused by the elution of noble metal elements, it is necessary to take separate measures in the past. There has never been an example in which a method for solving the problem simultaneously has been proposed.

これに対し、所定のカチオンと電解質とを接触させ、次いでヘテロポリ酸イオンと電解質とを接触させると、電解質内部に所定の組成を有するヘテロポリ酸塩を均一に形成することができる。同様に、ヘテロポリ酸イオンと電解質とを接触させ、次いで所定のカチオンと電解質とを接触させると、電解質内部に所定の組成を有するヘテロポリ酸塩を均一に形成することができる。所定の組成を有するヘテロポリ酸塩を電解質内部に分散させると、過酸化水素耐性の向上、フェントン活性を有する不純物イオンの低減及び貴金属元素の溶出に起因する性能低下の抑制を同時に図ることができる。
これは、
(1)ヘテロポリ酸塩自体が過酸化水素のイオン分解触媒となって過酸化水素を無害化するため、
(2)ヘテロポリ酸塩がフェントン活性を有する不純物遷移金属イオン(特に、可溶性鉄イオン)を捕捉し、フェントン活性を失活させるため、及び、
(3)ヘテロポリ酸塩が溶出した貴金属イオンを捕捉してキレート化し、貴金属イオンが電極沖合に溶出・拡散することを防ぐため、
と考えられる。
さらに、所定のカチオンとヘテロポリ酸との塩は難溶性であり、長期間に渡って電解質膜又は電極内に留まることができるため、これらの効果を長期間に渡って持続させることができる。
On the other hand, when a predetermined cation is brought into contact with the electrolyte, and then the heteropoly acid ion is brought into contact with the electrolyte, a heteropoly acid salt having a predetermined composition can be uniformly formed inside the electrolyte. Similarly, when a heteropolyacid ion is brought into contact with an electrolyte, and then a predetermined cation is brought into contact with an electrolyte, a heteropolyacid salt having a predetermined composition can be uniformly formed inside the electrolyte. When a heteropolyacid salt having a predetermined composition is dispersed inside the electrolyte, it is possible to simultaneously improve resistance to hydrogen peroxide, reduce impurity ions having Fenton activity, and suppress performance degradation due to elution of noble metal elements.
this is,
(1) Since the heteropolyacid salt itself becomes an ion decomposition catalyst for hydrogen peroxide and detoxifies hydrogen peroxide,
(2) The heteropolyacid salt traps impurity transition metal ions (particularly soluble iron ions) having Fenton activity and deactivates Fenton activity; and
(3) To capture and chelate the precious metal ions eluted by the heteropoly acid salt and prevent the precious metal ions from eluting and diffusing off the electrode,
it is conceivable that.
Furthermore, since the salt of a predetermined cation and heteropolyacid is hardly soluble and can remain in an electrolyte membrane or an electrode for a long period of time, these effects can be sustained for a long period of time.

また、電解質内にイオンを導入し、電解質内部でヘテロポリ酸塩を生成させる方法は、固体のヘテロポリ酸塩粉末と電解質とを機械的に混合する場合に比べて、少量で高い効果が得られる。これは、このような方法を用いることによって、微細なヘテロポリ酸塩が電解質内部に均一に分散するためと考えられる。   Further, the method of introducing ions into the electrolyte and generating the heteropolyacid salt inside the electrolyte can achieve a high effect in a small amount as compared with the case where the solid heteropolyacid salt powder and the electrolyte are mechanically mixed. This is presumably because fine heteropolyacid salts are uniformly dispersed inside the electrolyte by using such a method.

(実施例1〜6)
[1. 試験方法]
各ヘテロポリ酸を10g/Lの濃度で溶解した溶液5mLと、各陽イオンの濃度が4×10-3Nの溶液1mLとをガラス容器内で混合した。これを、室温で1日間放置して、沈殿生成の有無を観察した(実施例1〜6)。溶液のpHは、1〜2の強酸性であった。
(Examples 1-6)
[1. Test method]
5 mL of a solution in which each heteropolyacid was dissolved at a concentration of 10 g / L and 1 mL of a solution having a concentration of each cation of 4 × 10 −3 N were mixed in a glass container. This was left to stand at room temperature for 1 day, and the presence or absence of precipitation was observed (Examples 1 to 6). The pH of the solution was strong acidity of 1-2.

[2. 結果]
表1及び表2に、その結果を示す。なお、表1及び表2中、直ちに沈殿が生成したものを「◎」、数時間後に沈殿が生成したものを「○」、沈殿が生じなかったものを「×」で表した。「−」は、未実施を表す。
陽イオンの内、セシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、含窒素複素環化合物イオン、ホスホニウムイオン、グアニジウムイオン、核酸塩基、白金イオン、及び、ピラゾロン系イオンは、少なくとも1つのヘテロポリ酸と沈殿を生じた。
一方、Cs以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、白金イオンを除く希土類・遷移金属イオンでは、いずれも沈殿は生じなかった。従って、これらのイオンは、前者の沈殿可能なイオンと共沈させた状態で使用するのが好ましい。
[2. result]
Tables 1 and 2 show the results. In Tables 1 and 2, “◎” indicates that a precipitate was immediately generated, “◯” indicates that a precipitate was formed after several hours, and “×” indicates that no precipitate was generated. "-" Represents not implemented.
Among the cations, cesium ion, quaternary alkyl ammonium ion, pyridinium ion, imidazolium ion, nitrogen-containing heterocyclic compound ion, phosphonium ion, guanidinium ion, nucleobase, platinum ion, and pyrazolone ion are at least A precipitation with one heteropolyacid occurred.
On the other hand, precipitation did not occur in any of the rare earth / transition metal ions except alkali metal ions other than Cs, alkaline earth metal ions, and platinum ions. Therefore, it is preferable to use these ions in a state where they are co-precipitated with the former ions capable of being precipitated.

Figure 0005447791
Figure 0005447791

Figure 0005447791
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(実施例7〜9、比較例1〜5)
[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製容器内に入れたトリブチルメチルホスホニウム(TBMP+)カーボネート水溶液120mLに80℃×8hr浸漬し、膜酸基の1%をイオン交換した。次に、膜をPP製容器内に入れた超純水120mLに浸漬し、80℃×2hrのすすぎを4回繰り返し、余剰のイオンを除いた。
次に、H3PW1240を1g/Lの濃度で超純水120mLに溶解した溶液をPP製容器に入れ、溶液中に膜を浸漬し、難溶性のヘテロポリ酸塩を膜に形成した。その後、膜をPP製容器内に入れた超純水120mLに浸漬し、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7)。
(Examples 7-9, Comparative Examples 1-5)
[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 an aqueous solution of tributylmethylphosphonium (TBMP + ) carbonate in a PP container at 80 ° C. for 8 hours, and 1% of the membrane acid group was absorbed. Ion exchange was performed. Next, the membrane was immersed in 120 mL of ultrapure water placed in a PP container, and rinsing at 80 ° C. × 2 hr was repeated four times to remove excess ions.
Next, a solution in which H 3 PW 12 O 40 was dissolved in 120 mL of ultrapure water at a concentration of 1 g / L was placed in a PP container, and the membrane was immersed in the solution to form a hardly soluble heteropolyacid salt on the membrane. . Thereafter, the membrane was immersed in 120 mL of ultrapure water placed in a PP container, and rinsing at 80 ° C. × 2 hr was repeated 4 times to remove excess ions (Example 7).

また、別に同上の大きさの膜1枚を、トリブチルメチルホスホニウムカーボネートに代えてリン酸水素アンモニウム白金錯体(Pt2+)を溶かした120mLの水溶液で80℃×8hr処理し、膜酸基の1%をPt2+でイオン交換した。次いで、膜をH3PW1240水溶液と反応させ、ヘテロポリ酸白金塩を膜に形成した。さらに、膜をPP製容器に入れた超純水120mLに浸漬し、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8)。 Separately, one membrane having the same size as above was treated with 120 mL of an aqueous solution of ammonium hydrogenphosphate platinum complex (Pt 2+ ) instead of tributylmethylphosphonium carbonate at 80 ° C. for 8 hours to obtain 1 of the membrane acid group. % Was ion exchanged with Pt 2+ . Next, the membrane was reacted with an aqueous H 3 PW 12 O 40 solution to form a heteropolyacid platinum salt on the membrane. Furthermore, 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 ions (Example 8).

また、硝酸セシウム溶液で膜酸基の1%をCs+イオンでイオン交換した。次いで、膜をH3PW1240水溶液と反応させ、ヘテロポリ酸セシウムを膜に形成した。さらに、膜をPP製容器に入れた超純水120mLに浸漬し、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9)。 Further, 1% of membrane acid groups were ion-exchanged with Cs + ions in a cesium nitrate solution. Next, the film was reacted with an aqueous H 3 PW 12 O 40 solution to form cesium heteropolyacid in the film. Furthermore, 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 ions (Example 9).

また、比較として、
(1)入手ままの膜(比較例1)、
(2)TBMP+、Cs+又はCe3+によるイオン交換のみを行った膜(比較例2〜4)、
(3)膜酸基の1%をCe3+で置換(硝酸セリウムCe(NO3)3・6H2Oを使用)した後、0.1Mリン酸120mLの水溶液で80℃×8hr処理し、膜内にリン酸第一セリウムを形成し、超純水すすぎを行った膜(比較例5)、
を用意した。
For comparison,
(1) As-received membrane (Comparative Example 1),
(2) Membranes subjected only to ion exchange with TBMP + , Cs + or Ce 3+ (Comparative Examples 2 to 4),
(3) After replacing 1% of membrane acid groups with Ce 3+ (using cerium nitrate Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O), treated with 80 mL of 0.1M phosphoric acid in water at 80 ° C. for 8 hours, A film in which ceric phosphate was formed in the film and rinsed with ultrapure water (Comparative Example 5),
Prepared.

[2. 試験方法]
これらの試料に対して過酸化水素蒸気の暴露試験(ドライフェントン試験)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]
These samples were subjected to a hydrogen peroxide vapor exposure test (dry Fenton 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130mL)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 in a PE container (cooled around the 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 130 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).

[3. 結果]
表3に、その結果を示す。実施例7〜9は、いずれも回収水の導電率が未処理膜(比較例1)、TBMP+イオンだけを導入した膜(比較例2)、Cs+、Ce3+をイオン交換しただけの膜(比較例3、4)よりも小さく、膜劣化の程度(イオン成分の排出)が小さかった。また、実施例7〜9では、pHが比較例1〜4より高く、F排出速度(FRR)も小さく、フッ化水素酸の生成が抑制されていた。
膜内にリン酸第一セリウムを形成した比較例5は、実施例7〜9ほどの抑制効果はなかった。
[3. result]
Table 3 shows the results. In all of Examples 7 to 9, the conductivity of the recovered water was an untreated membrane (Comparative Example 1), a membrane in which only TBMP + ions were introduced (Comparative Example 2), and only Cs + and Ce 3+ were ion-exchanged. It was smaller than the film (Comparative Examples 3 and 4), and the degree of film deterioration (discharge of ion components) was small. Moreover, in Examples 7-9, pH was higher than Comparative Examples 1-4, F discharge rate (FRR) was also small, and the production | generation of hydrofluoric acid was suppressed.
The comparative example 5 which formed the 1st cerium phosphate in the film | membrane did not have the inhibitory effect like Examples 7-9.

Figure 0005447791
Figure 0005447791

(実施例10、比較例6〜7)
[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製容器に入れた酸基の1%を置換できる硝酸セシウム溶液120mL(Cs+濃度:0.04mmol/L)に浸漬し、80℃×8hr処理した。その後、十分水洗した後に、膜をPP製容器に入れた10g/Lの濃度のりんタングステン酸水溶液120mLに浸漬し、80℃×8hr処理し、膜をH体に戻した。次に、膜をPP製容器に入れた超純水120mLに浸漬し、80℃×2hrのすすぎを4回繰り返し、余剰のイオン成分を除いた(実施例10)。
(Example 10, Comparative Examples 6-7)
[1. Preparation of sample]
One hydrocarbon electrolyte membrane of size 60 mm x 60 mm and thickness 10 μm is immersed in 120 mL of cesium nitrate solution (Cs + concentration: 0.04 mmol / L) that can replace 1% of acid groups in a PP container. And treated at 80 ° C. for 8 hours. Then, after sufficiently washing with water, the membrane was immersed in 120 mL of a 10 g / L phosphotungstic acid aqueous solution in a PP container, treated at 80 ° C. for 8 hours, and the membrane was returned to H form. Next, 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 ionic components (Example 10).

また、比較として、
(1)実施例9で沈殿生成したCs3PW1240を、炭化水素系電解質を溶媒に溶かした溶液に加え、超音波処理した後にキャスト成型した膜(添加量は、膜酸基の1%をCs+イオンで交換したものに相当、比較例6)、
(2)入手ままの膜(比較例7)、
を用意した。
For comparison,
(1) Cs 3 PW 12 O 40 precipitated in Example 9 was added to a solution obtained by dissolving a hydrocarbon-based electrolyte in a solvent, subjected to ultrasonic treatment and cast-molded (addition amount is 1 of the membrane acid group). % Equivalent to that exchanged with Cs + ions, Comparative Example 6),
(2) as-received membrane (Comparative Example 7),
Prepared.

[2. 試験方法]
実施例7〜9と同様にして、ドライフェントン試験を行い、膜の重量変化ΔW、回収水の導電率、及び、回収水のpHを測定した。また、ドライフェントン試験後に膜の着色の程度を目視により評価した。
[2. Test method]
The dry Fenton test was performed in the same manner as in Examples 7 to 9, and the weight change ΔW of the membrane, the conductivity of the recovered water, and the pH of the recovered water were measured. Further, the degree of coloration of the film was visually evaluated after the dry Fenton test.

[3. 結果]
表4に、その結果を示す。実施例10は、回収水の導電率が難溶性ヘテロポリ酸セシウム塩を機械的に混合した膜(比較例6)や未処理膜(比較例7)よりも小さく、膜劣化の程度が小さかった。また、実施例10では、pHが比較例6、7より高く、酸成分の生成が抑制されていた。
さらに、実施例10では、膜の着色程度が比較例6、7に比べて小さくなっていた。これは、・OHや・OOHラジカルに対する攻撃によって、カルボニル化合物や過酸化物の付加物ができ難くなっていることを示す。
[3. result]
Table 4 shows the results. In Example 10, the conductivity of the recovered water was smaller than the film (Comparative Example 6) or the untreated film (Comparative Example 7) in which the poorly soluble heteropolyacid cesium salt was mechanically mixed, and the degree of film deterioration was small. Moreover, in Example 10, pH was higher than the comparative examples 6 and 7, and the production | generation of the acid component was suppressed.
Furthermore, in Example 10, the degree of coloration of the film was smaller than in Comparative Examples 6 and 7. This shows that it is difficult to form adducts of carbonyl compounds and peroxides due to attacks on .OH and .OOH radicals.

Figure 0005447791
Figure 0005447791

(実施例11〜28、比較例8〜13)
[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、酸基の1%を置換できる種々のイオン溶液120mL(カチオン濃度:0.02mmol/L)に浸漬し、80℃×8hr処理した。その後、80℃×2hrの超純水すすぎを4回繰り返し、余剰のイオン成分を除いた。
十分水洗した後に、膜をPP製容器に入れた1g/Lの濃度の各ヘテロポリ酸水溶液120mLに浸漬し、80℃×8hr処理し、ヘテロポリ酸塩を膜内に固定するとともに、膜をH体に戻した。さらに、膜をPP製容器に入れた超純水120mLに浸漬し、80℃×2hrのすすぎを4回繰り返し、余剰のイオン成分を除いた(実施例11〜24)。
(Examples 11 to 28, Comparative Examples 8 to 13)
[1. Preparation of sample]
One hydrocarbon electrolyte membrane of size 60mm x 60mm and thickness 10μm is put in a PP container and immersed in 120mL (cation concentration: 0.02mmol / L) of various ion solutions that can replace 1% of acid groups. And treated at 80 ° C. for 8 hours. Thereafter, rinsing with ultrapure water at 80 ° C. × 2 hr was repeated four times to remove excess ion components.
After thoroughly washing with water, the membrane is immersed in 120 mL of each 1 g / L heteropolyacid aqueous solution in a PP container, treated at 80 ° C. for 8 hours to fix the heteropolyacid salt in the membrane, and the membrane is in H form. Returned to. Furthermore, 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 ionic components (Examples 11 to 24).

また、同上の膜を濃度1g/Lの各ヘテロポリ酸水溶液120mLに80℃×8hr浸漬処理した。次いで、膜酸基の1%相当のトリブチルメチルホスホニウムイオンを含む水溶液120mLに80℃×8hr浸漬処理した。さらに、80℃×2hrの超純水すすぎを4回繰り返し、余剰のイオン成分を除いた(実施例25〜28)。   Further, the above membrane was immersed in 120 mL of each heteropolyacid aqueous solution having a concentration of 1 g / L at 80 ° C. for 8 hours. Subsequently, it was immersed in 80 mL of an aqueous solution containing tributylmethylphosphonium ions corresponding to 1% of membrane acid groups at 80 ° C. for 8 hours. Furthermore, the ultrapure water rinse of 80 degreeC x 2 hr was repeated 4 times, and the excess ion component was removed (Examples 25-28).

比較として、
(1)各ヘテロポリ酸水溶液(濃度10g/L)に浸漬し、超純水すすぎを行っただけの膜(比較例8〜10)、
(2)トリブチルメチルホスホニウムカーボネート溶液で膜酸基の1%を置換しただけの膜(比較例11)、
(3)白金リン酸水素溶液で膜酸基の1%をPt2+で置換しただけの膜(比較例12)、
(4)硝酸銅水素溶液で膜酸基の1%をCu2+で置換しただけの膜(比較例13)、
を用意した。
As a comparison,
(1) Membranes (Comparative Examples 8 to 10) which were immersed in each aqueous heteropolyacid solution (concentration: 10 g / L) and rinsed with ultrapure water.
(2) A membrane (Comparative Example 11) in which only 1% of membrane acid groups are substituted with a tributylmethylphosphonium carbonate solution,
(3) A membrane in which 1% of membrane acid groups are replaced with Pt 2+ in a platinum hydrogen phosphate solution (Comparative Example 12),
(4) A film (Comparative Example 13) in which 1% of the film acid groups are replaced with Cu 2+ in a copper nitrate hydrogen solution.
Prepared.

[2. 試験方法]
実施例7〜9と同様にして、ドライフェントン試験を行い、膜の重量変化ΔW、回収水の導電率、及び、回収水のpHを測定した。また、ドライフェントン試験後に膜の着色の程度を目視により評価した。
[2. Test method]
The dry Fenton test was performed in the same manner as in Examples 7 to 9, and the weight change ΔW of the membrane, the conductivity of the recovered water, and the pH of the recovered water were measured. Further, the degree of coloration of the film was visually evaluated after the dry Fenton test.

[3. 結果]
表5に、その結果を示す。実施例11〜28は、いずれも、表4の比較例7及び比較例8〜13に比べ、膜分解に起因する酸性成分の量が少ないため、排水の導電率が大幅に低下し、pH低下も抑制された。
また、実施例11〜28は、膜の着色程度が小さくなっており、重量変化も少なかった。これは、膜の・OHや・OOHラジカルに対する攻撃によるカルボニル化合物や過酸化水素の生成が大幅に抑制されていることを示す。
[3. result]
Table 5 shows the results. In each of Examples 11 to 28, compared to Comparative Example 7 and Comparative Examples 8 to 13 in Table 4, since the amount of acidic components due to membrane decomposition is small, the conductivity of the waste water is greatly reduced, and the pH is lowered. Was also suppressed.
In Examples 11 to 28, the degree of coloration of the film was small, and the change in weight was small. This indicates that the formation of carbonyl compounds and hydrogen peroxide by attacking the film against .OH and .OOH radicals is greatly suppressed.

Figure 0005447791
Figure 0005447791

(実施例29〜33、比較例14)
[1. 試料の作製]
60wt%Pt/C触媒0.5g、蒸留水2.0g、エタノール2.5g、プロピレングリコール1.0g、22wt%ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製)0.9gをこの順で加えた。この溶液を超音波ホモジナイザーで分散させ、触媒インクを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布、乾燥してカソード転写電極を得た。Pt使用量は、0.5〜0.6mg/cm2の範囲で一定とした。
アノードには、30wt%Pt/Cを用い、上記と同様の作製方法で得たアノード転写電極を用いた。Pt使用量は、0.2mg/cm2とした。
これらの電極を36mm角に切り出した。
(Examples 29 to 33, Comparative Example 14)
[1. Preparation of sample]
0.5 g of 60 wt% Pt / C catalyst, 2.0 g of distilled water, 2.5 g of ethanol, 1.0 g of propylene glycol, and 0.9 g of 22 wt% Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont) were added in this order. This solution was dispersed with an ultrasonic homogenizer to prepare a catalyst ink. This was coated on a polytetrafluoroethylene sheet and dried to obtain a cathode transfer electrode. The amount of Pt used was fixed in the range of 0.5 to 0.6 mg / cm 2 .
As the anode, 30 wt% Pt / C was used, and an anode transfer electrode obtained by the same production method as described above was used. The amount of Pt used was 0.2 mg / cm 2 .
These electrodes were cut into 36 mm squares.

カソード電極の触媒層内電解質の酸基の0.05〜100%相当のモル数に当たる1,10フェナントロリンを加えた120mLの水溶液に、カソード転写電極を80℃×8hr浸漬した。その後、超純水120mLで80℃×2hr×4回のすすぎを行った。
次に、カソード転写電極を、濃度1g/Lのりんタングステン酸(H3PW1240)水溶液120mLに80℃×8hr浸漬した。その後、超純水120mLで80℃×2hr×4回のすすぎを行った。さらに、80℃×2hrの真空乾燥を施した。
The cathode transfer electrode was immersed in 120 mL of an aqueous solution to which 1,10 phenanthroline corresponding to 0.05 to 100% of the number of moles of acid groups of the electrolyte in the catalyst layer of the cathode electrode was added. Thereafter, rinsing was performed at 120 ° C. × 2 hours × 4 times with 120 mL of ultrapure water.
Next, the cathode transfer electrode was immersed in 120 mL of an aqueous phosphotungstic acid (H 3 PW 12 O 40 ) solution having a concentration of 1 g / L at 80 ° C. for 8 hours. Thereafter, rinsing was performed at 120 ° C. × 2 hours × 4 times with 120 mL of ultrapure water. Further, vacuum drying at 80 ° C. × 2 hr was performed.

処理後のカソード転写電極及びアノード転写電極を電解質膜NRE212CS(デュポン社製)の両面に熱圧着(120℃、50kgf/cm2(4.9MPa))して、MEAを作製した(実施例29〜33)。
比較として、未処理電極を用いたMEA(比較例14)を用意した。
The treated cathode transfer electrode and anode transfer electrode were thermocompression-bonded (120 ° C., 50 kgf / cm 2 (4.9 MPa)) on both sides of the electrolyte membrane NRE212CS (manufactured by DuPont) to produce an MEA (Examples 29 to 29). 33).
As a comparison, MEA (Comparative Example 14) using an untreated electrode was prepared.

[2. 試験方法]
以下の条件下で、耐久試験を行った。
アノードガス: H2(100ml/min)
カソードガス: Air(100ml/min)
セル温度: 80℃
加湿器温度: 60℃(アノード側、カソード側ともに)
試験時間: 開回路1分、0.1A/cm2を1分とするサイクル試験を150時間
耐久試験前後で0.8A/cm2における電圧値を測定し、その低下割合を算出した。
[2. Test method]
The durability test was performed under the following conditions.
Anode gas: H 2 (100 ml / min)
Cathode gas: Air (100 ml / min)
Cell temperature: 80 ° C
Humidifier temperature: 60 ° C (both anode and cathode)
Test time: A cycle test with an open circuit of 1 minute and 0.1 A / cm 2 of 1 minute was performed for 150 hours. A voltage value at 0.8 A / cm 2 was measured before and after the durability test, and the rate of decrease was calculated.

[3. 結果]
表6に、初期電圧及び耐久試験後の電圧低下率を示す。なお、実施例33は、初期電圧が著しく低下したために、耐久試験は行わなかった。
表6より、
(1)未処理電極を用いたMEAの場合(比較例14)、初期電圧は高いが、電圧低下率が大きい、
(2)1,10フェナントロリンとヘテロポリ酸の塩を電極に形成した場合、1,10フェナントロリン置換量が多くなるほど電圧低下率は減少する、
(3)1,10フェナントロリンとヘテロポリ酸の塩を電極に形成した場合、1,10フェナントロリン置換量が過剰になると、初期電圧が低下する、
(4)高い初期電圧と低い電圧低下率を両立させるためには、1,10フェナントロリン置換量は、電解質の酸基当たり0.1〜20%が好ましく、さらに好ましくは、電解質の酸基当たり0.5〜5%である、
ことがわかる。
[3. result]
Table 6 shows the initial voltage and the voltage drop rate after the durability test. In Example 33, since the initial voltage was remarkably lowered, the durability test was not performed.
From Table 6,
(1) In the case of MEA using untreated electrodes (Comparative Example 14), the initial voltage is high, but the voltage drop rate is large.
(2) When the salt of 1,10 phenanthroline and heteropolyacid is formed on the electrode, the voltage drop rate decreases as the 1,10 phenanthroline substitution amount increases.
(3) When the salt of 1,10 phenanthroline and heteropolyacid is formed on the electrode, if the 1,10 phenanthroline substitution amount becomes excessive, the initial voltage decreases.
(4) In order to achieve both a high initial voltage and a low voltage drop rate, the substitution amount of 1,10 phenanthroline is preferably 0.1 to 20% per acid group of the electrolyte, more preferably 0 per acid group of the electrolyte. .5-5%,
I understand that.

Figure 0005447791
Figure 0005447791

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.

本発明に係る方法により得られ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。
本発明に係る方法により得られる電解質は、固体高分子型燃料電池、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及び電極に用いることができる。
The polymer electrolyte fuel cell obtained by the method 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.
The electrolyte obtained by the method according to the present invention includes various types of electrochemical such as a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt electrolysis device, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. It can be used for electrolyte membranes and electrodes used in devices.

Claims (9)

ヘテロポリ酸イオンと結合することによってヘテロポリ酸塩となるカチオンと、電解質とを接触させるカチオン接触工程と、
前記電解質と前記ヘテロポリ酸イオンとを接触させるヘテロポリ酸イオン接触工程と
を備え、
前記ヘテロポリ酸塩は、難溶性である
固体高分子型燃料電池の製造方法。
但し、「難溶性」とは、ヘテロポリ酸を10g/Lの濃度で溶解した溶液5mLと、カチオンの濃度が4×10 -3 Nの溶液1mLとを混合し、室温で1日放置したときに沈殿が生成することをいう。
A cation contact step in which a cation that becomes a heteropolyacid salt by binding to a heteropolyacid ion is brought into contact with an electrolyte;
E Bei and said electrolyte and said heteropoly acid ion contacting step of contacting a heteropoly acid ion,
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell , wherein the heteropolyacid salt is hardly soluble .
However, “poorly soluble” means that 5 mL of a solution in which a heteropolyacid is dissolved at a concentration of 10 g / L and 1 mL of a solution having a cation concentration of 4 × 10 −3 N are mixed and left at room temperature for 1 day. It means that a precipitate is formed.
前記カチオン接触工程は、前記電解質の酸基当たり0.1〜20%の前記カチオンと前記電解質とを接触させるものである請求項1に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。 The cationic contacting step, the manufacturing method of the solid polymer electrolyte fuel cell according to Der Ru claim 1 which is contacted the with the cationic 0.1% to 20% per acid group of the electrolyte and the electrolyte. 前記カチオンは、セシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、含窒素複素環化合物イオン、ホスホニウムイオン、グアニジウムイオン、核酸塩基、白金イオン、及び、ピラゾロン系イオンから選ばれるいずれか1以上である請求項1又は2に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。 The cation is any one selected from a cesium ion, a quaternary alkylammonium ion, a pyridinium ion, an imidazolium ion, a nitrogen-containing heterocyclic compound ion, a phosphonium ion, a guanidinium ion, a nucleobase, a platinum ion, and a pyrazolone ion. polymer electrolyte fuel cell manufacturing method according to one or more der Ru claim 1 or 2 or. 前記カチオン接触工程は、前記電解質に含まれるハロゲンイオンの含有量が前記電解質の重量当たり10ppm以下となるように、前記電解質と前記カチオンとを接触させるものである請求項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の製造方法。 The cationic contacting step such that said amount of halogen ions contained in the electrolyte is less than 10ppm by weight of the electrolyte, any one of claims 1 to 3 in which contacting the said electrolyte cation A method for producing a polymer electrolyte fuel cell as described in 1). 電解質とヘテロポリ酸イオンとを接触させるヘテロポリ酸イオン接触工程と、
前記ヘテロポリ酸イオン接触工程の後に、前記ヘテロポリ酸イオンと結合することによってヘテロポリ酸塩となるカチオンと、前記電解質とを接触させるカチオン接触工程と、
を備えた固体高分子型燃料電池の製造方法。
A heteropolyacid ion contacting step of bringing the electrolyte into contact with the heteropolyacid ion ;
After the heteropolyacid ion contacting step, a cation which is a heteropolyacid salt by binding to pre-Symbol heteropoly acid ion, and a cation-contact step of contacting the electrolyte,
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell comprising:
前記ヘテロポリ酸塩は、難溶性である請求項5に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。 The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 5 , wherein the heteropolyacid salt is hardly soluble. 前記カチオン接触工程は、前記電解質の酸基当たり0.1〜20%の前記カチオンと前記電解質とを接触させるものである請求項5又は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 5 or 6, wherein the cation contacting step comprises contacting the electrolyte with 0.1 to 20% of the cation per acid group of the electrolyte. 前記カチオンは、セシウムイオン、4級アルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、含窒素複素環化合物イオン、ホスホニウムイオン、グアニジウムイオン、核酸塩基、白金イオン、及び、ピラゾロン系イオンから選ばれるいずれか1以上である請求項5から7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。 The cation is any one selected from a cesium ion, a quaternary alkylammonium ion, a pyridinium ion, an imidazolium ion, a nitrogen-containing heterocyclic compound ion, a phosphonium ion, a guanidinium ion, a nucleobase, a platinum ion, and a pyrazolone ion. The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 5 to 7, which is 1 or more. 前記カチオン接触工程は、前記電解質に含まれるハロゲンイオンの含有量が前記電解質の重量当たり10ppm以下となるように、前記電解質と前記カチオンとを接触させるものである請求項5から8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。 The cationic contacting step such that said amount of halogen ions contained in the electrolyte is less than 10ppm by weight of the electrolyte, any of the electrolyte from claim 5 wherein in which contacting the cation to 8 A method for producing a polymer electrolyte fuel cell as described in 1).
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