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JP7648322B2 - Membrane Electrode Assembly - Google Patents

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JP7648322B2
JP7648322B2 JP2021073385A JP2021073385A JP7648322B2 JP 7648322 B2 JP7648322 B2 JP 7648322B2 JP 2021073385 A JP2021073385 A JP 2021073385A JP 2021073385 A JP2021073385 A JP 2021073385A JP 7648322 B2 JP7648322 B2 JP 7648322B2
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electrolyte membrane
fine particles
membrane
electrolyte
electrode assembly
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尚弘 星川
直紀 北野
恭子 津坂
朗大 篠原
数馬 篠崎
時穂 加藤
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Description

本発明は、膜電極接合体に関し、さらに詳しくは、固体高分子電解質の劣化を引き起こすラジカルの発生を抑制する機能を持つ添加物を含む膜電極接合体に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly, and more specifically, to a membrane electrode assembly containing an additive that has the function of suppressing the generation of radicals that cause deterioration of a solid polymer electrolyte.

ソーダ電解装置、水電解装置、燃料電池などにおいて、電気化学反応を生じさせる部位に膜電極接合体(MEA)が用いられている。MEAは、酸素と水素の直接反応若しくは電気化学反応によって直接的に生成するラジカル、又は、過酸化水素を経て生成するラジカルにより、電解質が攻撃され劣化すると言われている。
例えば、燃料電池においては、ラジカル攻撃により電解質膜の抵抗増加、クロスリークの増加、薄膜化による短寿命化などが起こることが知られている。さらには、ラジカル攻撃により生成する劣化生成物により触媒被毒が起こり、電解性能や電池性能が低下するおそれがある。
Membrane electrode assemblies (MEAs) are used in the locations where electrochemical reactions occur in soda electrolysis devices, water electrolysis devices, fuel cells, etc. It is said that MEAs are deteriorated when the electrolyte is attacked by radicals generated directly by the direct reaction between oxygen and hydrogen or by electrochemical reactions, or by radicals generated via hydrogen peroxide.
For example, in fuel cells, radical attack is known to increase the resistance of the electrolyte membrane, increase cross leakage, shorten the lifespan due to thinning, etc. Furthermore, degradation products generated by radical attack may cause catalyst poisoning, which may result in a decrease in electrolytic performance and cell performance.

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、延伸PTFE膜にイオン交換材料を含浸させたコンポジット膜の一方の面に、イオン交換材料及び白金担持カーボンを含む第二層が形成された固体高分子電解質膜が開示されている。
同文献には、高強度の固体高分子電解質中に白金担持カーボンを分散させると、燃料電池の寿命が向上する点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have been made in the past.
For example, Patent Document 1 discloses a solid polymer electrolyte membrane in which a second layer containing an ion exchange material and platinum-supported carbon is formed on one side of a composite membrane in which an expanded PTFE membrane is impregnated with an ion exchange material.
The document describes that dispersing platinum-supported carbon in a high-strength solid polymer electrolyte improves the life of a fuel cell.

特許文献2には、高分子電解質からなる膜状の母材と、母材内に分散している貴金属微粒子とを備え、貴金属微粒子が母材の厚み方向に濃度勾配を有して分散している高分子電解質膜が開示されている。
同文献には、
(A)膜内に貴金属微粒子を分散させると、ラジカルを失活させることができる点、
(B)貴金属微粒子は、膜中に均一に分散させるよりも、カソード側に偏在させる方がラジカルを効率良く失活させることができる点、及び、
(C)貴金属微粒子の濃度の極大値は、高分子電解質膜のカソード触媒層に接する表面近傍に有することが好ましい点
が記載されている。
Patent Document 2 discloses a polymer electrolyte membrane comprising a membrane-like base material made of a polymer electrolyte and precious metal particles dispersed in the base material, in which the precious metal particles are dispersed with a concentration gradient in the thickness direction of the base material.
The same document states:
(A) By dispersing fine particles of a precious metal in the film, radicals can be deactivated;
(B) The noble metal fine particles can deactivate radicals more efficiently when they are unevenly distributed on the cathode side rather than uniformly dispersed in the membrane; and
(C) It is described that the maximum concentration of the noble metal fine particles is preferably located near the surface of the polymer electrolyte membrane that is in contact with the cathode catalyst layer.

特許文献3には、
(a)炭化水素系電解質からなる基材の一方の面に、含硫黄芳香族化合物を含む劣化防止剤溶液を塗布し、溶媒を除去することにより、基材の一方の面に劣化防止層を形成し、
(b)基材の劣化防止層側の表面にカソード触媒層を形成し、基材の劣化防止層を有さない表面にアノード触媒層を形成する
ことにより得られる膜電極接合体が開示されている。
同文献には、
(A)含硫黄芳香族化合物は、ラジカルを失活させる劣化防止剤としての機能と、触媒層内の白金が電解質膜内に析出するのを抑制する機能を備えている点、及び、
(B)劣化防止層を含むMEAは、劣化防止層を含まないMEAに比べて高分子電解質膜の劣化が少ない点
が記載されている。
In Patent Document 3,
(a) applying a degradation inhibitor solution containing a sulfur-containing aromatic compound to one surface of a substrate made of a hydrocarbon electrolyte, and removing the solvent to form an anti-degradation layer on one surface of the substrate;
(b) A membrane/electrode assembly is disclosed, which is obtained by forming a cathode catalyst layer on the surface of the substrate that has an anti-degradation layer, and forming an anode catalyst layer on the surface of the substrate that does not have an anti-degradation layer.
The same document states:
(A) The sulfur-containing aromatic compound has a function as an anti-degradation agent that deactivates radicals and a function of suppressing the deposition of platinum in the catalyst layer in the electrolyte membrane, and
(B) It is described that an MEA including an anti-degradation layer exhibits less degradation of the polymer electrolyte membrane than an MEA not including an anti-degradation layer.

さらに、特許文献4には、ゾルゲル法を用いて、Ti等の酸素との親和力の強い金属を含む酸素捕集材をカソード側に偏在させた燃料電池用電解質膜が開示されている。
同文献には、
(A)電解質膜のカソード側に酸素捕集材を配置すると、酸素がカソード側からアノード側にクロスリークするのを抑制できる点、及び、
(B)これによって電解質膜の劣化を引き起こす過酸化水素の形成が抑制され、電解質膜の耐久性が向上する点
が記載されている。
Furthermore, Patent Document 4 discloses an electrolyte membrane for a fuel cell in which an oxygen scavenger containing a metal with a strong affinity for oxygen, such as Ti, is unevenly distributed on the cathode side by using a sol-gel method.
The same document states:
(A) When an oxygen scavenger is disposed on the cathode side of the electrolyte membrane, cross-leak of oxygen from the cathode side to the anode side can be suppressed; and
(B) It is described that this suppresses the formation of hydrogen peroxide, which causes deterioration of the electrolyte membrane, and improves the durability of the electrolyte membrane.

特許文献1~4には、電解質膜にある種の添加物を添加すると、電解質膜の耐久性を向上させることができる点が記載されている。また、特許文献2~3には、この種の添加物をカソード側に偏在させると、劣化抑制効果が高いことが記載されている。 Patent documents 1 to 4 state that adding certain additives to the electrolyte membrane can improve the durability of the electrolyte membrane. Patent documents 2 and 3 also state that distributing this type of additive on the cathode side has a high effect of suppressing deterioration.

これらの添加物の内、貴金属微粒子(特許文献1、2)は、ヒドロキシラジカルを分解する効果がある。しかし、ヒドロキシラジカルの発生原因であるFeイオンは電解質膜の膜厚方向にランダムに存在しているために、ヒドロキシラジカルの生成位置もランダムである。そのため、貴金属微粒子をカソード側に偏在させても、ヒドロキシラジカルを効率的に分解できないという問題がある。
また、含硫黄芳香族化合物(特許文献3)は、有機物であるため、ヒドロキシラジカルにより分解し、効果が消失しやすいという問題がある。また、含硫黄芳香族化合物が触媒層に移動すると、触媒を被毒するという問題がある。
さらに、特許文献4に記載の方法は、金属アルコキシドを電解質膜中でゾルゲル反応させて金属酸化物とし、さらに還元して酸素捕集材とするため、製造方法が煩雑であるという問題がある。
Among these additives, noble metal fine particles (Patent Documents 1 and 2) have the effect of decomposing hydroxyl radicals. However, since Fe ions, which are the cause of hydroxyl radical generation, are randomly present in the thickness direction of the electrolyte membrane, the positions at which hydroxyl radicals are generated are also random. Therefore, even if noble metal fine particles are unevenly distributed on the cathode side, there is a problem that hydroxyl radicals cannot be efficiently decomposed.
In addition, the sulfur-containing aromatic compound (Patent Document 3) is an organic substance, and therefore has a problem in that it is easily decomposed by hydroxyl radicals and loses its effect. In addition, when the sulfur-containing aromatic compound migrates to the catalyst layer, it poisons the catalyst.
Furthermore, the method described in Patent Document 4 involves a sol-gel reaction of a metal alkoxide in an electrolyte membrane to produce a metal oxide, which is then reduced to produce an oxygen scavenger, and thus the production method is complicated.

特開2014-139939号公報JP 2014-139939 A 特開2012-164647号公報JP 2012-164647 A 特開2013-175421号公報JP 2013-175421 A 特開2007-042491号公報JP 2007-042491 A

本発明が解決しようとする課題は、固体高分子電解質の劣化を引き起こすラジカルの発生を抑制することが可能な膜電極接合体を提供することにある。 The problem that the present invention aims to solve is to provide a membrane electrode assembly that can suppress the generation of radicals that cause degradation of the solid polymer electrolyte.

上記課題を解決するために本発明に係る膜電極接合体は、
固体高分子電解質を含む電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜内のアノード側に偏析している第1微粒子と
を備え、
前記第1微粒子は、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物からなる。
In order to solve the above problems, the membrane electrode assembly according to the present invention comprises:
an electrolyte membrane including a solid polymer electrolyte;
an anode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
a cathode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane;
a first fine particle segregated on an anode side within the electrolyte membrane,
The first fine particles are made of a first compound having a function of decomposing hydrogen peroxide.

電解質膜の劣化は、
(a)カソードからアノードに透過した酸素がアノード触媒上において水素と反応することでH22が生成し、
(b)アノード触媒上で生成したH22が電解質膜内に拡散し、電解質膜中に不純物として混入しているFeとH22とが反応することでヒドロキシラジカルが生成し、
(c)ヒドロキシラジカルが電解質を分解する、
ことにより起こると考えられる。
Deterioration of the electrolyte membrane is
(a) Oxygen that has permeated from the cathode to the anode reacts with hydrogen on the anode catalyst to produce H2O2 ;
(b) H2O2 produced on the anode catalyst diffuses into the electrolyte membrane, and reacts with Fe, which is present as an impurity in the electrolyte membrane , to produce hydroxyl radicals .
(c) Hydroxyl radicals decompose electrolytes;
This is thought to be caused by the

そのため、過酸化水素を分解する機能を有する第1微粒子をアノード側に偏在させると、アノードにおいて生成したH22がヒドロキシラジカルとなる前に水と酸素に分解される。その結果、電解質膜の分解が抑制され、電解質膜の化学的耐久性が向上する。 Therefore, if the first fine particles having the function of decomposing hydrogen peroxide are unevenly distributed on the anode side, H2O2 generated at the anode is decomposed into water and oxygen before it becomes hydroxyl radicals, which results in suppressing the decomposition of the electrolyte membrane and improving the chemical durability of the electrolyte membrane.

図1(A)は、実施例5で得られた電解質膜のシャーレ側の面のSEM像である。図1(B)は、実施例5で得られた電解質膜の空気側の面のSEM像である。Fig. 1(A) is an SEM image of the petri dish side surface of the electrolyte membrane obtained in Example 5. Fig. 1(B) is an SEM image of the air side surface of the electrolyte membrane obtained in Example 5. 実施例1~7及び比較例1~2で得られた電解質膜の90時間後のFイオン溶出量の累計である。This is the cumulative amount of F ion elution after 90 hours from the electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2. 実施例2、5及び比較例3、4で得られた電解質膜の90時間後のFイオン溶出量の累計である。This shows the cumulative amount of F ion elution after 90 hours from the electrolyte membranes obtained in Examples 2 and 5 and Comparative Examples 3 and 4. 実施例2及び比較例2で得られた燃料電池のI-V性能である。IV performance of the fuel cells obtained in Example 2 and Comparative Example 2. 各種添加剤のH22分解率である。H 2 O 2 decomposition rate of various additives.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 膜電極接合体]
本発明に係る膜電極接合体は、
固体高分子電解質を含む電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜内のアノード側に偏析している第1微粒子と
を備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly according to the present invention comprises:
an electrolyte membrane including a solid polymer electrolyte;
an anode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
a cathode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane;
and first fine particles segregated on the anode side within the electrolyte membrane.

膜電極接合体は、
(a)前記固体高分子電解質の酸基とイオン交換している、ラジカルを消去する機能を有する第2金属元素のイオン、及び/又は、
(b)前記電解質膜内に分散している、前記第2金属元素を含む第2化合物からなる第2微粒子
をさらに含むものでも良い。
The membrane electrode assembly is
(a) ions of a second metal element having a radical scavenging function, which are ion-exchanged with the acid groups of the solid polymer electrolyte, and/or
(b) The electrolyte membrane may further include second fine particles made of a second compound containing the second metal element and dispersed within the electrolyte membrane.

[1.1. 電解質膜]
電解質膜は、固体高分子電解質を含む。本発明において、電解質膜に含まれる固体高分子電解質の種類は、特に限定されない。固体高分子電解質は、フッ素系電解質又は炭化水素系電解質のいずれであっても良い。電解質膜には、これらのいずれか1種の固体高分子電解質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、固体高分子電解質の酸基の種類についても、特に限定されない。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。
[1.1. Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane contains a solid polymer electrolyte. In the present invention, the type of solid polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane is not particularly limited. The solid polymer electrolyte may be either a fluorine-based electrolyte or a hydrocarbon-based electrolyte. The electrolyte membrane may contain any one of these solid polymer electrolytes, or may contain two or more of them.
The type of acid group 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. The solid polymer electrolyte may contain only one of these acid groups, or may contain two or more of them.

フッ素系電解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アクイヴィオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)などがある。
フッ素系電解質は、高分子の構造内にC-H結合を含まない全フッ素系電解質の他に、高分子の構造内にC-H結合とC-F結合とを含む部分フッ素系電解質も含まれる。
Examples of fluorine-based electrolytes include Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), Aquivion (registered trademark), and Aciplex (registered trademark).
The fluorine-based electrolyte includes not only fully fluorine-based electrolytes that do not contain C--H bonds in the polymer structure, but also partially fluorine-based electrolytes that contain C--H bonds and C--F bonds in the polymer structure.

炭化水素系電解質としては、例えば、
(a)スルホン酸基などの酸基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリアミド、ポリアミドイミド、又は、これらの誘導体からなる全芳香族炭化水素系電解質、
(b)脂肪族炭化水素系電解質の高分子鎖の一部に芳香環を有する部分芳香族炭化水素系電解質、
などがある。
Examples of the hydrocarbon electrolyte include:
(a) A wholly aromatic hydrocarbon-based electrolyte made of polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyimide, polyphenylene, polyamide, polyamide imide, or a derivative thereof, into which an acid group such as a sulfonic acid group has been introduced;
(b) a partially aromatic hydrocarbon-based electrolyte having an aromatic ring in a part of the polymer chain of an aliphatic hydrocarbon-based electrolyte;
etc.

さらに、電解質膜は、各種の添加剤を含む固体高分子電解質(複合電解質)のみからなるものでも良く、あるいは、複合電解質と補強材との複合体であっても良い。この場合、補強材の種類は、特に限定されない。
補強材としては、例えば、
(a)ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)などのフッ素系樹脂の多孔膜や不織布、
(b)ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などの炭化水素系樹脂の多孔膜や不織布、
などがある。
Furthermore, the electrolyte membrane may be made of only a solid polymer electrolyte (composite electrolyte) containing various additives, or may be a composite of a composite electrolyte and a reinforcing material. In this case, the type of the reinforcing material is not particularly limited.
Examples of reinforcing materials include:
(a) Porous membranes and nonwoven fabrics of fluorine-based resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxyalkane (PFA), perfluoroethylenepropene copolymer (FEP), and ethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE);
(b) Porous membranes and nonwoven fabrics of hydrocarbon resins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP);
etc.

[1.2. アノード触媒層]
電解質膜の一方の面には、アノード触媒層が接合されている。アノード触媒層は、水素酸化反応に対して活性を有する電極触媒(アノード触媒)と、触媒層アイオノマとを備えている。アノード触媒は、水素酸化反応に対する活性を有する触媒粒子(A)のみからなるものでも良く、あるいは、触媒粒子(A)が担体表面に担持されているものでも良い。
本発明において、触媒層アイオノマ、触媒粒子(A)、及び担体の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
[1.2. Anode catalyst layer]
An anode catalyst layer is bonded to one surface of the electrolyte membrane. The anode catalyst layer includes an electrode catalyst (anode catalyst) active in hydrogen oxidation reactions and a catalyst layer ionomer. The anode catalyst may be composed only of catalyst particles (A) active in hydrogen oxidation reactions, or the catalyst particles (A) may be supported on the surface of a carrier.
In the present invention, the materials of the catalyst layer ionomer, the catalyst particles (A), and the carrier are not particularly limited, and the most suitable materials can be selected depending on the purpose.

アノード側の触媒層アイオノマは、電解質膜を構成する固体高分子電解質と同一の材料からなるものでも良く、あるいは、異なる材料でも良い。
触媒粒子(A)としては、例えば、貴金属、2種以上の貴金属を含む合金、1種又は2種以上の貴金属と1種又は2種以上の卑金属との合金などがある。
担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、活性炭、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉末などがある。
The catalyst layer ionomer on the anode side may be made of the same material as the solid polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane, or may be made of a different material.
The catalyst particles (A) may be, for example, a precious metal, an alloy containing two or more precious metals, or an alloy of one or more precious metals and one or more base metals.
Examples of the carrier include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, activated carbon, natural graphite, mesocarbon microbeads, and glassy carbon powder.

[1.3. カソード触媒層]
電解質膜の他方の面には、カソード触媒層が接合されている。カソード触媒層は、酸素還元反応に対して活性を有する電極触媒(カソード触媒)と、触媒層アイオノマとを備えている。カソード触媒は、酸素還元反応に対する活性を有する触媒粒子(B)のみからなるものでも良く、あるいは、触媒粒子(B)が担体表面に担持されているものでも良い。
本発明において、触媒層アイオノマ、触媒粒子(B)、及び担体の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
[1.3. Cathode catalyst layer]
A cathode catalyst layer is bonded to the other surface of the electrolyte membrane. The cathode catalyst layer includes an electrode catalyst (cathode catalyst) active in the oxygen reduction reaction and a catalyst layer ionomer. The cathode catalyst may be composed only of catalyst particles (B) active in the oxygen reduction reaction, or the catalyst particles (B) may be supported on the surface of a carrier.
In the present invention, the materials of the catalyst layer ionomer, the catalyst particles (B), and the carrier are not particularly limited, and the most suitable materials can be selected depending on the purpose.

カソード側の触媒層アイオノマは、電解質膜を構成する固体高分子電解質と同一の材料からなるものでも良く、あるいは、異なる材料でも良い。
触媒粒子(B)としては、例えば、貴金属、2種以上の貴金属を含む合金、1種又は2種以上の貴金属と1種又は2種以上の卑金属とを含む合金などがある。
担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、活性炭、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉末などがある。
The catalyst layer ionomer on the cathode side may be made of the same material as the solid polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane, or may be made of a different material.
Examples of the catalyst particles (B) include precious metals, alloys containing two or more precious metals, and alloys containing one or more precious metals and one or more base metals.
Examples of the carrier include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, activated carbon, natural graphite, mesocarbon microbeads, and glassy carbon powder.

[1.4. 第1微粒子]
[1.4.1. 材料]
「第1微粒子」とは、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物(無機化合物)からなる微粒子をいう。
第1化合物の種類は、過酸化水素を分解する機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。第1化合物としては、例えば、タングステン化合物、ルテニウム化合物、スズ化合物、モリブデン化合物などがある。
これら中でも、第1化合物は、タングステン化合物が好ましい。タングステン化合物は、他の材料に比べて過酸化水素分解能が高いので、第1微粒子の材料として好適である。
[1.4. First fine particles]
[1.4.1. material]
The "first fine particles" refer to fine particles made of a first compound (inorganic compound) having the function of decomposing hydrogen peroxide.
The type of the first compound is not particularly limited as long as it has the function of decomposing hydrogen peroxide. Examples of the first compound include a tungsten compound, a ruthenium compound, a tin compound, and a molybdenum compound.
Among these, the first compound is preferably a tungsten compound, which has a higher hydrogen peroxide decomposition ability than other materials and is therefore suitable as a material for the first fine particles.

タングステン化合物としては、例えば、
(a)酸化タングステン(+IV、+V、+VI)、
(b)タングステン酸塩
などがある。
第1微粒子は、これらのいずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上を含む混合物であっても良い。
Examples of tungsten compounds include:
(a) tungsten oxide (+IV, +V, +VI),
(b) Tungstates, etc.
The first fine particles may be made of any one of these, or may be a mixture containing two or more of them.

酸化タングステンは、無水物であっても良く、あるいは、水和物であっても良い。酸化タングステンは、特に、WO3・(1/3)H2O又はWO3・2H2Oが好ましい。WO3の1/3水和物又は2水和物は、他の酸化タングステンに比べて過酸化水素分解能が格段に高いので、第1微粒子の材料として特に好適である。
タングステン酸塩としては、例えば、Al2(WO4)3、BaWO4、FeWO4、Ni2WO4、Cu2WO4、ZnWO4などがある。
Tungsten oxide may be anhydrous or hydrated. Tungsten oxide is particularly preferably WO3 .(1/3) H2O or WO3.2H2O . WO3 1/3 hydrate or dihydrate has a significantly higher hydrogen peroxide decomposition ability than other tungsten oxides, and is therefore particularly suitable as a material for the first fine particles.
Examples of tungstates include Al2 ( WO4 ) 3 , BaWO4 , FeWO4 , Ni2WO4 , Cu2WO4 , and ZnWO4 .

[1.4.2. 第1微粒子の位置]
第1微粒子は、電解質膜内のアノード側に偏析している。この点が従来とは異なる。
ここで、「アノード側に偏在」とは、アノード側領域に含まれる第1微粒子の含有量がカソード側領域に含まれる第1微粒子の含有量より多いことをいう。
「アノード側領域」とは、電解質膜のアノード側の表面から電解質膜の中央までの領域をいう。
「カソード側領域」とは、電解質膜の中央から電解質膜のカソード側の表面までの領域をいう。
[1.4.2. Position of first particle]
The first fine particles are segregated on the anode side in the electrolyte membrane, which is different from the conventional method.
Here, "distributed unevenly on the anode side" means that the content of the first fine particles contained in the anode side region is greater than the content of the first fine particles contained in the cathode side region.
The "anode side region" refers to the region from the anode side surface of the electrolyte membrane to the center of the electrolyte membrane.
The "cathode side region" refers to the region from the center of the electrolyte membrane to the cathode side surface of the electrolyte membrane.

過酸化水素は、カソードからアノードに透過した酸素がアノード触媒上において水素と反応することにより生成する。アノード触媒上において生成した過酸化水素がラジカルになる前に水と酸素に分解されるには、第1微粒子の位置は、アノード側に近いほど良い。ラジカルによる劣化を抑制するためには、第1微粒子は、電解質膜のアノード側表面の直下に位置しているのが好ましい。 Hydrogen peroxide is produced when oxygen that has permeated from the cathode to the anode reacts with hydrogen on the anode catalyst. To ensure that the hydrogen peroxide produced on the anode catalyst is decomposed into water and oxygen before it becomes radicals, the closer the position of the first fine particles is to the anode side, the better. To suppress deterioration due to radicals, it is preferable that the first fine particles are located directly under the anode side surface of the electrolyte membrane.

[1.4.3. 第1微粒子の平均含有量]
「平均含有量」とは、アノード側領域又はカソード側領域に含まれる固体高分子電解質及び第1微粒子の総質量に対する第1微粒子の質量の割合をいう。
[1.4.3. Average content of first fine particles]
The "average content" refers to the ratio of the mass of the first fine particles to the total mass of the solid polymer electrolyte and the first fine particles contained in the anode side region or the cathode side region.

アノード側領域の第1微粒子の平均含有量は、膜電極接合体の耐久性に影響を与える。アノード側領域の第1微粒子の平均含有量が多くなるほど、膜電極接合体の耐久性が向上する。このような効果を得るためには、アノード側領域の第1微粒子の平均含有量は、0.1mass%以上が好ましい。 The average content of the first fine particles in the anode side region affects the durability of the membrane electrode assembly. The higher the average content of the first fine particles in the anode side region, the more the durability of the membrane electrode assembly improves. To achieve this effect, the average content of the first fine particles in the anode side region is preferably 0.1 mass% or more.

一方、アノード側領域の第1微粒子の平均含有量が過剰になると、機械的強度が低下して膜が割れるおそれがある。あるいは、第1微粒子の凝集体が膜を貫通し、ガスリークの起点になる場合がある。従って、アノード側領域の第1微粒子の平均含有量は、5.0mass%以下が好ましい。 On the other hand, if the average content of the first fine particles in the anode side region is excessive, the mechanical strength may decrease and the membrane may crack. Alternatively, aggregates of the first fine particles may penetrate the membrane and become the starting point of a gas leak. Therefore, the average content of the first fine particles in the anode side region is preferably 5.0 mass% or less.

一方、アノード触媒上で生成した過酸化水素が電解質膜内を拡散し、カソード側に到達することもある。しかし、電解質膜内にフェントン反応に対する活性を持つ不純物が含まれていた場合、過酸化水素はカソードに到達する前にラジカルに分解する。そのため、カソード側領域に第1微粒子を添加しても、あまり実益がない。従って、カソード側領域の第1微粒子の平均含有量は、0.1mass%未満が好ましい。 On the other hand, hydrogen peroxide generated on the anode catalyst may diffuse through the electrolyte membrane and reach the cathode side. However, if the electrolyte membrane contains impurities that are active in the Fenton reaction, the hydrogen peroxide will decompose into radicals before reaching the cathode. Therefore, adding the first fine particles to the cathode side region is of little practical benefit. Therefore, the average content of the first fine particles in the cathode side region is preferably less than 0.1 mass%.

[1.4.4. 第1微粒子の平均粒径]
「第1微粒子の平均粒径」とは、顕微鏡観察下において、無作為に選択した200個以上の第1微粒子の最大寸法の平均値をいう。
[1.4.4. Average particle size of first fine particles]
The term "average particle size of the first fine particles" refers to the average value of the maximum dimension of 200 or more first fine particles randomly selected under observation with a microscope.

第1微粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な平均粒径を選択することができる。一般に、第1微粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、第1微粒子が凝集して表面積が小さくなり、過酸化水素を効率よく分解することができなくなる場合がある。従って、第1微粒子の平均粒径は、1nm以上が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、5nm以上、さらに好ましくは、8nm以上である。
一方、第1微粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、機械的強度が低下して膜が割れるおそれがある。また、第1微粒子が膜を貫通する形で配置されると、ガスリークが生じる場合がある。従って、第1微粒子の平均粒径は、500nm以下が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、300nm以下、さらに好ましくは、65nm以下である。
The average particle size of the first fine particles is not particularly limited, and an optimal average particle size can be selected according to the purpose. In general, if the average particle size of the first fine particles is too small, the first fine particles may aggregate and have a small surface area, which may make it difficult to efficiently decompose hydrogen peroxide. Therefore, the average particle size of the first fine particles is preferably 1 nm or more. The average particle size is more preferably 5 nm or more, and more preferably 8 nm or more.
On the other hand, if the average particle size of the first fine particles is too large, the mechanical strength may decrease and the film may crack. Also, if the first fine particles are arranged so as to penetrate the film, gas leakage may occur. Therefore, the average particle size of the first fine particles is preferably 500 nm or less. The average particle size is more preferably 300 nm or less, and even more preferably 65 nm or less.

[1.5. 第2金属元素のイオン及び/又は第2微粒子]
[1.5.1. 材料]
「第2金属元素」とは、ラジカルを消去する機能を有する金属元素をいう。
「第2化合物」とは、第2金属元素を含む化合物をいう。
「第2微粒子」とは、第2化合物からなる微粒子をいう。
[1.5. Ions of second metal element and/or second fine particles]
[1.5.1. material]
The "second metal element" refers to a metal element having a function of scavenging radicals.
The "second compound" refers to a compound containing a second metallic element.
The "second fine particles" refer to fine particles made of a second compound.

ある種の金属元素を含む化合物及びイオンは、主として、ラジカルを消去する作用がある。そのため、電解質膜にこのような金属元素を含む化合物の微粒子、及び/又は、このような金属元素のイオンを適量添加すると、電解質膜の劣化をさらに抑制することができる。 Compounds and ions containing certain metal elements mainly act to eliminate radicals. Therefore, adding an appropriate amount of fine particles of compounds containing such metal elements and/or ions of such metal elements to the electrolyte membrane can further suppress deterioration of the electrolyte membrane.

第2金属元素としては、例えば、Ce、Ag、Cs、Sn、Mn、Ti、Co、Ni、Zn、Zr、Ru、Rh、Pd、Pt、Prなどがある。電解質膜には、これらのいずれか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。
これらの中でも、第2金属元素は、Ce、Ag、Cs、Sn、及びMnからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素が好ましい。第2金属元素は、特に、Ceが好ましい。これは、これらはいずれもラジカルの生成を抑制する作用、又は、ラジカルを消去する作用が大きいためである。
Examples of the second metal element include Ce, Ag, Cs, Sn, Mn, Ti, Co, Ni, Zn, Zr, Ru, Rh, Pd, Pt, Pr, etc. The electrolyte membrane may contain any one of these elements, or may contain two or more of them.
Among these, the second metal element is preferably one or more elements selected from the group consisting of Ce, Ag, Cs, Sn, and Mn. The second metal element is particularly preferably Ce, because these elements have a large effect of suppressing the generation of radicals or scavenging radicals.

第2化合物は、水溶性の化合物であっても良く、あるいは、難溶性の化合物であっても良い。水溶性の第2化合物を用いた場合、電解質膜内において第2化合物が解離し、固体高分子電解質の酸基のプロトンの一部が第2金属元素のイオンに置換される。一方、難溶性の第2化合物を用いた場合、第2化合物は、電解質膜内に分散した状態となる。
第2化合物としては、例えば、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、蟻酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、過塩素酸塩、リン酸塩、塩化物、フッ化物、水酸化物、アセチルアセトネート化合物などがある。
The second compound may be a water-soluble compound or a poorly soluble compound. When a water-soluble second compound is used, the second compound dissociates in the electrolyte membrane, and some of the protons of the acid groups of the solid polymer electrolyte are replaced with ions of the second metal element. On the other hand, when a poorly soluble second compound is used, the second compound is dispersed in the electrolyte membrane.
Examples of the second compound include nitrates, sulfates, carbonates, formates, acetates, citrates, perchlorates, phosphates, chlorides, fluorides, hydroxides, and acetylacetonate compounds.

[1.5.2. 含有量]
電解質膜が第2金属元素のイオン及び/又は第2微粒子を含む場合、電解質膜は、次の式(1)を満たしているのが好ましい。
0.0005≦M/A≦0.15 …(1)
但し、
M/Aは、前記固体高分子電解質に含まれる酸基のモル数(A)に対する、前記第2金属元素のモル数(M)の比。
[1.5.2. Content]
When the electrolyte membrane contains ions of the second metal element and/or second fine particles, it is preferable that the electrolyte membrane satisfies the following formula (1).
0.0005≦M/A≦0.15…(1)
however,
M/A is the ratio of the number of moles (M) of the second metal element to the number of moles (A) of the acid groups contained in the solid polymer electrolyte.

電解質膜に第1微粒子のみを添加した場合であっても、電解質膜の劣化を効果的に抑制することができる。しかしながら、第1微粒子に加えて、第2金属元素のイオン及び/又は第2微粒子をさらに添加すると、これらの相乗効果により、電解質膜の劣化がさらに抑制される。このような効果を得るためには、M/A比は、0.0005以上が好ましい。M/A比は、好ましくは、0.001以上、さらに好ましくは、0.005以上である。 Even when only the first fine particles are added to the electrolyte membrane, the deterioration of the electrolyte membrane can be effectively suppressed. However, when ions of the second metal element and/or the second fine particles are further added in addition to the first fine particles, the deterioration of the electrolyte membrane is further suppressed due to the synergistic effect of these. To obtain such an effect, the M/A ratio is preferably 0.0005 or more. The M/A ratio is preferably 0.001 or more, and more preferably 0.005 or more.

一方、M/A比が大きくなりすぎると、電解質膜の伝導度が低下する場合がある。従って、M/A比は、0.15以下である必要がある。M/A比は、好ましくは、0.10以下、さらに好ましくは、0.05以下、さらに好ましくは、0.04以下、さらに好ましくは、0.03以下である。 On the other hand, if the M/A ratio is too large, the conductivity of the electrolyte membrane may decrease. Therefore, the M/A ratio must be 0.15 or less. The M/A ratio is preferably 0.10 or less, more preferably 0.05 or less, even more preferably 0.04 or less, and even more preferably 0.03 or less.

[1.5.3. 平均粒径]
電解質膜に第2微粒子を添加する場合、第2微粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な平均粒径を選択することができる。第2微粒子の平均粒径に関するその他の点は、第1微粒子の平均粒径と同様であるので、説明を省略する。
[1.5.3. Average particle size]
When the second fine particles are added to the electrolyte membrane, the average particle size of the second fine particles is not particularly limited, and an optimal average particle size can be selected depending on the purpose. Other points regarding the average particle size of the second fine particles are the same as those of the first fine particles, so the explanation will be omitted.

[1.5.4. 第2金属元素のイオン又は第2微粒子の位置]
第2金属元素のイオン又は第2微粒子が添加される位置は、特に限定されない。ラジカルは、必ずしもアノード側領域において生成するとは限らないので、第2金属元素のイオン及び第2微粒子は、カソード側領域に添加されていても良い。
[1.5.4. Position of second metal element ions or second fine particles]
The position where the ions of the second metal element or the second fine particles are added is not particularly limited. Since radicals are not necessarily generated in the anode side region, the ions of the second metal element and the second fine particles may be added to the cathode side region.

[2. 膜電極接合体の製造方法]
本発明に係る膜電極接合体は、
(a)アノード側に第1微粒子が偏在している電解質膜を作製し、
(b)電解質膜の両面に、それぞれ、アノード触媒層及びカソード触媒層を接合する
ことにより製造することができる。
[2. Method for producing membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly according to the present invention comprises:
(a) preparing an electrolyte membrane in which first fine particles are unevenly distributed on the anode side;
(b) The electrolyte membrane can be produced by bonding an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer to both sides of the electrolyte membrane.

アノード側に第1微粒子が偏在している電解質膜は、種々の方法により製造することができる。
例えば、固体高分子電解質及び第1微粒子を溶媒に溶解又は分散させ、分散液を基材表面にキャストし、溶媒を除去すると、第1微粒子を含む電解質膜を得ることができる。この時、分散液の組成及び乾燥条件を最適化すると、乾燥が完了する前に第1微粒子が沈降する。その結果、基材側に第1微粒子が偏在している電解質膜が得られる。
あるいは、固体高分子電解質のみからなる膜と、固体高分子電解質及び第1微粒子を含む複合膜とを積層し、積層体を圧着させると、一方の表面に第1微粒子が偏在している電解質膜が得られる。
The electrolyte membrane in which the first fine particles are unevenly distributed on the anode side can be produced by various methods.
For example, an electrolyte membrane containing the first fine particles can be obtained by dissolving or dispersing a solid polymer electrolyte and the first fine particles in a solvent, casting the dispersion onto a substrate surface, and removing the solvent. In this case, if the composition of the dispersion and the drying conditions are optimized, the first fine particles will settle before the drying is completed. As a result, an electrolyte membrane in which the first fine particles are unevenly distributed on the substrate side can be obtained.
Alternatively, by stacking a membrane consisting of only a solid polymer electrolyte and a composite membrane containing a solid polymer electrolyte and first microparticles and pressing the laminate together, an electrolyte membrane having the first microparticles unevenly distributed on one surface is obtained.

電解質膜に第2金属元素のイオン又は第2微粒子を添加する方法としては、例えば、
(a)電解質膜を作製するためのキャスト溶液に第2微粒子、又は、第2金属元素を含む溶媒可溶性の化合物を添加する方法、
(b)電解質膜を作製した後、第2金属元素のイオンを含む溶液を電解質膜の表面に塗布し、第2金属元素のイオンを電解質膜内に拡散させる方法、
(c)電解質膜を作製した後、第2金属元素のイオンを含む溶液を電解質膜の表面に塗布し、第2金属元素のイオンを電解質膜内に拡散させ、電解質膜内において第2化合物を析出させる方法、
などがある。
The method of adding the ions of the second metal element or the second fine particles to the electrolyte membrane can be, for example,
(a) A method of adding second fine particles or a solvent-soluble compound containing a second metal element to a casting solution for producing an electrolyte membrane;
(b) A method in which after preparing an electrolyte membrane, a solution containing ions of a second metal element is applied to the surface of the electrolyte membrane, and the ions of the second metal element are diffused into the electrolyte membrane;
(c) a method in which after preparing an electrolyte membrane, a solution containing ions of a second metal element is applied to a surface of the electrolyte membrane, the ions of the second metal element are diffused into the electrolyte membrane, and a second compound is precipitated in the electrolyte membrane;
etc.

さらに、第1微粒子を含む電解質膜の表面に触媒層を形成する方法としては、例えば、
(a)基材表面に触媒層を形成し、電解質膜の表面に触媒層を転写する方法、
(b)電解質膜の表面に触媒層を形成するためのペーストを塗布し、乾燥させる方法、
などがある。
Furthermore, as a method for forming a catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane containing the first fine particles, for example,
(a) A method of forming a catalyst layer on a substrate surface and transferring the catalyst layer onto the surface of an electrolyte membrane;
(b) applying a paste for forming a catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane and drying the paste;
etc.

[3. 作用]
電解質膜の劣化は、
(a)カソードからアノードに透過した酸素がアノード触媒上において水素と反応することでH22が生成し、
(b)アノード触媒上で生成したH22が電解質膜内に拡散し、電解質膜中に不純物として混入しているFeとH22とが反応することでヒドロキシラジカルが生成し、
(c)ヒドロキシラジカルが電解質を分解する、
ことにより起こると考えられる。
[3. Action]
Deterioration of the electrolyte membrane is
(a) Oxygen that has permeated from the cathode to the anode reacts with hydrogen on the anode catalyst to produce H2O2 ;
(b) H2O2 produced on the anode catalyst diffuses into the electrolyte membrane, and reacts with Fe, which is present as an impurity in the electrolyte membrane , to produce hydroxyl radicals .
(c) Hydroxyl radicals decompose electrolytes;
This is thought to be caused by the

そのため、過酸化水素を分解する機能を有する第1微粒子をアノード側に偏在させると、アノードにおいて生成したH22がヒドロキシラジカルとなる前に水と酸素に分解される。その結果、電解質膜の分解が抑制され、電解質膜の化学的耐久性が向上する。
特に、酸化タングステン及びタングステン酸塩は、燃料電池環境下(酸性度、電位)で溶解することがなく、微粒子の状態で電解質膜の中に存在することが可能である。そのため、溶解したイオンが電解質のスルホン酸基とイオン交換することがなく、高いプロトン伝導度を維持できるので、電池性能が低下しにくい。
また、酸化タングステンの中でも、WO3・(1/3)H2O又はWO3・2H2Oは、他の材料に比べて、格段に高い過酸化水素分解能を示す。そのため、これを、電解質膜のアノード側に偏在させると、電解質膜の化学的耐久性が向上する。
Therefore, if the first fine particles having the function of decomposing hydrogen peroxide are unevenly distributed on the anode side, H2O2 generated at the anode is decomposed into water and oxygen before it becomes hydroxyl radicals, which results in suppressing the decomposition of the electrolyte membrane and improving the chemical durability of the electrolyte membrane.
In particular, tungsten oxide and tungstate do not dissolve in the fuel cell environment (acidity, potential) and can exist in the electrolyte membrane in the form of fine particles. Therefore, dissolved ions do not exchange with sulfonic acid groups of the electrolyte, and high proton conductivity can be maintained, so that the cell performance is less likely to deteriorate.
Furthermore, among tungsten oxides, WO3 .(1/3) H2O and WO3.2H2O have a remarkably high hydrogen peroxide decomposition ability compared to other materials, and therefore, by distributing these materials on the anode side of the electrolyte membrane, the chemical durability of the electrolyte membrane is improved.

さらに、電解質膜に対し、第1微粒子に加えて、第2金属元素のイオン及び/又は第2微粒子をさらに添加すると、これらの添加量が相対的に少量であっても、高い耐久性が得られる。これは、
(a)第1微粒子は、過酸化水素を分解して無害化する作用があり、その添加量が少量であっても、高い過酸化水素分解効果を示すため、
(b)第2微粒子及び第2金属元素のイオンは、ラジカルを消去する作用があるため、
(c)第1微粒子と、第2微粒子及び/又は第2金属元素のイオンとを共存させると、第1微粒子の過酸化水素分解効果が向上するため、及び/又は、
(d)第1微粒子により分解されなかった過酸化水素からラジカルが発生しても、第2微粒子及び/又は第2金属元素のイオンがラジカルを効果的に消去するため、
と考えられる。
Furthermore, when ions of a second metal element and/or second fine particles are further added to the electrolyte membrane in addition to the first fine particles, high durability can be obtained even if the amounts of these added are relatively small.
(a) The first fine particles have the effect of decomposing hydrogen peroxide to render it harmless, and even if the amount of the first fine particles added is small, a high hydrogen peroxide decomposition effect is exhibited.
(b) The second fine particles and the ions of the second metal element have the effect of scavenging radicals,
(c) When the first fine particles are coexisted with the second fine particles and/or ions of the second metal element, the hydrogen peroxide decomposition effect of the first fine particles is improved, and/or
(d) Even if radicals are generated from hydrogen peroxide that is not decomposed by the first fine particles, the second fine particles and/or the ions of the second metal element effectively eliminate the radicals,
It is thought that.

(実施例1~7、比較例1~4)
[1. 試料の作製]
[1.1. 複合膜の作製]
[1.1.1. 実施例7]
20mass%のナフィオン(登録商標)溶液:9.42gに、1-プロパノール:7.48gを加え、溶液(A)を得た。また、硝酸セリウム(III)・6水和物:0.593gに超純水を加え、総質量50gの溶液(B)を得た。さらに、硝酸鉄(II)・7水和物(ラジカル発生剤):0.280gに超純水を加え、総質量100gの溶液(C)を得た。
(Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 4)
1. Preparation of Samples
[1.1. Preparation of composite membrane]
1.1.1. Example 7
7.48 g of 1-propanol was added to 9.42 g of a 20 mass% Nafion (registered trademark) solution to obtain solution (A). Ultrapure water was added to 0.593 g of cerium (III) nitrate hexahydrate to obtain solution (B) with a total mass of 50 g. Furthermore, ultrapure water was added to 0.280 g of iron (II) nitrate heptahydrate (radical generator) to obtain solution (C) with a total mass of 100 g.

溶液(A)に対し、1.00gの溶液(B)、0.94gの溶液(C)、及び、0.019gのWO3を加え、超音波を照射することにより、酸化タングステンが分散している分散液を得た。
得られた分散液をシャーレにキャストし、溶媒を自然乾燥させた。次いで、シャーレのまま140℃で15分間アニールした。アニール後、膜を超純水で5回洗浄した。次いで、シャーレから膜を剥がし、自然乾燥させた。さらに、膜を80℃の超純水に20時間浸漬した後、自然乾燥させた。得られた複合膜の膜厚は、約30μmであった。
1.00 g of solution (B), 0.94 g of solution (C), and 0.019 g of WO3 were added to solution (A), and ultrasonic waves were applied to obtain a dispersion in which tungsten oxide was dispersed.
The obtained dispersion was cast into a petri dish, and the solvent was allowed to dry naturally. Next, the petri dish was annealed at 140°C for 15 minutes. After annealing, the membrane was washed five times with ultrapure water. Next, the membrane was peeled off from the petri dish and allowed to dry naturally. Furthermore, the membrane was immersed in ultrapure water at 80°C for 20 hours, and then allowed to dry naturally. The thickness of the obtained composite membrane was about 30 μm.

[1.1.2. 実施例1~6]
溶液(B)に硝酸セリウムを添加せず、かつ、酸化タングステンの種類及び/又は添加量を変えた以外は、実施例7と同様にして、電解質膜を作製した。
[1.1.2. Examples 1 to 6]
An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 7, except that cerium nitrate was not added to solution (B) and the type and/or amount of tungsten oxide added was changed.

[1.1.3. 比較例1]
溶液(B)に硝酸セリウムを添加せず、かつ、溶液(A)に酸化タングステンを添加しなかった以外は、実施例7と同様にして、Ceイオン及び酸化タングステンを含まない電解質膜を作製した。
[1.1.4. 比較例2]
溶液(A)に酸化タングステンを添加しなかった以外は、実施例7と同様にして、Ceイオンのみを含む電解質膜を作製した。
[1.1.3. Comparative Example 1]
An electrolyte membrane containing neither Ce ions nor tungsten oxide was prepared in the same manner as in Example 7, except that cerium nitrate was not added to solution (B) and tungsten oxide was not added to solution (A).
[1.1.4. Comparative Example 2]
An electrolyte membrane containing only Ce ions was prepared in the same manner as in Example 7, except that tungsten oxide was not added to the solution (A).

表1に、実施例1~7及び比較例1~2で得られた膜の平均組成を示す。なお、実施例1~7については、添加した酸化タングステンのほとんどがシャーレ面側に偏在していたので、表1に示す酸化タングステンの平均組成は、アノード側領域の酸化タングステンの平均組成にほぼ対応する。

Figure 0007648322000001
Table 1 shows the average compositions of the films obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2. In Examples 1 to 7, most of the added tungsten oxide was unevenly distributed on the petri dish surface side, so the average composition of tungsten oxide shown in Table 1 corresponds approximately to the average composition of tungsten oxide in the anode side region.
Figure 0007648322000001

[1.2. MEAの作製]
[1.2.1. 実施例1~7、比較例1~2]
得られた複合膜を2.5cm角に切り出した。複合膜の両面に触媒層を配置し、140℃、5分間、50kgf/cm2(4.9MPa)の条件でプレスすることによりこれらを複合膜に転写し、MEAを得た。なお、キャスト成膜時のキャスト面(シャーレ側の面)に接合された触媒層をアノード触媒層とし、空気側の面に接合された触媒層をカソード触媒層とした。
[1.2. Preparation of MEA]
[1.2.1. Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 2]
The obtained composite membrane was cut into 2.5 cm squares. Catalyst layers were placed on both sides of the composite membrane, and these were transferred to the composite membrane by pressing under conditions of 140°C, 5 minutes, and 50 kgf/ cm2 (4.9 MPa) to obtain an MEA. The catalyst layer bonded to the cast surface (surface on the petri dish side) during cast membrane formation was used as the anode catalyst layer, and the catalyst layer bonded to the air side surface was used as the cathode catalyst layer.

[1.2.2. 比較例3~4]
実施例2と同様にして、MEAを作製した。但し、キャスト面側に接合された触媒層をカソード触媒層として用いた(比較例3)。
また、実施例5と同様にして、MEAを作製した。但し、キャスト面側に接合された触媒層をカソード触媒層として用いた(比較例4)。
[1.2.2. Comparative Examples 3 to 4]
An MEA was produced in the same manner as in Example 2, except that the catalyst layer bonded to the cast surface side was used as the cathode catalyst layer (Comparative Example 3).
Also, an MEA was produced in the same manner as in Example 5, except that the catalyst layer bonded to the cast surface side was used as the cathode catalyst layer (Comparative Example 4).

[2. 試験方法]
[2.1. 走査型電子顕微鏡(SEM)観察]
得られた膜のSEM観察を行った。
2. Test Method
[2.1. Scanning Electron Microscope (SEM) Observation]
The obtained film was observed with an SEM.

[2.2. 開回路(OC)電圧耐久試験]
得られたMEAの両側にガス拡散層を配置し、燃料電池セルに組み付けた。電極面積は、0.64cm2とした。次いで、得られた燃料電池セルを用いて、以下の条件下で90時間の開回路(OC)電圧耐久試験を行った。
セル温度:95℃
湿度:アノード及びカソード共に30%RH
ガス流量:300cc/min(アノードガス:H2、カソードガス:空気)
背圧:133kPa
2.2. Open circuit (OC) voltage endurance test
Gas diffusion layers were placed on both sides of the obtained MEA, and the MEA was assembled into a fuel cell. The electrode area was 0.64 cm 2. Next, the obtained fuel cell was subjected to a 90-hour open circuit (OC) voltage durability test under the following conditions.
Cell temperature: 95°C
Humidity: 30% RH for both anode and cathode
Gas flow rate: 300 cc/min (anode gas: H2 , cathode gas: air)
Back pressure: 133 kPa

燃料電池から排出された試験中の加湿ガスを凝縮させ、得られた水を24時間毎に回収した。回収水中には、電解質膜が化学劣化分解したFイオンが溶解している。これをイオンクロマトグラフィーにより定量し、90時間までのFイオン量の累計を算出した。 The humidified gas discharged from the fuel cell during the test was condensed, and the resulting water was collected every 24 hours. The collected water contained dissolved F ions that had been produced by chemical degradation and decomposition of the electrolyte membrane. These were quantified using ion chromatography, and the cumulative amount of F ions up to 90 hours was calculated.

[2.3. I-V性能]
得られた燃料電池セルを用いて、以下の条件下でI-V性能を評価した。
セル温度:95℃
湿度:アノード及びカソード共に40%RH
アノードガス流量:H2、500cc/min
カソードガス流量:空気、2000cc/min
背圧:50kPa
[2.3. IV performance]
The obtained fuel cell was used to evaluate the IV performance under the following conditions.
Cell temperature: 95°C
Humidity: 40% RH for both anode and cathode
Anode gas flow rate: H2 , 500cc/min
Cathode gas flow rate: air, 2000 cc/min
Back pressure: 50 kPa

[3. 結果]
[3.1. SEM観察]
図1(A)に、実施例5で得られた電解質膜のシャーレ側の面のSEM像を示す。図1(B)に、実施例5で得られた電解質膜の空気側の面のSEM像を示す。添加したほとんどのWO3微粒子がキャスト面に存在し、微粒子の含有量が膜厚方向に向かって勾配を持っていることが分かった。
3. Results
[3.1. SEM Observation]
Fig. 1(A) shows an SEM image of the petri dish side surface of the electrolyte membrane obtained in Example 5. Fig. 1(B) shows an SEM image of the air side surface of the electrolyte membrane obtained in Example 5. It was found that most of the added WO3 fine particles were present on the cast surface, and the fine particle content had a gradient in the membrane thickness direction.

[3.2. OC電圧耐久試験]
図2に、実施例1~7及び比較例1~2で得られた電解質膜の90時間後のFイオン溶出量の累計を示す。図2より、以下のことが分かる。
(1)比較例1は、Feイオンのみを添加した膜であり、Fイオン溶出量が最も多かった。
(2)比較例2は、Feイオン及びCeイオンを添加した膜である。比較例2は、比較例1に比べてFイオン溶出量が減少しており、劣化が抑制されていることが分かった。これは、H22とFeイオンとが反応して生成したヒドロキシラジカルが、Ceイオンによってクエンチされたためと考えられる。
3.2. OC voltage endurance test
2 shows the cumulative amount of F ion elution after 90 hours for the electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2. The following can be seen from FIG.
(1) Comparative Example 1 is a membrane to which only Fe ions were added, and the amount of F ions eluted was the largest.
(2) Comparative Example 2 is a membrane to which Fe ions and Ce ions are added. It was found that the amount of F ions eluted in Comparative Example 2 was reduced compared to Comparative Example 1, and deterioration was suppressed. This is believed to be because hydroxyl radicals generated by the reaction of H2O2 and Fe ions were quenched by Ce ions.

(3)実施例1~3は、WO2を添加した複合膜であり、実施例4~6は、WO3を添加した複合膜である。実施例1~6においても、比較例1に比べてFイオン溶出量は減少した。これは、生成したH22が酸化タングステンにより分解されているためと考えられる。
(4)実施例7は、CeイオンとWO3とを添加した複合膜である。実施例7は、比較例2よりもFイオン溶出量が減少しており、CeとWの複合添加の効果が見られた。
(3) Examples 1 to 3 are composite membranes to which WO2 has been added, and Examples 4 to 6 are composite membranes to which WO3 has been added. In Examples 1 to 6, the amount of F ion elution was also reduced compared to Comparative Example 1. This is believed to be because the generated H2O2 was decomposed by tungsten oxide .
(4) Example 7 is a composite membrane to which Ce ions and WO 3 were added. In Example 7, the amount of F ion elution was smaller than that in Comparative Example 2, and the effect of the combined addition of Ce and W was observed.

図3に、実施例2、5及び比較例3、4で得られた電解質膜の90時間後のFイオン溶出量の累計を示す。実施例2はアノード側にWO2が偏在しているMEAであるのに対し、比較例3はカソード側にWO2が偏在しているMEAである。図3より、実施例2は、比較例3よりFイオン溶出量が少ないことが分かる。
同様に、実施例5はアノード側にWO3が偏在しているMEAであるのに対し、比較例4はカソード側にWO3が偏在しているMEAである。図3より、実施例5は、比較例4よりFイオン溶出量が少ないことが分かる。
以上より、アノード側に酸化タングステン微粒子を多く配置することで、電解質膜の劣化が抑制されることが示された。
Figure 3 shows the cumulative amount of F ion elution after 90 hours for the electrolyte membranes obtained in Examples 2 and 5 and Comparative Examples 3 and 4. Example 2 is an MEA in which WO 2 is unevenly distributed on the anode side, whereas Comparative Example 3 is an MEA in which WO 2 is unevenly distributed on the cathode side. From Figure 3, it can be seen that Example 2 has a smaller amount of F ion elution than Comparative Example 3.
Similarly, Example 5 is an MEA in which WO 3 is unevenly distributed on the anode side, whereas Comparative Example 4 is an MEA in which WO 3 is unevenly distributed on the cathode side. From FIG. 3, it can be seen that Example 5 has a smaller amount of F ion elution than Comparative Example 4.
These results show that the deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed by placing a large amount of tungsten oxide microparticles on the anode side.

[3.3. I-V性能]
図4に、実施例2及び比較例2で得られた燃料電池のI-V性能を示す。実施例2及び比較例2は、いずれも、90時間のOC電圧耐久試験後のFイオン溶出量がほぼ同等であった。しかしながら、実施例2のI-V性能は、比較例2のそれより高くなった。これは、比較例2の電解質膜の酸基のプロトンの一部がCeイオンで置換され、電解質膜のプロトン伝導度が低下したためと考えられる。
[3.3. IV performance]
4 shows the IV performance of the fuel cells obtained in Example 2 and Comparative Example 2. In both Example 2 and Comparative Example 2, the amount of F ion elution after a 90-hour OC voltage endurance test was almost the same. However, the IV performance of Example 2 was higher than that of Comparative Example 2. This is believed to be because some of the protons of the acid groups of the electrolyte membrane of Comparative Example 2 were replaced with Ce ions, resulting in a decrease in the proton conductivity of the electrolyte membrane.

(実施例8~14、比較例5)
[1. 試験方法]
0.067mmolの各種添加剤を10mLの水に分散させて分散液とし、この分散液にさらに4.41mmolの過酸化水素を添加した。表2に、使用した添加剤を示す。
(Examples 8 to 14, Comparative Example 5)
1. Test Method
0.067 mmol of each of the additives was dispersed in 10 mL of water to prepare a dispersion, and 4.41 mmol of hydrogen peroxide was further added to the dispersion. Table 2 shows the additives used.

Figure 0007648322000002
Figure 0007648322000002

得られた分散液を80℃で1時間保持した後、分散液に残存している過酸化水素濃度を測定した。さらに、次の式(2)から過酸化水素分解率を算出した。
過酸化水素分解率(%)=(C0-C)×100/C0 …(2)
但し、
0は、元の分散液に含まれる過酸化水素の濃度、
Cは、80℃で1時間保持後の分散液に含まれる過酸化水素の濃度。
The resulting dispersion was kept at 80° C. for 1 hour, and then the concentration of hydrogen peroxide remaining in the dispersion was measured. Furthermore, the hydrogen peroxide decomposition rate was calculated from the following formula (2).
Hydrogen peroxide decomposition rate (%)=(C 0 −C )×100/C 0 (2)
however,
C 0 is the concentration of hydrogen peroxide in the original dispersion,
C is the concentration of hydrogen peroxide contained in the dispersion after being kept at 80° C. for 1 hour.

[2. 結果]
図5に、各種添加剤のH22分解率を示す。なお、図5には、添加剤を添加しなかった場合(比較例5)のH22分解率も併せて示した。本実験条件において、H22は、熱による自己分解をしないことが分かった(比較例5)。一方、実施例14のWO2だけでなく、実施例8~13の各種タングステン酸塩を用いた場合においてもH22は分解した。
以上より、タングステン酸塩を電解質と複合化し、アノード側に多く配置することで、化学劣化が抑制されることが予想される。
2. Results
Figure 5 shows the H2O2 decomposition rate for various additives. Figure 5 also shows the H2O2 decomposition rate when no additive was added (Comparative Example 5). It was found that H2O2 did not self- decompose due to heat under these experimental conditions (Comparative Example 5). On the other hand, H2O2 decomposed not only when WO2 was used in Example 14, but also when various tungstates were used in Examples 8 to 13 .
From the above, it is expected that chemical degradation can be suppressed by combining tungstate with an electrolyte and placing a large amount of it on the anode side.

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 embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池、固体高分子形水電解装置などの各種電気化学デバイスに用いることができる。 The membrane electrode assembly of the present invention can be used in various electrochemical devices such as solid polymer fuel cells and solid polymer water electrolysis devices.

Claims (4)

以下の構成を備えた膜電極接合体。
(1)前記膜電極接合体は、
固体高分子電解質を含む電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜内のアノード側に偏析している第1微粒子と
を備え、
前記第1微粒子は、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物からなる。
(2)前記固体高分子電解質は、フッ素系電解質を含み、炭化水素系電解質を含まない。
(3)前記第1化合物は、WO 2 及び/又はWO 3 らなる。
(4)前記電解質膜の前記アノード側の表面から前記電解質膜の中央までの領域(アノード側領域)に含まれる前記第1微粒子の平均含有量が1.0mass%以上3.0mass%以下であり、
前記電解質膜の中央から前記解質膜のカソード側の表面までの領域(カソード側領域)に含まれる前記第1微粒子の平均含有量が0.1mass%未満である。
A membrane electrode assembly having the following configuration.
(1) The membrane electrode assembly is
an electrolyte membrane including a solid polymer electrolyte;
an anode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
a cathode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane;
a first fine particle segregated on an anode side within the electrolyte membrane,
The first fine particles are made of a first compound having a function of decomposing hydrogen peroxide.
(2) The solid polymer electrolyte includes a fluorine-based electrolyte and does not include a hydrocarbon-based electrolyte.
(3) The first compound consists of WO2 and /or WO3 .
(4) The average content of the first fine particles contained in a region from the anode side surface of the electrolyte membrane to the center of the electrolyte membrane (anode side region) is 1.0 mass% or more and 3.0 mass% or less,
The average content of the first fine particles contained in a region from the center of the electrolyte membrane to the cathode side surface of the electrolyte membrane (cathode side region) is less than 0.1 mass %.
(a)前記固体高分子電解質の酸基のプロトンとイオン交換している、ラジカルを消去する機能を有する第2金属元素のイオン、及び/又は、
(b)前記電解質膜内に分散している、前記第2金属元素を含む第2化合物からなる第2微粒子
をさらに含む請求項1に記載の膜電極接合体。
(a) ions of a second metal element having a radical scavenging function, which are ion-exchanged with protons of the acid groups of the solid polymer electrolyte, and/or
2. The membrane electrode assembly according to claim 1, further comprising: (b) second fine particles dispersed in the electrolyte membrane and made of a second compound containing the second metal element.
前記第2金属元素は、Ceである請求項2に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 2 , wherein the second metal element is Ce. 次の式(1)を満たす請求項2又は3に記載の膜電極接合体。
0.0005≦M/A≦0.15 …(1)
但し、
M/Aは、前記固体高分子電解質に含まれる前記酸基のモル数(A)に対する、前記第2金属元素のモル数(M)の比。
The membrane/electrode assembly according to claim 2 or 3 , which satisfies the following formula (1):
0.0005≦M/A≦0.15…(1)
however,
M/A is the ratio of the number of moles (M) of the second metal element to the number of moles (A) of the acid groups contained in the solid polymer electrolyte.
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