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公開番号2025007966
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2023109733
出願日2023-07-04
発明の名称膜電極接合体
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人弁理士法人平木国際特許事務所
主分類H01M 8/1004 20160101AFI20250109BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】本開示の課題は、耐久性に優れる膜電極接合体を提供することである。
【解決手段】本実施形態は、固体高分子電解質膜、前記固体高分子電解質膜の一方の面上に配置されたアノード触媒層、及び前記固体高分子電解質膜の他方の面上に配置されたカソード触媒層を有する膜電極接合体であって、前記膜電極接合体が、セリウムイオン及びマンガンイオンから選択される金属イオン、及び前記金属イオンと包接化合物を形成できるホスト化合物を含み、前記ホスト化合物が、アミノ基を含むクラウンエーテル化合物又はその塩である、膜電極接合体である。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
固体高分子電解質膜、前記固体高分子電解質膜の一方の面上に配置されたアノード触媒層、及び前記固体高分子電解質膜の他方の面上に配置されたカソード触媒層を有する膜電極接合体であって、
前記膜電極接合体が、セリウムイオン及びマンガンイオンから選択される金属イオン、及び前記金属イオンと包接化合物を形成できるホスト化合物を含み、
前記ホスト化合物が、アミノ基を含むクラウンエーテル化合物又はその塩である、膜電極接合体。
続きを表示（約 860 文字）【請求項２】
前記ホスト化合物が、アミノ基で置換された芳香族環又は脂肪族環を有するクラウンエーテル化合物又はその塩である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記ホスト化合物が、（－ＣＨ
２
－ＣＨ
２
－Ｙ－）ユニット又は（－ＣＨ
２
－ＣＨ
２
－ＣＨ
２
－Ｙ－）ユニットの繰り返し構造を有するクラウンエーテル化合物又はその塩（Ｙは、それぞれ独立して、－Ｏ－、－ＮＨ－及び－ＮＲ－から選択される少なくとも１種であり、少なくとも１つのＹは－ＮＨ－及び－ＮＲ－から選択され、Ｒは、それぞれ独立に、炭素数１～６のアルキル基であり、２つのＲが存在する場合、それらのＲは、１つ又は２つの炭素原子が酸素原子で置換されていてもよいＣ
１
～Ｃ
６
アルキレンを介して連結していてもよい。）である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記ホスト化合物が、（－ＣＨ
２
－ＣＨ
２
－Ｙ－）ユニット又は（－ＣＨ
２
－ＣＨ
２
－ＣＨ
２
－Ｙ－）ユニットの繰り返し構造を有するクラウンエーテル化合物又はその塩（Ｙは、それぞれ独立して、－Ｏ－及び－ＮＲ－から選択される少なくとも１種であり、少なくとも１つのＹは－ＮＲ－から選択され、Ｒは、それぞれ独立に、炭素数１～４のアルキル基であり、２つのＲが存在する場合、それらのＲは、１つ又は２つの炭素原子が酸素原子で置換されていてもよいＣ
１
～Ｃ
６
アルキレンを介して連結していてもよい。）である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記アミノ基を含むクラウンエーテル化合物の塩が、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩、又はプロピオン酸塩である、請求項１に記載の膜電極接合体。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、膜電極接合体に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、一般に、電解質膜である固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一方の面上に配置されたアノード触媒層と、固体高分子電解質膜の他方の面上に配置されたカソード触媒層とを有する膜電極接合体（「ＭＥＡ」とも称す）を備える。アノード触媒層は、燃料極として機能し、カソード触媒層は、空気極として機能する。ＭＥＡの両面には、さらにガス拡散層が配置されることもあり、この形態は、膜電極ガス拡散層接合体（「ＭＥＧＡ」とも称す）と呼ばれる。
【０００３】
ここで、固体高分子型燃料電池では、発電時に、触媒層において、水と酸素から過酸化水素（Ｈ
２
Ｏ
２
）が生成されたり、過酸化水素から水酸化ラジカル（・ＯＨ）が生成されたりすることがある。この過酸化水素及び水酸化ラジカルは、固体高分子電解質膜や触媒層中に含まれるアイオノマー等の電解質樹脂を劣化させる原因となる。
【０００４】
そこで、セリウムイオン等のラジカルクエンチ剤をＭＥＡ中に含有させることにより、燃料電池の発電中に発生する過酸化水素ラジカルを無害化させる技術が提案されている。酸化水素ラジカルの無害化とは、例えば、過酸化水素ラジカルからの水への反応である。
【０００５】
例えば、特許文献１では、下記（ａ）～下記（ｃ）のいずれかを含む、スルホン酸基を有する高分子電解質からなる固体高分子電解質膜［（ａ）セリウムイオン、及び、セリウムイオンと包接化合物を形成できる有機化合物（Ｘ）、（ｂ）セリウムイオンを包接した前記有機化合物（Ｘ）からなる包接化合物（Ｙ）、（ｃ）セリウムイオン及び前記有機化合物（Ｘ）の少なくとも一方、及び、前記包接化合物（Ｙ）］が開示されている。特許文献１では、特許文献１の固体高分子電解質膜は、過酸化水素又は過酸化物ラジカルに対して優れた耐性を有することが記載されている。その理由は明確ではないものの、電解質膜中にセリウムイオンと有機化合物（Ｘ）を含むことにより、少なくともそれらの一部が包接化合物を形成し、それがスルホン酸基（－ＳＯ
３
－）との相互作用を行って、スルホン酸基の一部が包接化合物（Ｙ）でイオン交換されて所定の構造を形成することにより、高分子電解質膜の過酸化水素又は過酸化物ラジカル耐性を効果的に向上させていると推定されると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２００８－１３０４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の通り、特許文献１には、ラジカルクエンチ剤としてのセリウムイオン及び１８－クラウン－６－エーテルを含む高分子電解質膜又はアノード触媒層が開示されている。
【０００８】
しかしながら、セリウムイオン及び１８－クラウン－６－エーテルを含む膜電極接合体を調査したところ、使用中に性能低下が認められ、耐久性の点で改善の余地があることが判明した。
【０００９】
そこで、本開示の目的は、耐久性に優れる膜電極接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、上記性能低下の理由の一つは、使用中にセリウムイオンが電極内を移動して偏析し、セリウムイオンの低濃度箇所が発生するためであることが分かった。そこで、本発明者らは、さらに検討を進めたところ、アミノ基を含むクラウンエーテル化合物又はその塩を用いることで、耐久性を向上できることを見出し、本開示に至った。
（【００１１】以降は省略されています）

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