JP2005294175A - Electrode catalyst layer and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 固体高分子型燃料電池の耐久性を向上させる手段を提供する。
【解決手段】 固体高分子型燃料電池の電極触媒層として、導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、プロトン伝導性高分子、および撥水性材料からなる層を用いる。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide means for improving durability of a polymer electrolyte fuel cell.
As an electrode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, a layer made of a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, a proton conductive polymer, and a water repellent material is used. .
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は、固体高分子型燃料電池における電極触媒層に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell. More specifically, the present invention relates to an electrode catalyst layer in a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんど無いクリーンな発電システムである。燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池など、各種燃料電池が提案されている。この中では、固体高分子型燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動可能であることから、自動車等の移動体用動力源として期待され、開発が進められている。 A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. Various fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell have been proposed as fuel cells. Among these, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be operated at a relatively low temperature, and thus is expected as a power source for moving bodies such as automobiles, and is being developed.
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持する1対の電極を有する。一方の電極は、酸化剤が供給される酸素極であり、もう一方の電極は、水素ガスが供給される燃料極である。 The solid polymer fuel cell has a proton conductive solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes that sandwich the solid polymer electrolyte membrane. One electrode is an oxygen electrode to which an oxidizing agent is supplied, and the other electrode is a fuel electrode to which hydrogen gas is supplied.
図1は、固体高分子型燃料電池の一実施形態の模式図である。図に示すように、固体高分子型燃料電池10は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)100と、膜電極接合体の外側に膜電極接合体100を挟持するように配置された1対のセパレータ200とを有する。セパレータ200の外部には、集電体300が配置される。膜電極接合体100は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜110と、固体高分子電解質膜110を挟持するように配置される1対の電極触媒層120と、高分子電解質膜110および電極触媒層120を挟持するように配置される1対のガス拡散層130とを有する積層体である。必要に応じて、カーボン層140などが積層されてもよい。
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a solid polymer fuel cell. As shown in the figure, a polymer
膜電極接合体100を挟持する1対のセパレータ200は、ガス拡散層130と接する面にガス流路210が形成されている。酸素極側のガス流路210には、空気や酸素ガスなどの酸化剤が供給される。燃料極側のガス流路210には、水素ガスなどの燃料ガスが供給される。ガス流路210に供給された反応ガスは、多孔性のガス拡散層130およびカーボン層140を通じて電極触媒層120に到達し、次式(1)および(2)に示す電気化学的反応により電子が発生する。この電子は集電体300を通じて外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。
In the pair of
固体高分子型燃料電池における上記電極反応は、電極触媒層120において進行する。したがって、固体高分子型燃料電池の電池性能は電極触媒層の特性に大きく依存し、電池性能を向上させるためには、電極触媒層の構成成分、構成成分の配合比、電極触媒層の構造などを、如何に工夫するかが重要である。
The electrode reaction in the polymer electrolyte fuel cell proceeds in the
燃料電池に求められる電池性能の中では、出力向上が強く求められている。出力が高い電池を用いれば、動力源としての燃料電池を小型かつ軽量にすることが可能であり、燃料電池自動車の車内スペースの増大や燃費向上といった効果が得られる。また、出力向上と並んで、耐久性向上も所望されている。特に自動車などの長期間に渡って使用される用途においては、使用に伴う放電電圧の低下を極力少なくし、車両に対する信頼性を向上させることが求められる。 In the battery performance required for fuel cells, output improvement is strongly demanded. If a battery with a high output is used, the fuel cell as a power source can be made small and light, and effects such as an increase in the space inside the fuel cell vehicle and an improvement in fuel consumption can be obtained. In addition to the improvement in output, improvement in durability is also desired. In particular, in applications such as automobiles that are used for a long period of time, it is required to reduce the decrease in discharge voltage associated with use as much as possible and to improve the reliability of the vehicle.
固体高分子型燃料電池の特性を向上させる技術としては、例えば特許文献1には、酸素極側の電極触媒層における、構成成分の配合比を制御する技術が提案されている。具体的には、白金等の触媒活物質、カーボン粉末等の触媒活物質を担持してなる導電性触媒担体、およびプロトン伝導性高分子からなる電極触媒層において、導電性触媒担体に対するプロトン伝導性高分子の質量比(プロトン伝導性高分子質量/導電性触媒担体質量)を、0.8〜1.0とする技術が提案されている。しかしながら、固体高分子型燃料電池の耐久性に関して、さらなる向上が求められている。
そこで、本発明の目的は、固体高分子型燃料電池の耐久性を向上させる手段を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide means for improving the durability of a polymer electrolyte fuel cell.
本発明は、導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、プロトン伝導性高分子、および撥水性材料を含む、固体高分子型燃料電池用電極触媒層である。 The present invention is an electrode catalyst layer for a solid polymer fuel cell, comprising a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, a proton conductive polymer, and a water repellent material.
また本発明は、導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、およびプロトン伝導性高分子を含む液体を調製する段階と、前記液体から溶媒を揮発させ、さらに熱処理を施すことによって、前記導電性触媒担体、前記触媒活物質、および前記高分子からなる粉末を得る段階と、前記粉末と、撥水性材料とを含む電極インクを調製する段階と、前記電極インクを塗布し、溶媒を揮発させることによって、前記導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、前記プロトン伝導性固体高分子、および前記撥水性材料を含む膜を形成する段階とを含む、電極触媒層の製造方法である。 The present invention also includes a step of preparing a liquid containing a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, and a proton conductive polymer, volatilizing the solvent from the liquid, and further performing a heat treatment. A step of obtaining a powder comprising the conductive catalyst carrier, the catalyst active material, and the polymer, a step of preparing an electrode ink including the powder and a water repellent material, and applying the electrode ink And forming a film containing the conductive catalyst carrier, the catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, the proton conductive solid polymer, and the water repellent material by volatilizing the solvent; Is a method for producing an electrode catalyst layer.
本発明によって、初期電圧が高く、耐久性にも優れる固体高分子型燃料電池が提供される。 The present invention provides a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage and excellent durability.
固体高分子型燃料電池においては、前述した酸素極および燃料極における反応によって電力が発生する。このとき、燃料極側の電極触媒層に存在する触媒活物質周辺で生成したプロトンは、電極触媒層内に分散されたプロトン伝導性高分子を介して、固体高分子電解質膜に到達し、さらに固体高分子電解質膜内を通過して酸素極側に移行する。その後、酸素極側の電極触媒層内に分散されたプロトン伝導性高分子を介して、触媒活物質に達し、酸素ガス及び外部回路を通ってきた電子と反応して水を生成する。 In the polymer electrolyte fuel cell, electric power is generated by the reaction at the oxygen electrode and the fuel electrode described above. At this time, protons generated around the catalyst active material present in the electrode catalyst layer on the fuel electrode side reach the solid polymer electrolyte membrane via the proton conductive polymer dispersed in the electrode catalyst layer, and It passes through the solid polymer electrolyte membrane and moves to the oxygen electrode side. Thereafter, the catalyst active material is reached via the proton conductive polymer dispersed in the electrode catalyst layer on the oxygen electrode side, and reacts with oxygen gas and electrons that have passed through the external circuit to generate water.
燃料電池においては発電反応に伴い水が生成するが、この水が固体高分子型燃料電池内に滞留した場合、燃料電池の性能を劣化させる原因の一つとなる。即ち、生成した水がセパレータ内のガス流路の閉塞や電極触媒層内での不均一な水分布を引き起こし、電極触媒層が腐食劣化してしまい、固体高分子型燃料電池の電池性能が低下する。 In a fuel cell, water is generated with a power generation reaction, and when this water stays in the polymer electrolyte fuel cell, it becomes one of the causes for degrading the performance of the fuel cell. That is, the generated water causes clogging of the gas flow path in the separator and uneven water distribution in the electrode catalyst layer, and the electrode catalyst layer is corroded and deteriorated, so that the performance of the polymer electrolyte fuel cell is lowered. To do.
例えば、導電性担体としてカーボンブラック、触媒活物質として白金を用いた場合、起動停止及び電池運転時に発生する燃料欠乏に伴う電極電位の上昇により、担体であるカーボンブラックが次の反応で腐食する。 For example, when carbon black is used as the conductive carrier and platinum is used as the catalyst active material, the carbon black as the carrier is corroded by the next reaction due to an increase in electrode potential due to fuel depletion that occurs during start and stop and battery operation.
カーボンブラックの腐食が発生すると、電極触媒層のポーラス構造が破壊され、燃料ガスおよび酸素ガスの拡散性の低下や、電極触媒層内のプロトン伝導パスの減少および遮断によって、電池性能は低下する。また、電子伝導性の低下により電池抵抗が増大することも、電池性能低下の一因となる。さらには、白金とカーボンブラックとの接合部が剥がれることによって、白金粒子が融着して白金の表面積が減少すると、電池性能が低下する。このように、生成した水によって様々な弊害が生じるため、生成した水が触媒層内に滞留することによって電池性能が劣化しないように、固体高分子型燃料電池に腐食劣化対策を講じることが好ましい。 When the carbon black is corroded, the porous structure of the electrode catalyst layer is destroyed, and the battery performance deteriorates due to a decrease in the diffusibility of the fuel gas and oxygen gas and a decrease and blockage of the proton conduction path in the electrode catalyst layer. Further, an increase in battery resistance due to a decrease in electronic conductivity also contributes to a decrease in battery performance. Furthermore, when the joining part of platinum and carbon black peels off, when the platinum particles are fused and the surface area of platinum is reduced, the battery performance is lowered. As described above, since various adverse effects are caused by the generated water, it is preferable to take measures against corrosion deterioration in the polymer electrolyte fuel cell so that the generated water does not deteriorate due to the water remaining in the catalyst layer. .
本発明の第1は、電極触媒層中に、撥水性材料を含有されることによって、電極触媒層からの水の離水性を向上させ、電極触媒層の腐食劣化を防止する。具体的には、本発明の第1は、導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、プロトン伝導性高分子、および撥水性材料を含む、固体高分子型燃料電池用電極触媒層である。 In the first aspect of the present invention, the water repellent material is contained in the electrode catalyst layer, thereby improving the water separation from the electrode catalyst layer and preventing the electrode catalyst layer from being corroded. Specifically, the first of the present invention is a solid polymer fuel cell comprising a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, a proton conductive polymer, and a water repellent material. This is an electrode catalyst layer.
以下、本発明の電極触媒層の構成について詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the electrode catalyst layer of the present invention will be described in detail.
導電性触媒担体とは、触媒活物質を担持する役割を有し、電子の移動が可能なように導電性を有する物質である。導電性触媒担体は、触媒活物質を担持可能であれば、特に限定されない。実際に使用される触媒担体は、触媒担体の特性や、電極活物質との相性などを考慮して決定されればよい。導電性触媒担体の具体例としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などのカーボン材料;各種金属が挙げられる。他の導電性触媒担体が用いられてもよい。 The conductive catalyst carrier is a substance having a role of supporting a catalyst active material and having conductivity so that electrons can move. The conductive catalyst carrier is not particularly limited as long as it can carry a catalyst active material. The catalyst carrier to be actually used may be determined in consideration of the characteristics of the catalyst carrier, compatibility with the electrode active material, and the like. Specific examples of the conductive catalyst carrier include carbon blacks such as acetylene black, carbon materials such as activated carbon and graphite, and various metals. Other conductive catalyst supports may be used.
導電性触媒担体の粒径は、特に限定されないが、好ましくは5〜100nm、より好ましくは30〜50nmである。 The particle size of the conductive catalyst carrier is not particularly limited, but is preferably 5 to 100 nm, more preferably 30 to 50 nm.
導電性触媒担体の比表面積は、特に限定されないが、好ましくは200〜1200m2/g、より好ましくは500〜1000m2/gである。比表面積が小さすぎると、導電性触媒担体への電極活物質およびプロトン伝導性高分子の分散性が低下し、十分な電池性能が発現しない虞がある。また、比表面積が大きすぎると、電極活物質およびプロトン伝導性高分子の有効利用率が低下し、十分な電池性能が発現しない虞がある。 The specific surface area of the conductive catalyst support is not particularly limited, preferably 200~1200m 2 / g, more preferably 500 to 1000 m 2 / g. If the specific surface area is too small, the dispersibility of the electrode active material and the proton conductive polymer on the conductive catalyst carrier may be reduced, and sufficient battery performance may not be exhibited. On the other hand, if the specific surface area is too large, the effective utilization rate of the electrode active material and the proton conductive polymer may be reduced, and sufficient battery performance may not be exhibited.
導電性触媒担体における触媒活物質の担持量は、特に限定されないが、好ましくは0.01〜5mg/cm2であり、より好ましくは0.1〜1mg/cm2である。触媒活物質の担持量が少なすぎると、触媒機能が十分に発現しない虞がある。触媒活物質の担持量が多すぎる場合、触媒機能の観点からは特に問題は生じないかもしれないが、必要以上の触媒活物質を担持させても、製造コストの上昇に見合った効果増大が得られにくくなる。 The amount of the catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 5 mg / cm 2 , more preferably 0.1 to 1 mg / cm 2 . If the supported amount of the catalyst active material is too small, the catalyst function may not be sufficiently exhibited. If the amount of the catalyst active material supported is too large, there may be no particular problem from the viewpoint of the catalyst function. However, even if more catalyst active material is supported, an increase in effect commensurate with the increase in production cost can be obtained. It becomes difficult to be.
触媒活物質とは、燃料極または酸素極における電極反応を促進する機能を有する物質である。触媒活物質は、配置される電極における電極反応を促進する機能を有していれば、特に限定されない。触媒活物質の具体例としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびこれらの合金が挙げられる。他の触媒活物質が用いられてもよい。 The catalytic active material is a material having a function of promoting an electrode reaction at the fuel electrode or the oxygen electrode. A catalyst active material will not be specifically limited if it has a function which accelerates | stimulates the electrode reaction in the electrode arrange | positioned. Specific examples of the catalyst active material include platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. Is mentioned. Other catalytic active materials may be used.
触媒活物質の粒径は、特に限定されないが、好ましくは1〜30nmであり、より好ましくは1.5〜10nmである。触媒利用率を向上させる観点からは、粒径が小さいほど好ましいが、粒径が小さすぎると触媒活物質の作製が困難になる。 The particle size of the catalyst active material is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 nm, and more preferably 1.5 to 10 nm. From the viewpoint of improving the catalyst utilization rate, the smaller the particle size, the better. However, when the particle size is too small, it becomes difficult to produce the catalyst active material.
プロトン伝導性高分子とは、プロトンを移動させる性能を有する高分子を意味する。プロトン伝導性高分子は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たす。プロトン伝導性高分子としては、固体高分子電解質膜を構成する高分子と同様の構成を有する高分子が使用されうる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸などが、プロトン伝導性高分子として用いられうる。 The proton conductive polymer means a polymer having the ability to move protons. The proton conductive polymer plays a role of transmitting protons generated around the catalyst active material on the fuel electrode side. As the proton conductive polymer, a polymer having the same configuration as the polymer constituting the solid polymer electrolyte membrane can be used. For example, perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polystyrene sulfonic acid, polytrifluorostyrene sulfonic acid, or the like can be used as the proton conductive polymer.
好ましくは、プロトン伝導性高分子のイオン交換容量(E.W.)が、所定の範囲である。具体的には、プロトン伝導性高分子のイオン交換容量(E.W.)が、好ましくは700〜1200g/ew、より好ましくは900〜1100である。ここで示す「E.W.」とは、プロトン伝導性を有する交換基の当質量を表している。当質量は、イオン交換基1当量あたりのイオン交換膜の乾燥質量であり、g/ewの単位で表される。イオン交換容量が小さすぎると、電極触媒層の親水性が高まり、生成水の円滑な移動が図れなくなる虞がある。また、イオン交換容量が大きすぎると、プロトン伝導性が低くなり、充分な電池性能が得られにくくなる。ただし、上記範囲に本発明の技術的範囲が限定されるわけではない。 Preferably, the ion exchange capacity (EW) of the proton conducting polymer is in a predetermined range. Specifically, the ion exchange capacity (EW) of the proton conducting polymer is preferably 700 to 1200 g / ew, more preferably 900 to 1100. “EW” shown here represents the equivalent mass of the exchange group having proton conductivity. This mass is the dry mass of the ion exchange membrane per equivalent of ion exchange groups, and is expressed in units of g / ew. If the ion exchange capacity is too small, the hydrophilicity of the electrode catalyst layer is increased, and the generated water may not be smoothly moved. On the other hand, when the ion exchange capacity is too large, proton conductivity is lowered, and sufficient battery performance is hardly obtained. However, the technical scope of the present invention is not limited to the above range.
本発明の電極触媒層は、さらに、撥水性材料を含む。撥水性材料とは、電極触媒層に含有される触媒活物質、導電性触媒担体、プロトン伝導性高分子よりも撥水性が高く、電極触媒層に撥水性を付与して、電極触媒層外部への水の排出を促進する機能を有する材料を意味する。 The electrode catalyst layer of the present invention further contains a water repellent material. The water repellent material is higher in water repellency than the catalyst active material, conductive catalyst carrier, and proton conductive polymer contained in the electrode catalyst layer, and imparts water repellency to the electrode catalyst layer to the outside of the electrode catalyst layer. It means a material having a function of promoting the discharge of water.
撥水性材料の撥水性が高いほど、本発明の効果を得る上では好適である。具体的には、撥水性材料からなるシートを用いて水に対する静的接触角を調査した場合に、接触角が、好ましくは90〜160°、より好ましくは100〜150°、さらに好ましくは105〜135°である。水に対する接触角は、試験液として水を用いて算出される。具体的には、以下の測定方法によって算出可能である。試験品の平面上に20μl滴下し、次いで、マイクロスコープVH−6110(キーエンス株式会社製)によって液滴をモニターに拡大する。画像処理によって、液滴の高さh、液滴の頂点と水平面との直交点と液滴と水平面の交点との距離aを測定し、次の式θ=2×arctan(h/a)に基づいて、接触角を算出する。接触角の測定には、信頼できるデータが得られるのであれば、他の接触角測定器を使用してもよい。 The higher the water repellency of the water repellent material is, the more suitable for obtaining the effects of the present invention. Specifically, when the static contact angle to water is investigated using a sheet made of a water repellent material, the contact angle is preferably 90 to 160 °, more preferably 100 to 150 °, and still more preferably 105 to 135 °. The contact angle with water is calculated using water as a test solution. Specifically, it can be calculated by the following measurement method. 20 μl is dropped on the plane of the test article, and then the droplet is enlarged on a monitor using a microscope VH-6110 (manufactured by Keyence Corporation). By image processing, the height h of the droplet, and the distance a between the perpendicular point between the vertex of the droplet and the horizontal plane and the intersection of the droplet and the horizontal plane are measured, and the following equation θ = 2 × arctan (h / a) Based on this, the contact angle is calculated. For contact angle measurement, other contact angle measuring devices may be used as long as reliable data can be obtained.
撥水性材料としては、フッ素原子を含有する化合物が挙げられる。一般に、フッ素原子を含有する化合物は撥水性が高い。撥水性材料の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化カーボンなどが挙げられる。 Examples of the water repellent material include compounds containing fluorine atoms. In general, a compound containing a fluorine atom has high water repellency. Specific examples of the water repellent material include polytetrafluoroethylene and carbon fluoride.
電極触媒層を構成する材料の含有比については、電極触媒層としての機能を考慮して決定されればよい。各材料の含有比を決定するにあたっては、各材料の機能のバランスを考慮することが好ましい。例えば、電極反応を十分に進行させるためには、触媒活物質を含有する触媒担体の量を確保する必要がある。ただし、プロトン伝導性高分子が不足すると、発生したプロトンの伝導性が低くなり、電池性能が低下する虞がある。また、撥水性材料が不足すると、生成水の排出が不十分となり、耐久性が低下する虞がある。 The content ratio of the material constituting the electrode catalyst layer may be determined in consideration of the function as the electrode catalyst layer. In determining the content ratio of each material, it is preferable to consider the balance of the functions of each material. For example, in order to sufficiently advance the electrode reaction, it is necessary to secure an amount of the catalyst carrier containing the catalyst active material. However, when the proton conductive polymer is insufficient, the conductivity of the generated protons is lowered, and the battery performance may be deteriorated. Further, when the water repellent material is insufficient, the generated water is not sufficiently discharged, and the durability may be reduced.
好ましくは、導電性触媒担体の質量に対する前記撥水性材料の質量比X(撥水性材料質量/導電性触媒担体質量)が、0.0001≦X≦0.5である。より好ましくは、質量比Xが、0.001≦X≦0.2である。Xが小さすぎる場合には、撥水性材料の不足により、充分な耐腐食効果が得られない虞がある。また、Xが大きすぎる場合には、過剰の撥水性材料により電極触媒層内の電子伝導抵抗が増加し、充分な電池性能が得られない虞がある。Xを上記範囲とすることによって、電池性能を確保した上で、適切な撥水性を電極触媒層に付与することが可能である。ただし、上記範囲外であっても、本発明を実施することは可能である。質量比Xは、電極触媒層を作製する際の原料比を調整することによって、制御可能である。 Preferably, the mass ratio X of the water repellent material to the mass of the conductive catalyst carrier (water repellent material mass / conductive catalyst carrier mass) is 0.0001 ≦ X ≦ 0.5. More preferably, the mass ratio X is 0.001 ≦ X ≦ 0.2. When X is too small, there is a possibility that sufficient corrosion resistance cannot be obtained due to a lack of water repellent material. On the other hand, when X is too large, there is a possibility that the electron conduction resistance in the electrode catalyst layer increases due to an excessive water repellent material, and sufficient battery performance cannot be obtained. By setting X in the above range, it is possible to impart appropriate water repellency to the electrode catalyst layer while ensuring battery performance. However, the present invention can be carried out even outside the above range. The mass ratio X can be controlled by adjusting the raw material ratio when producing the electrode catalyst layer.
好ましくは、導電性触媒担体の質量に対する前記プロトン伝導性高分子の質量比Y(プロトン伝導性高分子質量/導電性触媒担体質量)が、0.5≦Y≦1.2である。Yが小さすぎる場合には、プロトン伝導パスが減少し、発電初期において充分な電池性能が得られない虞がある。また、Yが大きすぎる場合には、発電初期における電池性能は満足できるものの、長時間の電池運転による性能低下が大きくなる虞がある。長時間の電池運転によりプロトン伝導性高分子が変質するため、プロトン伝導性高分子の配合比が高すぎると、変質による影響が大きくなるためと推測される。ただし、上記範囲外であっても、本発明を実施することは可能である。質量比Yは、電極触媒層を作製する際の原料比を調整することによって、制御可能である。 Preferably, the mass ratio Y of the proton conductive polymer to the mass of the conductive catalyst carrier (proton conductive polymer mass / conductive catalyst carrier mass) is 0.5 ≦ Y ≦ 1.2. If Y is too small, the proton conduction path may decrease, and sufficient battery performance may not be obtained in the early stage of power generation. On the other hand, when Y is too large, the battery performance at the initial stage of power generation can be satisfied, but there is a possibility that the performance degradation due to battery operation for a long time becomes large. The proton conducting polymer is altered by long-time battery operation. Therefore, it is presumed that the influence of alteration increases when the blending ratio of the proton conducting polymer is too high. However, the present invention can be carried out even outside the above range. The mass ratio Y can be controlled by adjusting the raw material ratio when producing the electrode catalyst layer.
なお、電極触媒層には、必要に応じて他の材料が含有されていてもよい。 The electrode catalyst layer may contain other materials as necessary.
本発明の第2は、本発明の第1の電極触媒層が、酸素極または燃料極の少なくとも一方に配置されている固体高分子型燃料電池である。固体高分子型燃料電池の構成としては、図1に示すように、高分子電解質膜110の両側に、電極触媒層120、ガス拡散層130、セパレータ200が配置される構造が挙げられる。ただし、図示する構成と異なる固体高分子型燃料電池に、本発明の第1の電極触媒層を適用することも、もちろん可能である。本発明においては、酸素極または燃料極の少なくとも一方に本発明の第1の電極触媒層が配置されていれば、電極触媒層以外の構成材料については、特に限定されない。
A second aspect of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell in which the first electrode catalyst layer of the present invention is disposed on at least one of an oxygen electrode and a fuel electrode. As the configuration of the solid polymer fuel cell, as shown in FIG. 1, there is a structure in which the
本発明の第3は、導電性触媒担体、導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、プロトン伝導性固体高分子、および撥水性材料を含む電極触媒層を製造する方法に関する。具体的には、本発明の第3は、導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、およびプロトン伝導性高分子を含む液体を調製する段階と、前記液体から溶媒を揮発させ、さらに熱処理を施すことによって、前記導電性触媒担体、前記触媒活物質、および前記高分子からなる粉末を得る段階と、前記粉末と、撥水性材料とを含む電極インクを調製する段階と、前記電極インクを塗布し、溶媒を揮発させることによって、前記導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、前記プロトン伝導性固体高分子、および前記撥水性材料を含む膜を形成する段階とを含む、電極触媒層の製造方法である。 The third aspect of the present invention relates to a method for producing an electrocatalyst layer comprising a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, a proton conductive solid polymer, and a water repellent material. Specifically, the third aspect of the present invention includes a step of preparing a liquid containing a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, and a proton conductive polymer, and a solvent from the liquid. And a heat treatment to obtain a powder comprising the conductive catalyst carrier, the catalyst active material, and the polymer, and a step of preparing an electrode ink containing the powder and a water repellent material And by applying the electrode ink and volatilizing the solvent, the conductive catalyst carrier, the catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, the proton conductive solid polymer, and the water repellent material Forming a film containing the electrode catalyst layer.
以下、本発明の第3について、工程順に説明する。なお、触媒活物質、導電性触媒担体、プロトン伝導性高分子、撥水性材料などの電極触媒層を構成する材料に関しては、本発明の第1における説明と同様であるため、以下においては説明を省略する。 Hereinafter, the third aspect of the present invention will be described in the order of steps. The materials constituting the electrode catalyst layer, such as a catalyst active material, a conductive catalyst carrier, a proton conductive polymer, and a water repellent material, are the same as those described in the first aspect of the present invention. Omitted.
まず、導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、およびプロトン伝導性高分子を含む液体を調製する。液体は、所定の配合比でこれらの材料を溶媒に添加し、混合することによって得られる。溶媒としては、特に限定されないが、水が用いられる。エチレングリコールなどの他の溶媒が併用されてもよい。導電性触媒担体や触媒活物質は水に溶解しないため、通常はスラリーが得られる。 First, a liquid containing a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, and a proton conductive polymer is prepared. A liquid is obtained by adding these materials to a solvent in a predetermined compounding ratio and mixing them. The solvent is not particularly limited, but water is used. Other solvents such as ethylene glycol may be used in combination. Since the conductive catalyst carrier and the catalyst active material are not dissolved in water, a slurry is usually obtained.
次に、導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、およびプロトン伝導性高分子を含む液体から、溶媒を揮発させる。溶媒を揮発させる手段については特に限定されない。例えば、真空雰囲気下において強制的に揮発させる。 Next, the solvent is volatilized from the liquid containing the conductive catalyst carrier, the catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, and the proton conductive polymer. The means for volatilizing the solvent is not particularly limited. For example, it is volatilized forcibly in a vacuum atmosphere.
溶媒を揮発させた後、熱処理を施すことによって、導電性触媒担体、触媒活物質、およびプロトン伝導性高分子からなる粉末を得る。熱処理を施すことによって、プロトン伝導性高分子と電極活物質との結着性を向上させることができ、電池性能の低下を防止できる。プロトン伝導性高分子と電極活物質との結着性が不十分であると、長時間の連続運転においてプロトン伝導性高分子が電極活物質表面から遊離し、電極活物質表面への有効なプロトン伝導パスが消失する虞がある。この問題は、熱処理による結着性向上によって解決可能である。 After volatilizing the solvent, heat treatment is performed to obtain a powder composed of a conductive catalyst carrier, a catalyst active material, and a proton conductive polymer. By performing the heat treatment, the binding property between the proton conductive polymer and the electrode active material can be improved, and the deterioration of the battery performance can be prevented. If the binding property between the proton conducting polymer and the electrode active material is insufficient, the proton conducting polymer is liberated from the surface of the electrode active material during a long continuous operation, and effective protons on the surface of the electrode active material are obtained. There is a risk of the conduction path disappearing. This problem can be solved by improving the binding property by heat treatment.
熱処理温度は、プロトン伝導性高分子と電極活物質との結着性を向上させることができれば特に限定されないが、好ましくは140℃未満であり、より好ましくは80〜120℃である。熱処理温度の決定に際しては、プロトン伝導性高分子のガラス転移温度が考慮されるとよい。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーがプロトン伝導性高分子として用いられる場合には、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーのガラス転移温度が130℃近傍であるため、この温度より低い温度で熱処理するとよい。 The heat treatment temperature is not particularly limited as long as the binding property between the proton conductive polymer and the electrode active material can be improved, but is preferably less than 140 ° C., more preferably 80 to 120 ° C. In determining the heat treatment temperature, the glass transition temperature of the proton conducting polymer should be taken into consideration. For example, when a perfluorocarbon sulfonic acid polymer is used as the proton conductive polymer, the glass transition temperature of the perfluorocarbon sulfonic acid polymer is around 130 ° C., and thus heat treatment may be performed at a temperature lower than this temperature.
熱処理雰囲気については、特に限定されないが、好ましくない化学反応を防止する観点からは、真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下において熱処理が施されることが好ましい。 The heat treatment atmosphere is not particularly limited, but from the viewpoint of preventing an undesirable chemical reaction, it is preferable that the heat treatment is performed in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere.
その後、熱処理によって得られた粉末と、撥水性材料とを含む電極インクを調製する。電極インクは、前記粉末および撥水性材料を所定の配合比で溶媒に添加し、混合することによって得られる。溶媒としては、特に限定されないが、水が用いられる。イソプロピルアルコールなどの他の溶媒が併用されてもよい。 Thereafter, an electrode ink containing a powder obtained by heat treatment and a water repellent material is prepared. The electrode ink is obtained by adding the powder and the water repellent material to a solvent at a predetermined mixing ratio and mixing them. The solvent is not particularly limited, but water is used. Other solvents such as isopropyl alcohol may be used in combination.
調製された電極インクを塗布し、溶媒を揮発させることによって、導電性触媒担体、導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、プロトン伝導性固体高分子、および撥水性材料を含む膜を形成する。電極インクの塗布の際には、電極触媒層の作製において公知の手法が用いられうる。例えば、スクリーン印刷法、ダイコーター法、スプレー法などが用いられる。電極インクの塗布量や塗布条件などについては、既に得られている知見に基づいて決定されればよく、本発明においては、特に限定されない。 By applying the prepared electrode ink and volatilizing the solvent, a film containing a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, a proton conductive solid polymer, and a water repellent material is formed. To do. When applying the electrode ink, a known method can be used in the preparation of the electrode catalyst layer. For example, a screen printing method, a die coater method, a spray method, or the like is used. The application amount and application conditions of the electrode ink may be determined based on the knowledge already obtained, and are not particularly limited in the present invention.
電極インクは、例えば、プロトン伝導性高分子電解質膜の両側に塗布され、電極触媒層、高分子電解質膜、電極触媒層がこの順序で積層した積層体が得られる。積層体とガス拡散基板と、ホットプレスすることによって、膜電極接合体が得られる。ただし、固体高分子型燃料電池の製造方法については、このような手法に限定されるわけではなく、他の製法を採用してもよい。 For example, the electrode ink is applied to both sides of the proton conductive polymer electrolyte membrane, and a laminate in which the electrode catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the electrode catalyst layer are laminated in this order is obtained. A membrane electrode assembly is obtained by hot pressing the laminate and the gas diffusion substrate. However, the manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell is not limited to such a method, and other manufacturing methods may be adopted.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明の内容を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the content of the present invention will be described with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
触媒活物質として白金(Pt;平均粒径3nm)を担持するカーボンブラック(CB;比表面積800m2/g;ライオン株式会社製ケッチェンブラックEC)を準備した。触媒活物質である白金と導電性触媒担体であるカーボンブラックとの質量比は、50:50であった。これに、プロトン伝導性高分子としてイオン交換容量が1100g/ewのナフィオン水溶液(アルドリッチ社製、5質量%ナフィオン溶液)、およびエチレングリコールを加えて混合し、導電性触媒担体、導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、およびプロトン伝導性高分子を含むスラリー溶液Aを調製した。
(Example 1)
Carbon black (CB; specific surface area 800 m 2 / g; Ketjen Black EC manufactured by Lion Corporation) supporting platinum (Pt; average particle size 3 nm) was prepared as a catalyst active material. The mass ratio of platinum as the catalyst active material and carbon black as the conductive catalyst carrier was 50:50. To this, a Nafion aqueous solution (5% by mass Nafion solution manufactured by Aldrich) having an ion exchange capacity of 1100 g / ew as a proton conductive polymer and ethylene glycol are added and mixed to obtain a conductive catalyst carrier and a conductive catalyst carrier. A slurry solution A containing a supported catalyst active material and a proton conductive polymer was prepared.
スラリー溶液A中の溶媒を真空中において揮発させた。その後、不活性ガス雰囲気下において、110℃の温度で熱処理を施し、導電性担体、触媒活物質、およびプロトン伝導性高分子からなる粉末Aを得た。 The solvent in the slurry solution A was volatilized in a vacuum. Thereafter, heat treatment was performed at 110 ° C. in an inert gas atmosphere to obtain a powder A composed of a conductive carrier, a catalyst active material, and a proton conductive polymer.
粉末A、純水、イソプロピルアルコール、および撥水性材料であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末(Aldrich社製)を混合し、電極インクとして用いられるスラリー溶液Bを調製した。 Powder A, pure water, isopropyl alcohol, and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder (manufactured by Aldrich) as a water repellent material were mixed to prepare slurry solution B used as electrode ink.
プロトン伝導性高分子電解質膜(デュポン製;商品名ナフィオン112;膜厚50μm)の片側に、白金担持量が0.35mg/cm2、触媒層の厚みが10μm、塗布面積が50×50mmとなるようにダイコーター法により、スラリー溶液Bを塗布した。塗布後、塗膜を風乾し、カソード側の電極触媒層を成膜した。同様の方法を用いて、高分子電解質膜の逆側に、白金担持量が0.35mg/cm2、触媒層の厚みが10μm、塗布面積が50×50mmであるアノード側の電極触媒層を成膜した。 On one side of a proton conductive polymer electrolyte membrane (manufactured by DuPont; trade name Nafion 112; film thickness 50 μm), the amount of platinum supported is 0.35 mg / cm 2 , the thickness of the catalyst layer is 10 μm, and the coating area is 50 × 50 mm. Thus, slurry solution B was applied by a die coater method. After coating, the coating film was air-dried to form a cathode-side electrode catalyst layer. Using the same method, an anode-side electrode catalyst layer having a platinum loading of 0.35 mg / cm 2 , a catalyst layer thickness of 10 μm, and a coating area of 50 × 50 mm is formed on the opposite side of the polymer electrolyte membrane. Filmed.
導電性触媒担体(白金を担持するカーボンブラック)に対する撥水性材料(ポリテトラフルオロエチレン)の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)は0.01であった。また、導電性触媒担体(白金を担持するカーボンブラック)に対するプロトン伝導性高分子(ナフィオン)の質量比Y(ナフィオン/カーボンブラック)は0.85であった。 The mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water repellent material (polytetrafluoroethylene) to the conductive catalyst carrier (carbon black supporting platinum) was 0.01. The mass ratio Y (Nafion / carbon black) of the proton conductive polymer (Nafion) to the conductive catalyst carrier (carbon black supporting platinum) was 0.85.
電極のガス拡散層として、アノード側およびカソード側ともに、カーボンペーパー(東レ株式会社製、TGP−H−060)を55×55mmに切り出したものを準備した。カーボンペーパーは、フッ素樹脂の水性ディスパーション(ダイキン工業株式会社製、D1)を純水で希釈した溶液に2分間浸漬した後、60℃にて10分間乾燥することにより、撥水処理した。撥水処理後のカーボンペーパー中には、テトラフルオロエチレン粒子が25質量%含浸されていた。 As the gas diffusion layer of the electrode, a carbon paper (TGP-H-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) cut out to 55 × 55 mm was prepared on both the anode side and the cathode side. The carbon paper was water repellent treated by immersing it in a solution obtained by diluting an aqueous dispersion of fluororesin (D1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) with pure water for 2 minutes and then drying at 60 ° C. for 10 minutes. The carbon paper after the water repellent treatment was impregnated with 25% by mass of tetrafluoroethylene particles.
撥水処理されたカーボンペーパー上に、カーボンブラックとテトラフルオロエチレンとをイソプロピルアルコールに均一に分散させたスラリー溶液Cを、スプレー法によりカーボンペーパーの片側に塗布した。塗膜を乾燥させて、カーボンペーパーとカーボン層(膜厚50μm)とからなるガス拡散基板を得た。ガス拡散基板は、さらに不活性ガス雰囲気下350℃にて5分間熱処理を行った。下地層におけるカーボンとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)との質量比は50:50であった。 A slurry solution C in which carbon black and tetrafluoroethylene were uniformly dispersed in isopropyl alcohol was applied on one side of the carbon paper by a spray method on the water-repellent carbon paper. The coating film was dried to obtain a gas diffusion substrate composed of carbon paper and a carbon layer (film thickness 50 μm). The gas diffusion substrate was further heat-treated at 350 ° C. for 5 minutes in an inert gas atmosphere. The mass ratio of carbon to polytetrafluoroethylene (PTFE) in the underlayer was 50:50.
次に、プロトン伝導性高分子電解質膜の両側に触媒層が形成された積層体とガス拡散基板とを、120℃、20kgf/cm2の条件で1分間ホットプレスすることによって、膜電極接合体を得た。得られた膜電極接合体について、燃料電池としての性能(初期セル電圧およびセル電圧保持率)を評価した。結果を表1に示す。 Next, the laminated body in which the catalyst layer is formed on both sides of the proton conductive polymer electrolyte membrane and the gas diffusion substrate are hot-pressed for 1 minute under the conditions of 120 ° C. and 20 kgf / cm 2 , whereby a membrane electrode assembly is obtained. Got. About the obtained membrane electrode assembly, the performance (initial cell voltage and cell voltage holding ratio) as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
初期セル電圧は、大気圧、セル温度70℃の条件下で、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を測定することにより評価した。燃料ガスとしては水素ガス、酸化剤としては空気を供給し、いずれのガスも60℃で加湿を行った上で、セルに供給した。 The initial cell voltage was evaluated by measuring the cell voltage when power was generated at a current density of 1.0 A / cm 2 under conditions of atmospheric pressure and cell temperature of 70 ° C. Hydrogen gas was supplied as the fuel gas, and air was supplied as the oxidant. Both gases were humidified at 60 ° C. and then supplied to the cell.
セル電圧保持率は、以下の手順で評価した。初期セル電圧を評価した条件と同一の条件で1時間連続発電を行った後、発電を終了した。発電終了後、アノード極、カソード極ともに、10分間セルへの窒素パージを行った。1時間セルを放置して、再度同条件で連続運転を行った。この一連の操作を起動停止の条件とし、初期のセル電圧に対する300回起動停止を繰り返した後のセル電圧のセル電圧保持率{(起動停止300回後のセル電圧/初期のセル電圧)×100(%)}を算出した。セル電圧保持率が高いほど、耐久性が優れていることを示す。 The cell voltage holding ratio was evaluated by the following procedure. After continuous power generation for 1 hour under the same conditions as those for evaluating the initial cell voltage, power generation was terminated. After power generation was completed, the cell was purged with nitrogen for 10 minutes for both the anode and cathode. The cell was left for 1 hour and continuously operated again under the same conditions. With this series of operations as the conditions for starting and stopping, the cell voltage holding ratio of the cell voltage after repeating the starting and stopping 300 times with respect to the initial cell voltage {(cell voltage after starting and stopping 300 times / initial cell voltage) × 100 (%)} Was calculated. The higher the cell voltage holding ratio, the better the durability.
(実施例2)
導電性触媒担体に対するプロトン伝導性高分子の質量比Y(ナフィオン/カーボンブラック)を1.0とした以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Example 2)
A membrane electrode assembly was produced by the same procedure as in Example 1 except that the mass ratio Y (Nafion / carbon black) of the proton conductive polymer to the conductive catalyst support was 1.0, and the fuel cell was manufactured as a fuel cell. Performance was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例3)
導電性触媒担体に対する撥水性材料の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)を0.1とした以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Example 3)
A membrane electrode assembly was produced by the same procedure as in Example 1 except that the mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water-repellent material to the conductive catalyst carrier was set to 0.1. The performance of was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例4)
導電性触媒担体に対する撥水性材料の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)を0.18とした以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
Example 4
A membrane / electrode assembly was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water-repellent material to the conductive catalyst support was 0.18. The performance of was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例5)
導電性触媒担体に対する撥水性材料の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)を0.1とし、導電性触媒担体に対するプロトン伝導性高分子の質量比Y(ナフィオン/カーボンブラック)を0.5とした以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Example 5)
The mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water-repellent material to the conductive catalyst carrier is 0.1, and the mass ratio Y (Nafion / carbon black) of the proton conductive polymer to the conductive catalyst carrier is 0. A membrane / electrode assembly was produced by the same procedure as in Example 1 except that the performance as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例6)
比表面積が1000m2/gである導電性触媒担体を用い、また、スラリー溶液A中の溶媒を真空中において揮発させた後、熱処理を行わなかった。これらの変更以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Example 6)
A conductive catalyst carrier having a specific surface area of 1000 m 2 / g was used, and after the solvent in the slurry solution A was volatilized in vacuum, no heat treatment was performed. Except for these changes, a membrane electrode assembly was produced in the same procedure as in Example 1, and the performance as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例7)
比表面積が1000m2/gである導電性触媒担体を用いた以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Example 7)
A membrane / electrode assembly was produced by the same procedure as in Example 1 except that a conductive catalyst carrier having a specific surface area of 1000 m 2 / g was used, and the performance as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例8)
プロトン伝導性高分子としてイオン交換容量が900g/ewのフレミオン溶液(旭硝子株式会社製、9質量%フレミオン溶液)を用いた以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Example 8)
A membrane / electrode assembly was produced by the same procedure as in Example 1 except that a Flemion solution (9% by mass Flemion solution manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) having an ion exchange capacity of 900 g / ew was used as the proton conductive polymer. The performance as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例9)
導電性触媒担体に対する撥水性材料の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)を0.1とし、プロトン伝導性高分子としてイオン交換容量が900g/ewのフレミオン溶液(旭硝子株式会社製、9質量%フレミオン溶液)を用いた以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
Example 9
Flemion solution having a mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water-repellent material to the conductive catalyst support of 0.1 and an ion exchange capacity of 900 g / ew as a proton conductive polymer (Asahi Glass Co., Ltd., 9 A membrane / electrode assembly was produced by the same procedure as in Example 1 except that (mass% flemion solution) was used, and the performance as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例10)
比表面積が1000m2/gである導電性触媒担体を用い、導電性触媒担体に対する撥水性材料の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)を0.1とし、プロトン伝導性高分子としてイオン交換容量が900g/ewのフレミオン溶液(旭硝子株式会社製、9質量%フレミオン溶液)を用いた以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Example 10)
Using a conductive catalyst carrier having a specific surface area of 1000 m 2 / g, the mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water-repellent material to the conductive catalyst carrier is 0.1, and the proton conductive polymer is ion A membrane / electrode assembly was produced in the same procedure as in Example 1 except that a Flemion solution (Asahi Glass Co., Ltd., 9% by mass Flemion solution) with an exchange capacity of 900 g / ew was used. evaluated. The results are shown in Table 1.
(比較例1)
比表面積が1000m2/gである導電性触媒担体を用い、導電性触媒担体に対するプロトン伝導性高分子の質量比Y(ナフィオン/カーボンブラック)を0.8とした。また、電極触媒層の作製において撥水性材料を用いなかった。したがって、導電性触媒担体に対する撥水性材料の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)は0である。これらの変更以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
A conductive catalyst carrier having a specific surface area of 1000 m 2 / g was used, and the mass ratio Y (Nafion / carbon black) of the proton conductive polymer to the conductive catalyst carrier was set to 0.8. Further, no water repellent material was used in the production of the electrode catalyst layer. Therefore, the mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water-repellent material to the conductive catalyst carrier is zero. Except for these changes, a membrane electrode assembly was produced in the same procedure as in Example 1, and the performance as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
(比較例2)
比表面積が1000m2/gである導電性触媒担体を用い、導電性触媒担体に対するプロトン伝導性高分子の質量比Y(ナフィオン/カーボンブラック)を0.9とした。また、電極触媒層の作製において撥水性材料を用いなかった。したがって、導電性触媒担体に対する撥水性材料の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)は0である。これらの変更以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
A conductive catalyst carrier having a specific surface area of 1000 m 2 / g was used, and the mass ratio Y (Nafion / carbon black) of the proton conductive polymer to the conductive catalyst carrier was set to 0.9. Further, no water repellent material was used in the production of the electrode catalyst layer. Therefore, the mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water-repellent material to the conductive catalyst carrier is zero. Except for these changes, a membrane electrode assembly was produced in the same procedure as in Example 1, and the performance as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
(比較例3)
比表面積が1000m2/gである導電性触媒担体を用い、導電性触媒担体に対するプロトン伝導性高分子の質量比Y(ナフィオン/カーボンブラック)を1.0とした。また、電極触媒層の作製において撥水性材料を用いなかった。したがって、導電性触媒担体に対する撥水性材料の質量比X(ポリテトラフルオロエチレン/カーボンブラック)は0である。これらの変更以外は、実施例1と同様の手順により、膜電極接合体を製造し、燃料電池としての性能を評価した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
A conductive catalyst support having a specific surface area of 1000 m 2 / g was used, and the mass ratio Y (Nafion / carbon black) of the proton conductive polymer to the conductive catalyst support was set to 1.0. Further, no water repellent material was used in the production of the electrode catalyst layer. Therefore, the mass ratio X (polytetrafluoroethylene / carbon black) of the water-repellent material to the conductive catalyst carrier is zero. Except for these changes, a membrane electrode assembly was produced in the same procedure as in Example 1, and the performance as a fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
表に示すように、電極触媒層に撥水性材料を含ませることによって、セル電圧保持率が向上する。また、熱処理を施した場合(実施例7)、熱処理を施さない場合(実施例6)に比べて、セル電圧保持率が向上することが分かる。 As shown in the table, the cell voltage holding ratio is improved by including a water repellent material in the electrode catalyst layer. It can also be seen that the cell voltage holding ratio is improved when heat treatment is performed (Example 7) and when heat treatment is not performed (Example 6).
10…固体高分子型燃料電池、100…膜電極接合体、110…固体高分子電解質膜、120…電極触媒層、130…ガス拡散層、140…カーボン層、200…セパレータ、210…ガス流路、300…集電体。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記液体から溶媒を揮発させ、さらに熱処理を施すことによって、前記導電性触媒担体、前記触媒活物質、および前記高分子からなる粉末を得る段階と、
前記粉末と、撥水性材料とを含む電極インクを調製する段階と、
前記電極インクを塗布し、溶媒を揮発させることによって、前記導電性触媒担体、前記導電性触媒担体に担持されてなる触媒活物質、前記プロトン伝導性固体高分子、および前記撥水性材料を含む膜を形成する段階と、
を含む、電極触媒層の製造方法。 Preparing a liquid containing a conductive catalyst carrier, a catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, and a proton conductive polymer;
Evaporating the solvent from the liquid and further performing a heat treatment to obtain a powder comprising the conductive catalyst carrier, the catalyst active material, and the polymer;
Preparing an electrode ink comprising the powder and a water repellent material;
A film containing the conductive catalyst carrier, the catalyst active material supported on the conductive catalyst carrier, the proton conductive solid polymer, and the water repellent material by applying the electrode ink and volatilizing the solvent Forming a stage;
A method for producing an electrode catalyst layer, comprising:
Priority Applications (1)
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