JP2008218131A - Membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる膜/電極接合体およびそれを用いた固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention relates to a membrane / electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell using the same.
固体高分子形燃料電池(以下では「PEFC」と略す)の単セルは、膜/電極接合体を一対のガスフロープレートで挟持した構造である。膜/電極接合体は、陽イオン交換膜の一方の面にアノ−ドを、もう一方の面にカソ−ドを接合したものである。ガスフロープレートにはガス流路が加工され、例えば、アノ−ドに燃料として水素、カソ−ドに酸化剤として酸素を供給することによって、電力が得られる。PEFCのアノ−ドおよびカソ−ドでは、つぎのような電気化学反応が進行する。 A single cell of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as “PEFC”) has a structure in which a membrane / electrode assembly is sandwiched between a pair of gas flow plates. The membrane / electrode assembly is obtained by bonding an anode to one surface of a cation exchange membrane and a cathode to the other surface. A gas flow path is processed in the gas flow plate. For example, power is obtained by supplying hydrogen as fuel to the anode and oxygen as oxidant to the cathode. In the PEFC anode and cathode, the following electrochemical reaction proceeds.
アノ−ド:2H2→4H++4e−・・・・・・・・(1)
カソ−ド:O2+4H++4e−→2H2O・・・・・(2)
上述の電気化学反応は、水素あるいは酸素とプロトン(H+)とが伝達される領域と、触媒との界面(以下では、この界面を「反応界面」と呼ぶことにする)で進行する。触媒は電子伝導性の部材に接触しているので、電子(e−)はその部材を通って集電される。
Anod: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
The above-described electrochemical reaction proceeds at a region where hydrogen or oxygen and protons (H + ) are transmitted and an interface with the catalyst (hereinafter, this interface is referred to as a “reaction interface”). Since the catalyst is in contact with the electron conductive member, the electrons (e − ) are collected through the member.
従来、PEFCの触媒電極の触媒層には、カーボンに白金などの触媒金属を担持した触媒担持カーボン粉末と陽イオン交換樹脂との混合物が用いられてきた。 Conventionally, a mixture of a catalyst-supporting carbon powder in which a catalyst metal such as platinum is supported on carbon and a cation exchange resin has been used for a catalyst layer of a catalyst electrode of PEFC.
最近では、触媒担持粉末として、陽イオン交換樹脂、炭素質材料、および触媒金属を含み、その触媒金属の50質量%以上が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と炭素質材料の表面との接面に担持されたものが開発された。この触媒担持粉末は触媒金属の利用率が高いことから、その金属の使用量を低減することができるので、PEFCのコスト低減に効果がある。 Recently, the catalyst-supported powder includes a cation exchange resin, a carbonaceous material, and a catalyst metal, and 50% by mass or more of the catalyst metal is in contact with the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the carbonaceous material. What was carried on the Since this catalyst-supported powder has a high utilization rate of the catalyst metal, it is possible to reduce the amount of the metal used, which is effective in reducing the cost of PEFC.
このような触媒担持粉末は「Ultra−Low Platinum LoadingCarbon(以下では「ULPLC」と略す)」と呼ばれ、特許文献1や特許文献2に開示されている。そして、このULPLCは、PEFCを製品化するためのコストを削減できる技術要素の一つとして、現在注目を集めている。 Such a catalyst-supported powder is called “Ultra-Low Platinum Loading Carbon” (hereinafter abbreviated as “ULPLC”), and is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2. This ULPLC is currently attracting attention as one of the technical elements that can reduce the cost of commercializing PEFC.
さらに、ULPLCに撥水性樹脂としてイオン交換基を持たないフッ素を含む高分子材料を添加することによって、連続運転時におけるフラッディング現象を抑制し、PEFCの作動電圧の低下を抑えられることが特許文献3に開示されている。 Furthermore, Patent Document 3 shows that by adding a polymer material containing fluorine that does not have an ion exchange group as a water-repellent resin to ULPLC, flooding phenomenon during continuous operation can be suppressed and a decrease in PEFC operating voltage can be suppressed. Is disclosed.
さらに、ULPLCに撥水性樹脂を添加する技術が特許文献4〜6に開示されている。
PEFCの運転時には、その内部で水分の移動が起こっていることが知られている。例えば、プロトンがアノードからカソードへ陽イオン交換膜の内部を移動する際に同伴水としてアノードからカソードへ移動する現象、アノードとカソードの水分濃度の差から起こるカソードからアノードへの逆拡散現象、およびカソードの反応で水が生成する現象などがある。 It is known that moisture moves inside the PEFC during operation. For example, a phenomenon in which protons move from the anode to the cathode as entrained water when moving inside the cation exchange membrane from the anode to the cathode, a reverse diffusion phenomenon from the cathode to the anode caused by a difference in moisture concentration between the anode and the cathode, and There is a phenomenon that water is generated by the reaction of the cathode.
同伴水および生成水の量は、電流密度によって決まるのに対して、逆拡散で移動する水分の量はアノードおよびカソードの撥水性の影響を強く受ける。したがって、アノードおよびカソードの撥水性を適切に調節することによって逆拡散の水分量を制御でき、膜/電極接合体の水分管理をおこなうことができるものと考えられる。 The amount of entrained water and product water is determined by the current density, while the amount of water that moves by back diffusion is strongly influenced by the water repellency of the anode and cathode. Therefore, it is considered that the water content of the back diffusion can be controlled by appropriately adjusting the water repellency of the anode and the cathode, and the water management of the membrane / electrode assembly can be performed.
アノードおよびカソード(以下では、合わせて「電極」とする)の撥水性を調節するために、電極にはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水性樹脂が添加されている。ところが、撥水性樹脂を備えた電極を用いたPEFCは、連続運転において、作動電圧が低下するという問題があり、その原因は、カソードにおける「フラッディング現象」によるものとわかった。 In order to adjust the water repellency of the anode and the cathode (hereinafter collectively referred to as “electrode”), a water repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is added to the electrode. However, PEFC using an electrode equipped with a water-repellent resin has a problem that the operating voltage decreases in continuous operation, and the cause is found to be due to the “flooding phenomenon” at the cathode.
すなわち、反応で生成した水が排出されずに触媒表面を覆うことによって触媒が反応に関与しなくなることや、水がガスの拡散経路を塞ぐことによって、活物質である水素ガス又は酸素ガスが系外から反応界面へ到達するのが阻害される結果、ガスが到達しない反応界面では反応が生じなくなり、電流密度に偏りが生じるので、PEFCの作動電圧が低下する。 That is, the catalyst does not participate in the reaction by covering the surface of the catalyst without draining the water produced by the reaction, or the hydrogen gas or oxygen gas, which is the active material, is blocked by blocking the gas diffusion path. As a result of the hindrance to reaching the reaction interface from the outside, no reaction occurs at the reaction interface where the gas does not reach, and the current density is biased, so that the operating voltage of the PEFC decreases.
なお、ULPLCを備えた触媒層は、従来の触媒担持粉末を備えた触媒層に比べ触媒層の多孔度の影響を受けやすい。そのため、多孔度の影響を受けやすいULPLCには、従来の触媒担持粉末以上に撥水性の調節が重要となる。 In addition, the catalyst layer provided with ULPLC is more susceptible to the porosity of the catalyst layer than the catalyst layer provided with the conventional catalyst-supporting powder. Therefore, for ULPLC that is easily affected by porosity, it is important to adjust water repellency more than conventional catalyst-supported powder.
また、特許文献4〜6で開示されたULPLCに撥水性樹脂を添加する技術では、カソードとアノードの触媒層が同一のものを用いた場合(特許文献4)や、アノードにULPLCを用いないもの(特許文献5、6)であり、カソード触媒層中に含まれる撥水性樹脂の割合とアノード触媒層触媒層中に含まれる撥水性樹脂の割合との関係についての検討はなされていなかった。 In addition, in the technology for adding a water-repellent resin to the ULPLC disclosed in Patent Documents 4 to 6, the same cathode and anode catalyst layers are used (Patent Document 4), and the anode does not use ULPLC. (Patent Documents 5 and 6), and the relationship between the ratio of the water-repellent resin contained in the cathode catalyst layer and the ratio of the water-repellent resin contained in the anode catalyst layer catalyst layer has not been studied.
本発明は、このような事情に鑑み、連続運転においてPEFCの作動電圧が低下するという問題を解決するためになされたもので、PEFCの膜/電極接合体の水分管理をおこない、カソードにおけるフラッディング現象を抑制し、PEFCの作動電圧の低下を抑制することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention was made in order to solve the problem that the operating voltage of PEFC decreases during continuous operation, and performs water management of the membrane / electrode assembly of PEFC, and flooding phenomenon at the cathode. It aims at suppressing the fall of the operating voltage of PEFC.
請求項1の発明は、陽イオン交換樹脂、炭素質材料、撥水性樹脂、および触媒金属を含む触媒層を、アノードとカソードとの両方に備えた固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体において、前記カソード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合をX(質量%)とし、前記アノード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合をY(質量%)とした時、Y/X<1であることを特徴とする。 The invention according to claim 1 is a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer containing a cation exchange resin, a carbonaceous material, a water repellent resin, and a catalyst metal on both the anode and the cathode. When the ratio of the water-repellent resin contained in the cathode catalyst layer is X (mass%) and the ratio of the water-repellent resin contained in the anode catalyst layer is Y (mass%), Y / X <1 It is characterized by being.
請求項2の発明は、固体高分子形燃料電池に、上記の固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体を備えたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, a polymer electrolyte fuel cell includes the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.
本発明のように、固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体において、カソード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合をアノード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合よりも大きくすることによって、カソードからアノードへの水分の逆拡散が促進できるので、カソードのフラッディングを抑制することができる。特に、Y/X≦0.9とすることによって、その抑制が著しいものとなる。 As in the present invention, in the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, by making the proportion of the water-repellent resin contained in the cathode catalyst layer larger than the proportion of the water-repellent resin contained in the anode catalyst layer, Since the back diffusion of moisture from the cathode to the anode can be promoted, the flooding of the cathode can be suppressed. In particular, when Y / X ≦ 0.9, the suppression is significant.
さらに、固体高分子形燃料電池が本発明の膜/電極接合体を備えることによって、固体高分子形燃料電池の連続運転における作動電圧を向上することができる。 Furthermore, when the polymer electrolyte fuel cell includes the membrane / electrode assembly of the present invention, the operating voltage in the continuous operation of the polymer electrolyte fuel cell can be improved.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体は、陽イオン交換樹脂膜の両面に触媒層が形成されており、さらにその触媒層の外側に導電性多孔質体を接合したものである。また、本発明の固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体における触媒層は、陽イオン交換樹脂、炭素質材料、撥水性樹脂および触媒金属を含み、アノードおよびカソードにおける電気化学反応がおこる場所のことである。 The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a catalyst layer formed on both sides of a cation exchange resin membrane, and a conductive porous body joined to the outside of the catalyst layer. is there. The catalyst layer in the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention contains a cation exchange resin, a carbonaceous material, a water repellent resin, and a catalyst metal, and a place where an electrochemical reaction occurs at the anode and the cathode. That is.
本発明において、カソード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合をX(質量%)、アノード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合をY(質量%)とした時、Y/X<1とすることにより、カソードからアノードへの水分の逆拡散が促進でき、連続運転におけるカソードのフラッディングを抑制することができる。 In the present invention, when the ratio of the water-repellent resin contained in the cathode catalyst layer is X (mass%) and the ratio of the water-repellent resin contained in the anode catalyst layer is Y (mass%), Y / X <1. Thus, the reverse diffusion of moisture from the cathode to the anode can be promoted, and flooding of the cathode during continuous operation can be suppressed.
特に、Y/X≦0.9とした場合に、カソードからアノードへの水分の逆拡散が促進され、連続運転におけるカソードのフラッディングを抑制する効果が大きくなる。さらに、Y/X≦0.8とすることにより、カソードからアノードへの水分の逆拡散の促進が著しくなる。 In particular, when Y / X ≦ 0.9, the back diffusion of moisture from the cathode to the anode is promoted, and the effect of suppressing the cathode flooding in the continuous operation is increased. Further, by setting Y / X ≦ 0.8, the promotion of the back diffusion of moisture from the cathode to the anode becomes remarkable.
逆に、Y/X≧1の場合には、カソードからアノードへの水分の逆拡散が抑制されるので、連続運転におけるカソードのフラッディングが促進されやすくなる。 On the other hand, when Y / X ≧ 1, the reverse diffusion of moisture from the cathode to the anode is suppressed, so that the flooding of the cathode in the continuous operation is easily promoted.
また、本発明の固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体において、カソード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合Xが6〜42質量%とした場合に、カソードのフラッディングを抑制すると同時に、触媒層の電子伝導性を好適に保つことができる。 In the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, when the ratio X of the water repellent resin contained in the cathode catalyst layer is 6 to 42% by mass, the cathode flooding is suppressed, The electronic conductivity of the catalyst layer can be suitably maintained.
カソード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合が6質量%よりも小さい場合には、撥水性の効果が十分に発現しないので、カソードのフラッディングを抑制する効果が小さくなる。また、カソード触媒層に含まれる撥水性樹脂の割合が42質量%よりも大きい場合には、撥水性樹脂が絶縁性であることから、電子伝導に起因する内部抵抗がやや大きくなる。 When the ratio of the water-repellent resin contained in the cathode catalyst layer is less than 6% by mass, the effect of suppressing the flooding of the cathode becomes small because the water-repellent effect is not sufficiently exhibited. Further, when the proportion of the water repellent resin contained in the cathode catalyst layer is greater than 42% by mass, the water repellent resin is insulative, so that the internal resistance due to electron conduction is slightly increased.
本発明の触媒層に含まれる陽イオン交換樹脂は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸形、アセチレン−ジビニルベンゼン系のスルホン酸形陽イオン交換樹脂またはイオン交換基としてカルボキシル基を備えた陽イオン交換樹脂などが使用できる。陽イオン交換樹脂のイオン交換容量は、0.90meq/gから1.40meq/gであることが優れたプロトン伝導と耐久性とが得られることから好ましい。 The cation exchange resin contained in the catalyst layer of the present invention is, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid type, an acetylene-divinylbenzene sulfonic acid type cation exchange resin, or a cation exchange resin having a carboxyl group as an ion exchange group. Can be used. The ion exchange capacity of the cation exchange resin is preferably 0.90 meq / g to 1.40 meq / g because excellent proton conduction and durability can be obtained.
陽イオン交換樹脂溶液としては、陽イオン交換樹脂を溶媒に溶解または/および分散したものが使用できる。溶媒は、水とアルコールとの混合溶媒が好ましく、アルコールは炭素数が4以下のものであることが好ましい。 As the cation exchange resin solution, a solution obtained by dissolving or / and dispersing a cation exchange resin in a solvent can be used. The solvent is preferably a mixed solvent of water and alcohol, and the alcohol preferably has 4 or less carbon atoms.
本発明の触媒層に含まれる炭素質材料は、電子伝導性の高いものが好ましく、例えば、アセチレンブラックやファーネスブラックなどのカーボンブラックおよび活性炭などがある。特にカーボンブラックは、担持された触媒が高分散となることから好ましい。 The carbonaceous material contained in the catalyst layer of the present invention preferably has a high electron conductivity, such as carbon black such as acetylene black and furnace black, and activated carbon. Carbon black is particularly preferable because the supported catalyst is highly dispersed.
本発明の触媒層に含まれる撥水性樹脂は、イオン交換基を持たないフッ素を含む高分子材料であればよく、たとえば、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロアルキルエチレン共重合体(ECTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)などがある。 The water-repellent resin contained in the catalyst layer of the present invention may be a polymer material containing fluorine having no ion exchange group. For example, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polyvinylidene fluoride ( PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl fluoride (PVF), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether (PFA), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chloroalkylethylene copolymer (ECTFE) And ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE).
本発明の触媒層に含まれる触媒金属は、酸素の還元反応や水素の酸化反応に対する触媒活性が高いことから、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウムなどの白金族金属や、これらの金属を複数含む合金などが好ましい。特に、微量の一酸化炭素を含む水素ガスを燃料ガスとする場合、触媒金属は白金とルテニウムとの合金であることが好ましい。 Since the catalytic metal contained in the catalyst layer of the present invention has high catalytic activity for oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction, platinum group metals such as platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, and these metals An alloy containing a plurality of is preferable. In particular, when hydrogen gas containing a small amount of carbon monoxide is used as the fuel gas, the catalyst metal is preferably an alloy of platinum and ruthenium.
この他に、白金族金属の使用量を低減できることと、耐一酸化炭素被毒性や酸素の還元反応に対して高い活性が得られることとから、マグネシウム、アルミニウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、銀またはタングステンとからなる群より選ばれた少なくとも一つの元素と白金族金属とを含む合金も使用可能である。 In addition to this, from the fact that the amount of platinum group metal used can be reduced and high activity against carbon monoxide poisoning resistance and oxygen reduction reaction, magnesium, aluminum, vanadium, chromium, manganese, iron, An alloy containing at least one element selected from the group consisting of cobalt, nickel, copper, zinc, silver, or tungsten and a platinum group metal can also be used.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体における、触媒担持カーボンを含む触媒層は、例えば、次のようにして作製することができる。 The catalyst layer containing the catalyst-supporting carbon in the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be produced, for example, as follows.
触媒担持カーボンに水と有機溶媒を加え、攪拌して、触媒担持カーボンを水/有機溶媒混合溶媒に分散させ、この混合物に撥水性樹脂の分散液を加え、さらに、陽イオン交換樹脂溶液を加えて攪拌し、触媒担持カーボンと撥水性樹脂と陽イオン交換樹脂を含む触媒分散液を作製し、この触媒分散液を固体高分子膜に塗布、乾燥、ホットプレスすることにより、触媒層とする。 Water and an organic solvent are added to the catalyst-supporting carbon and stirred to disperse the catalyst-supporting carbon in a water / organic solvent mixed solvent. A water-repellent resin dispersion is added to the mixture, and a cation exchange resin solution is further added. The catalyst dispersion containing catalyst-supporting carbon, water-repellent resin, and cation exchange resin is prepared, and this catalyst dispersion is applied to a solid polymer membrane, dried, and hot pressed to form a catalyst layer.
本発明において、触媒としては、触媒担持カーボンに代えてULPLCを用いることができる。、触媒金属の使用量削減によるコスト低減の効果を高めるためには、触媒金属の50質量%以上が陽イオン交換樹脂のクラスターと炭素質材料の表面との接面に担持されているULPLCを使用することが好ましい。特に、触媒金属の80質量%以上がその接面に担持されている場合、その効果はより高いものとなる。 In the present invention, as the catalyst, ULPLC can be used in place of the catalyst-supporting carbon. In order to increase the cost reduction effect by reducing the amount of catalyst metal used, ULPLC in which 50% by mass or more of the catalyst metal is supported on the contact surface between the cation exchange resin cluster and the surface of the carbonaceous material is used. It is preferable to do. In particular, when 80% by mass or more of the catalyst metal is supported on the contact surface, the effect becomes higher.
なお、「陽イオン交換樹脂のクラスター」とは、陽イオン交換樹脂の陽イオン交換基によって形成されている、プロトン伝導が可能な領域のことを示す。 The “cation exchange resin cluster” refers to a region formed by cation exchange groups of the cation exchange resin and capable of conducting protons.
全触媒金属の量に対する陽イオン交換樹脂のクラスターと炭素質材料の表面との接面に担持されている触媒金属の割合は、たとえば、つぎの手順で計算することができる。まず、触媒層の触媒金属における水素の吸脱着反応に基づく電荷量を評価する。この電荷量の評価は、アルゴンガス中でのサイクリックボルタメトリーなどによっておこなうことができる。この吸脱着反応は触媒層に含まれる触媒金属上での反応である。 The ratio of the catalyst metal supported on the contact surface between the cation exchange resin cluster and the surface of the carbonaceous material with respect to the total amount of the catalyst metal can be calculated, for example, by the following procedure. First, the charge amount based on the hydrogen adsorption / desorption reaction in the catalyst metal of the catalyst layer is evaluated. This charge amount can be evaluated by cyclic voltammetry in argon gas. This adsorption / desorption reaction is a reaction on the catalyst metal contained in the catalyst layer.
つぎに、この電荷量から、この反応に関与した表面積を計算する。計算式はたとえば次のとおりである。 Next, the surface area involved in this reaction is calculated from this charge amount. For example, the calculation formula is as follows.
S=Q×a
この式では、Sが反応に関与した表面積(単位はcm2)、Qが電荷量(単位はC)、aが触媒の表面1cm2上における水素の吸脱着反応にともなう電気量(単位はC/cm2)である。この係数は、反応に関与する触媒が白金である場合、210×10−6である。水素の吸脱着反応は、電気化学的に活性な触媒の表面で生じるものであるので、この計算で求められた表面積は、炭素質材料の表面と陽イオン交換樹脂のクラスターとの接面に担持された触媒のみの表面積を意味するものである。この表面積をS1とする。
S = Q × a
In this formula, S is the surface area involved in the reaction (unit is cm 2 ), Q is the amount of charge (unit is C), and a is the amount of electricity associated with the adsorption / desorption reaction of hydrogen on 1 cm 2 of the catalyst surface (unit is C / Cm 2 ). This coefficient is 210 × 10 −6 when the catalyst involved in the reaction is platinum. Since the adsorption / desorption reaction of hydrogen occurs on the surface of the electrochemically active catalyst, the surface area obtained by this calculation is supported on the surface of the carbonaceous material and the cation exchange resin cluster. It means the surface area of the catalyst only. Let this surface area be S1.
つぎに、同様の方法で、同じ電極を硫酸水溶液中に浸漬してサイクリックボルタンメトリーをおこなった場合の水素の吸脱着反応による電気量を算出する。この場合は、電極が硫酸水溶液中に浸漬されているので、炭素質材料表面に担持された触媒金属は、陽イオン交換樹脂のクラスターとの接触の有無にかかわらずすべてプロトンの授受が可能となるので、触媒層中に含まれる全ての触媒金属の表面積が算出される。この表面積をS2とする。 Next, by the same method, the amount of electricity by hydrogen adsorption / desorption reaction when the same electrode is immersed in sulfuric acid aqueous solution and cyclic voltammetry is calculated. In this case, since the electrode is immersed in an aqueous sulfuric acid solution, the catalyst metal supported on the surface of the carbonaceous material can exchange protons regardless of contact with the cation exchange resin cluster. Therefore, the surface areas of all the catalyst metals contained in the catalyst layer are calculated. Let this surface area be S2.
上記で算出したS1とS2の値を用いることによって、陽イオン交換樹脂のクラスターと炭素質材料の表面との接面に担持された触媒金属が、触媒層に含まれる全ての触媒金属に占める割合(Z)は、つぎのように算出できる。 By using the values of S1 and S2 calculated above, the ratio of the catalyst metal supported on the contact surface between the cluster of the cation exchange resin and the surface of the carbonaceous material in all the catalyst metals included in the catalyst layer (Z) can be calculated as follows.
Z=S1/S2×100
本発明において、ULPLCは、例えば、次のような方法で製作することができる。まず、炭素質材料と陽イオン交換樹脂溶液とを混合した分散液を、噴霧乾燥機を用いて乾燥・造粒して、陽イオン交換樹脂と炭素質材料との混合物とし、その混合物中の陽イオン交換樹脂に触媒金属の陽イオンを吸着させ、この陽イオンを還元して触媒金属とする。
Z = S1 / S2 × 100
In the present invention, the ULPLC can be manufactured, for example, by the following method. First, a dispersion obtained by mixing a carbonaceous material and a cation exchange resin solution is dried and granulated using a spray dryer to obtain a mixture of the cation exchange resin and the carbonaceous material, and the cation in the mixture is obtained. The cation of the catalytic metal is adsorbed on the ion exchange resin, and the cation is reduced to form the catalytic metal.
この方法で使用できる触媒金属の陽イオンとしては、たとえば、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウムおよびオスミウムを含む陽イオンがある。また、白金族金属の陽イオンのかわりに、その陽イオンが還元されることで触媒となることが可能な陽イオンを用いることができる。そのような陽イオンとして、マグネシウム、アルミニウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、銀、タングステンなど金属元素を含む陽イオンがある。とくに、電気化学的な酸素の還元反応または水素酸化反応に対して高い触媒活性の触媒金属が得られることから、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウムを含む陽イオンが好ましい。 Catalytic metal cations that can be used in this method include, for example, cations including platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium and osmium. Further, instead of the cation of the platinum group metal, a cation that can be used as a catalyst by reducing the cation can be used. Such cations include cations containing metal elements such as magnesium, aluminum, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, silver, and tungsten. In particular, a cation containing platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, or osmium is preferred because a catalytic metal having a high catalytic activity for an electrochemical oxygen reduction reaction or hydrogen oxidation reaction can be obtained.
触媒金属元素の陽イオンは、陽イオン交換樹脂のイオン交換基の対イオンとのイオン交換反応によって、陽イオン交換樹脂で被覆されていないカーボン表面に比べて陽イオン交換樹脂のイオン交換基に優先的に吸着するものであることが好ましい。そのような吸着特性を持つ白金族金属を含む陽イオンとして、白金族金属の錯イオン、たとえば[Pt(NH3)4]2+および[Pt(NH3)6]4+などの白金のアンミン錯体陽イオン、または[Ru(NH3)4]2+および[Ru(NH3)6]3+などのルテニウムのアンミン錯体陽イオンがある。 The cation of the catalytic metal element takes precedence over the ion exchange group of the cation exchange resin compared to the carbon surface not coated with the cation exchange resin by an ion exchange reaction with the counter ion of the ion exchange group of the cation exchange resin. It is preferable to adsorb | suck. As a cation containing a platinum group metal having such an adsorption property, a platinum group metal complex ion, for example, platinum ammine complex cation such as [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ and [Pt (NH 3 ) 6 ] 4+ Ions, or ruthenium ammine complex cations such as [Ru (NH 3 ) 4 ] 2+ and [Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ .
ULPLCにおいて、触媒担持粉末の平均粒子径は、0.1〜200μmであることが好ましい。粒子径が0.1μm以下の場合、飛散性が高いので取り扱いの点で劣る、一方、粒子径が200μm以上の場合、触媒層のラフネスが著しく増大するので、上記の範囲の平均粒子径をもつ触媒担持粉末が好ましい。触媒担持粉末の平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置などの粒度測定装置、または、走査型電子顕微鏡などの顕微鏡を用いて測定することができる。 In ULPLC, the average particle size of the catalyst-supported powder is preferably 0.1 to 200 μm. When the particle size is 0.1 μm or less, the scattering property is high, so that the handling is inferior. On the other hand, when the particle size is 200 μm or more, the roughness of the catalyst layer is remarkably increased. A catalyst-supported powder is preferred. The average particle size of the catalyst-supported powder can be measured using a particle size measuring device such as a laser diffraction particle size distribution measuring device or a microscope such as a scanning electron microscope.
ULPLCにおいて、触媒金属の平均粒子径は、0.6〜10nmであればよく、特に触媒金属が酸素の還元反応に活性であることから2〜4nmであることが好ましい。なお、触媒金属の粒子径は、触媒担持粉末を電子顕微鏡により観察することによって見積もることができる。 In ULPLC, the average particle diameter of the catalyst metal may be 0.6 to 10 nm, and is particularly preferably 2 to 4 nm because the catalyst metal is active in the oxygen reduction reaction. The particle diameter of the catalyst metal can be estimated by observing the catalyst-supported powder with an electron microscope.
ULPLCにおいて、触媒金属と炭素質材料との質量に対する触媒金属の質量の割合は、触媒層の厚さを低減できることから5質量%以上であることが好ましい。しかしながら、その割合が30質量%以上になると触媒金属の粒子が大きくなり、比表面積が低下する。したがって、その割合は5〜30質量%であることが好ましい。 In ULPLC, the ratio of the mass of the catalyst metal to the mass of the catalyst metal and the carbonaceous material is preferably 5% by mass or more because the thickness of the catalyst layer can be reduced. However, when the ratio is 30% by mass or more, the catalyst metal particles become large, and the specific surface area decreases. Therefore, it is preferable that the ratio is 5-30 mass%.
ULPLCには撥水性樹脂を含むことができ、ULPLCに含まれる撥水性樹脂の量は、炭素質材料に対して10〜120質量%であることが、その粉末を用いた触媒層の電子伝導性と撥水性との観点から好ましい。 The ULPLC can contain a water-repellent resin, and the amount of the water-repellent resin contained in the ULPLC is 10 to 120% by mass with respect to the carbonaceous material. From the viewpoint of water repellency.
ULPLCの製造方法において、金属元素の陽イオンを化学的に還元する方法としては、還元剤を用いることができる。この方法の場合、還元剤の種類、還元圧力、還元剤濃度、還元時間、還元温度を調整することによって、炭素質材料表面の付近に存在する金属元素の陽イオンを優先的に還元することが好ましい。例えば、還元剤として水素を用いた場合、還元温度を調整することによって、金属元素の陽イオンのうち、炭素質材料表面付近のものを選択的に還元することができる。この現象は、炭素質材料が金属元素の陽イオンの還元反応に対する触媒活性を備えていることを利用したものである。 In the ULPLC production method, a reducing agent can be used as a method for chemically reducing a cation of a metal element. In this method, the cation of the metal element present near the surface of the carbonaceous material can be preferentially reduced by adjusting the type of reducing agent, reducing pressure, reducing agent concentration, reducing time, and reducing temperature. preferable. For example, when hydrogen is used as the reducing agent, by adjusting the reduction temperature, it is possible to selectively reduce metal element cations near the surface of the carbonaceous material. This phenomenon utilizes the fact that the carbonaceous material has catalytic activity for the reduction reaction of the cation of the metal element.
ULPLCの製造方法において、使用できる還元剤としては、水素、硫化水素、ヨウ化水素、ヨウ素イオンなどの非金属のイオン、一酸化炭素や二酸化硫黄などの低級酸化物、ホスフィン酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウムやテトラヒドロアルミン酸リチウムなどの水素化物、ヒドラジン、ジイミド、ギ酸、アルデヒド、糖類などがある。とくに、量産に適していることから、水素またはヒドラジンを含むガスが好ましい。この水素は、窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスとの混合ガス(水素混合ガス)として用いられることが好ましく、そして、この水素混合ガスの水素の含有量は10体積%以上であることが好ましい。 In the production method of ULPLC, usable reducing agents include non-metallic ions such as hydrogen, hydrogen sulfide, hydrogen iodide and iodine ions, lower oxides such as carbon monoxide and sulfur dioxide, sodium phosphinate, sodium thiosulfate Hydrides such as sodium borohydride and lithium tetrahydroaluminate, hydrazine, diimide, formic acid, aldehyde, saccharides and the like. In particular, a gas containing hydrogen or hydrazine is preferable because it is suitable for mass production. The hydrogen is preferably used as a mixed gas (hydrogen mixed gas) with an inert gas such as nitrogen, helium or argon, and the hydrogen content of the hydrogen mixed gas is 10% by volume or more. preferable.
さらに、ULPLCの製造方法において、還元温度は、陽イオン交換樹脂の劣化を防ぐために、陽イオン交換樹脂の分解温度よりも低いことが好ましい。たとえば、陽イオン交換樹脂がパーフルオロカーボンスルホン酸形の陽イオン交換樹脂である場合、陽イオン交換樹脂の分解温度280℃より低い温度で還元することによって、樹脂の劣化を抑えることができる。還元剤として水素ガスまたは水素混合ガスを用いる場合、還元温度条件は100℃以上、200℃以下であることが好ましい。 Further, in the ULPLC production method, the reduction temperature is preferably lower than the decomposition temperature of the cation exchange resin in order to prevent the deterioration of the cation exchange resin. For example, when the cation exchange resin is a perfluorocarbon sulfonic acid type cation exchange resin, deterioration of the resin can be suppressed by reducing the cation exchange resin at a temperature lower than the decomposition temperature of 280 ° C. When hydrogen gas or a hydrogen mixed gas is used as the reducing agent, the reduction temperature condition is preferably 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体は、金属シートまたは高分子シートなどの基材の表面に触媒ペーストを塗布・乾燥して触媒層を形成し、この触媒層を陽イオン交換樹脂膜に転写する方法や、あるいは、触媒ペーストを陽イオン交換樹脂膜に直接塗布し、乾燥することによって、触媒層を陽イオン交換樹脂膜の表面に形成する方法などによって、触媒層と陽イオン交換樹脂膜との接合体を製造し、この接合体の触媒層に導電性多孔質体を接合することによって、膜/電極接合体を製造することができる。 In the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a catalyst layer is formed by applying and drying a catalyst paste on the surface of a substrate such as a metal sheet or a polymer sheet. The catalyst layer and the cation exchange membrane can be transferred to the exchange resin membrane, or the catalyst layer can be applied directly to the cation exchange resin membrane and dried to form the catalyst layer on the surface of the cation exchange resin membrane. A membrane / electrode assembly can be manufactured by manufacturing a bonded body with an ion exchange resin membrane and bonding a conductive porous body to the catalyst layer of the bonded body.
なお、基材として多孔質のカーボン板のような導電性多孔質体を用いた場合は、導電性多孔質体の片面に触媒ペーストを直接塗布、乾燥して、導電性多孔質体の片面に触媒層を形成し、この触媒層を陽イオン交換樹脂膜に接合することによって膜/電極接合体を製造することができる。 When a conductive porous body such as a porous carbon plate is used as the base material, the catalyst paste is directly applied to one side of the conductive porous body and dried, so that one side of the conductive porous body is formed. A membrane / electrode assembly can be produced by forming a catalyst layer and bonding this catalyst layer to a cation exchange resin membrane.
触媒層が形成された基材と陽イオン交換樹脂膜との接合は、加温しながら圧接することが好ましい。接合の条件は、充分な接合体の強度を保持し、内部抵抗を低減するために温度は50℃以上、200℃以下、圧力は0.1MPa以上、30MPa以下の条件でおこなうことが好ましい。さらに、接合は、触媒層と陽イオン交換樹脂膜とを十分加熱するために、1分以上、20分以下の間おこなうことが好ましい。この圧接は、陽イオン交換樹脂膜を湿潤させた状態あるいは乾燥させた状態でおこなうことができる。 It is preferable that the base material on which the catalyst layer is formed and the cation exchange resin membrane are pressure-welded while heating. The bonding conditions are preferably performed under conditions of a temperature of 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower and a pressure of 0.1 MPa or higher and 30 MPa or lower in order to maintain sufficient strength of the bonded body and reduce internal resistance. Further, the joining is preferably performed for 1 minute or more and 20 minutes or less in order to sufficiently heat the catalyst layer and the cation exchange resin membrane. This pressure contact can be performed in a wet state or a dry state of the cation exchange resin membrane.
導電性多孔質体は、ガス拡散層として機能する。導電性多孔質体は、電子伝導性および耐腐食性が高い炭素質材料を含むものが好ましく、例えば、炭素繊維からなるカーボンペーパー、カーボンフェルトなどを用いることができる。導電性孔質体の多孔度は、ガス拡散性を向上させるために40〜95体積%であることが好ましく、ガス拡散性をされに向上するためには80〜95体積%であることが好ましい。い。 The conductive porous body functions as a gas diffusion layer. The conductive porous body preferably includes a carbonaceous material having high electron conductivity and corrosion resistance. For example, carbon paper made of carbon fiber, carbon felt, or the like can be used. The porosity of the conductive porous body is preferably 40 to 95% by volume in order to improve the gas diffusibility, and preferably 80 to 95% by volume in order to improve the gas diffusibility. . Yes.
また、これらの導電性多孔質体は、生成水によるフラッディングを防ぐために、撥水性樹脂により撥水性を付与したものが好ましい。導電性多孔質体に対する撥水性樹脂の質量の割合は、撥水性を向上するために2〜30質量%であることが好ましい。 Moreover, in order to prevent flooding due to generated water, these conductive porous bodies preferably have water repellency imparted by a water repellent resin. The mass ratio of the water-repellent resin to the conductive porous body is preferably 2 to 30% by mass in order to improve the water repellency.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体においては、導電性多孔質体と触媒層の間に中間層を形成することによって、表面の平滑性の向上と、電流密度分布の均一化と、撥水性の向上とをはかることができる。中間層とは、炭素質材料と結着剤と撥水性樹脂とを含む多孔性の層であり、撥水性、ガス透過性および電子伝導性を備えた層である。中間層における撥水性樹脂の質量の割合は、撥水性を向上するために2〜40質量%であることが好ましい。 In the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, by forming an intermediate layer between the conductive porous body and the catalyst layer, the surface smoothness is improved and the current density distribution is uniform. And improvement of water repellency can be achieved. The intermediate layer is a porous layer containing a carbonaceous material, a binder, and a water repellent resin, and is a layer having water repellency, gas permeability, and electron conductivity. The mass ratio of the water-repellent resin in the intermediate layer is preferably 2 to 40% by mass in order to improve the water repellency.
本発明の触媒層に含まれる陽イオン交換樹脂の量は、炭素質材料に対して25〜150質量%であることが、触媒層の電子伝導性とプロトン伝導性との観点から好ましい。特に、陽イオン交換樹脂の量が炭素質材料に対して25〜100質量%とすることが、触媒層のガス拡散性が高くなることから好ましい。 The amount of the cation exchange resin contained in the catalyst layer of the present invention is preferably 25 to 150% by mass with respect to the carbonaceous material from the viewpoint of the electron conductivity and proton conductivity of the catalyst layer. In particular, the amount of the cation exchange resin is preferably 25 to 100% by mass with respect to the carbonaceous material because the gas diffusibility of the catalyst layer is increased.
また、触媒層用ペーストの調製に使用する液体の質量は、液体と触媒担持粉末とを含んだペーストの質量に対して60〜95質量%であることが好ましく、特に、80〜90質量%であることが好ましい。液体がこの範囲の質量であるときに、ペーストに含まれる触媒担持粉末の分散性が最適になるので、触媒層の成形性が良好になる結果、その層を含む固体高分子形燃料電池の性能が向上する。 Further, the mass of the liquid used for the preparation of the catalyst layer paste is preferably 60 to 95% by mass, particularly 80 to 90% by mass with respect to the mass of the paste containing the liquid and the catalyst-supporting powder. Preferably there is. When the liquid has a mass in this range, the dispersibility of the catalyst-supported powder contained in the paste is optimized, and as a result, the moldability of the catalyst layer is improved. As a result, the performance of the polymer electrolyte fuel cell including that layer Will improve.
触媒用ペーストに用いる液体の種類はとくに限定されるものではなく、たとえば、水などの無機化合物、ヘキサン、ペンタン、シクロヘキサン、オクタン、ベンゼンなどの炭化水素系の液体、ジクロロメタン、1,1,2−トリクロロ−1,2,2−トリフルオロエタンなどのハロゲン化合物、メタノール、エタノール、エチレングリコール、グリセリンなどのアルコール、アニソールなどのエーテル、アセトンなどのケトン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ピリジンなどの含窒素化合物あるいは含硫黄化合物、またはこれらの液体を混合したものを使用することができる。 The type of liquid used for the catalyst paste is not particularly limited. For example, inorganic compounds such as water, hydrocarbon liquids such as hexane, pentane, cyclohexane, octane, and benzene, dichloromethane, 1,1,2- Halogen compounds such as trichloro-1,2,2-trifluoroethane, alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol and glycerin, ethers such as anisole, ketones such as acetone, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N- Nitrogen-containing compounds or sulfur-containing compounds such as methyl-2-pyrrolidone and pyridine, or a mixture of these liquids can be used.
中でも、液体の粘度が10mPas以上であるものは、液体とその粉末との混合が良好であるので好ましい。さらに好ましくは、液体の沸点が60°C以上であるものがよい。液体の沸点が60°C以下の場合、液体が蒸発することによってペーストの濃度が上昇しやすくなるので取り扱いが困難になることによるものである。 Among them, a liquid having a viscosity of 10 mPas or more is preferable because mixing of the liquid and its powder is good. More preferably, the boiling point of the liquid is 60 ° C. or higher. When the boiling point of the liquid is 60 ° C. or less, the concentration of the paste is likely to increase due to the evaporation of the liquid, so that the handling becomes difficult.
また、液体としてイオン交換樹脂の取り込み量が50質量%以上200質量%以下であるものがよい。この範囲のものを用いることによって、陽イオン交換樹脂が液体によって膨潤し、触媒担持粉末粒子間の結着性が向上するので、触媒層のイオン伝導性が向上する結果、性能が向上する。 In addition, it is preferable that the amount of ion exchange resin taken in as a liquid is 50 mass% or more and 200 mass% or less. By using a material in this range, the cation exchange resin swells with the liquid and the binding property between the catalyst-supported powder particles is improved. As a result, the ionic conductivity of the catalyst layer is improved, and the performance is improved.
イオン交換樹脂の取り込み量M(質量%)は、次の(1)式で定義される。 The amount M (mass%) of ion exchange resin taken up is defined by the following equation (1).
Wwet:液体に接触させた後の陽イオン交換樹脂膜の質量(g)
Wdry:陽イオン交換樹脂膜の乾燥質量(g)
このような条件を満たす液体として、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)またはN−メチル−2−ピロリドン(NMP)などがある。これを用いて製造した触媒層は、性能が著しく高い。
W wet : Mass of cation exchange resin membrane after contact with liquid (g)
W dry : dry mass of cation exchange resin membrane (g)
Examples of the liquid that satisfies such conditions include N, N-dimethylformamide (DMF) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The catalyst layer produced using this has remarkably high performance.
触媒層用ペーストには、触媒層のプロトン伝導性を向上するために、陽イオン交換樹脂溶液を含んでいてもよい。触媒層用ペーストに含まれる陽イオン交換樹脂は、触媒担持粉末中に含まれる炭素質材料の質量に対して5〜400質量%であることが好ましい。 In order to improve the proton conductivity of the catalyst layer, the catalyst layer paste may contain a cation exchange resin solution. The cation exchange resin contained in the catalyst layer paste is preferably 5 to 400% by mass relative to the mass of the carbonaceous material contained in the catalyst-supporting powder.
触媒層用ペーストには、触媒層の強度を高めるために、FEPなどの撥水性樹脂を含んでいてもよい。触媒層用ペーストに含まれる撥水性樹脂は、触媒担持粉末中に含まれる炭素質材料の質量に対して10〜120質量%であることが、触媒層に高い水の滞留の抑制効果と高い電子伝導性とを与えることから好ましい。 The catalyst layer paste may contain a water-repellent resin such as FEP in order to increase the strength of the catalyst layer. The water-repellent resin contained in the catalyst layer paste is 10 to 120% by mass relative to the mass of the carbonaceous material contained in the catalyst-supporting powder, and is effective in suppressing high water retention in the catalyst layer and high electrons. This is preferable because it provides conductivity.
触媒層用ペーストには、触媒層形成後に除去することによって触媒層の多孔度を向上できる造孔剤、たとえば、亜鉛、アルミニウム、カルシウム、クロム、コバルト、スズ、鉄、銅、ニッケル、マグネシウムなどの金属の粒子またはこれらの金属元素のうち少なくとも一つを含む合金、炭酸カルシウムまたは塩化ナトリウムなどの無機塩、あるいはポリビニルアルコールなどの水溶性の高分子を含んでいても構わない。その場合、触媒層を形成したのちにその物質を除去する工程をおこなうことが好ましい。例えば、ニッケル粒子を使用した場合、希硫酸に浸漬することによってその粒子を溶出することが可能である。その物質はペーストに含まれる液体に対して難溶性であるものが好ましい。 In the catalyst layer paste, a pore-forming agent that can improve the porosity of the catalyst layer by removing after forming the catalyst layer, such as zinc, aluminum, calcium, chromium, cobalt, tin, iron, copper, nickel, magnesium, etc. Metal particles or alloys containing at least one of these metal elements, inorganic salts such as calcium carbonate or sodium chloride, or water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol may also be included. In that case, it is preferable to perform a step of removing the substance after forming the catalyst layer. For example, when nickel particles are used, the particles can be eluted by dipping in dilute sulfuric acid. The substance is preferably one that is sparingly soluble in the liquid contained in the paste.
本発明において、触媒層の厚さは、触媒活性を向上すること、触媒層のガス拡散性を高く維持することとから1〜150μmであることが好ましい。さらに、その層の電気抵抗を小さくするために、4〜30μmであることが好ましい。 In the present invention, the thickness of the catalyst layer is preferably 1 to 150 μm from the viewpoint of improving catalyst activity and maintaining high gas diffusibility of the catalyst layer. Furthermore, in order to reduce the electric resistance of the layer, the thickness is preferably 4 to 30 μm.
本発明において、触媒層の多孔度は、高いガス拡散性とプロトン伝導性とが両立できる60〜85体積%であることが好ましい。この理由は以下のとおりである。触媒層に空孔を形成することによって、カソードの酸素還元反応で生成する水を充分に排出することができる。この水排出の効果は、空孔率が60体積%以上の場合に著しく現われる。さらに、空孔率が85体積%以下では、触媒層のプロトン伝導性および電子伝導性を維持することができる。 In the present invention, the porosity of the catalyst layer is preferably 60 to 85% by volume which can achieve both high gas diffusibility and proton conductivity. The reason for this is as follows. By forming pores in the catalyst layer, water generated by the oxygen reduction reaction at the cathode can be sufficiently discharged. This effect of water discharge is remarkably exhibited when the porosity is 60% by volume or more. Furthermore, when the porosity is 85% by volume or less, the proton conductivity and electron conductivity of the catalyst layer can be maintained.
本発明において、触媒層の空孔率が60体積%未満の場合には、ガス透過性能や水排出性が抑制され、空孔率が小さくなるにしたがって電流密度の値は減少し、また、85体積%を超える場合には、空孔率の増加のために混合物の緻密性が低下し、触媒層の電子伝導度およびプロトン伝導度が低下し、電流密度の急激な低下がもたらされる。したがって、触媒層の空孔率は60〜85体積%であることが好ましい。触媒層の多孔度は、例えば水銀圧入法を用いて求めることが可能である。 In the present invention, when the porosity of the catalyst layer is less than 60% by volume, gas permeation performance and water discharge performance are suppressed, and the value of current density decreases as the porosity decreases, and 85 When the volume% is exceeded, the porosity of the mixture decreases due to an increase in porosity, and the electronic conductivity and proton conductivity of the catalyst layer decrease, resulting in a rapid decrease in current density. Therefore, the porosity of the catalyst layer is preferably 60 to 85% by volume. The porosity of the catalyst layer can be determined using, for example, a mercury intrusion method.
本発明の触媒層において、単位面積あたりの触媒層に含まれる触媒金属の質量は、0.01〜1.00mg/cm2であることが、触媒活性の向上とコスト低減の観点から好ましい。この触媒金属の単位面積あたりの質量は、例えば、触媒層中の触媒金属を抽出したのち、その抽出液中の触媒金属量をICP発光分析で定量することによって求めることができる。 In the catalyst layer of the present invention, the mass of the catalyst metal contained in the catalyst layer per unit area is preferably 0.01 to 1.00 mg / cm 2 from the viewpoint of improving the catalyst activity and reducing the cost. The mass per unit area of the catalyst metal can be obtained, for example, by extracting the catalyst metal in the catalyst layer and then quantifying the amount of the catalyst metal in the extract by ICP emission analysis.
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。 The present invention will be described below with reference to preferred embodiments.
[実施例1〜15および比較例1〜5]
[カソード触媒層の作製]
陽イオン交換樹脂、炭素質材料、撥水性樹脂、および触媒金属を含み、触媒金属の50質量%以上が陽イオン交換樹脂のクラスターと炭素質材料の表面との接面に担持されたカソード触媒層を、次のようにして作製した。
[Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 5]
[Preparation of cathode catalyst layer]
A cathode catalyst layer comprising a cation exchange resin, a carbonaceous material, a water repellent resin, and a catalyst metal, wherein 50% by mass or more of the catalyst metal is supported on the contact surface between the cation exchange resin cluster and the surface of the carbonaceous material. Was prepared as follows.
まず、炭素質材料(Vulucan XC−72、Cabot社製)と陽イオン交換樹脂溶液(Nafion、5質量%溶液、Aldrich社製)とFEP分散液(54質量%、三井・デュポンフロロケミカル製、FEP120−J)とを混合したものを噴霧乾燥機(Fujisaki Electric社製)で噴霧乾燥して、炭素質材料と陽イオン交換樹脂とFEP(撥水性樹脂)を含む混合粉末を製作した。 First, a carbonaceous material (Vulcan XC-72, manufactured by Cabot), a cation exchange resin solution (Nafion, 5% by mass solution, manufactured by Aldrich) and an FEP dispersion (54% by mass, manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical, FEP120) -J) was spray dried with a spray dryer (Fujisaki Electric Co., Ltd.) to produce a mixed powder containing a carbonaceous material, a cation exchange resin, and FEP (water repellent resin).
つぎに、この混合粉末を[Pt(NH3)4]Cl2水溶液(50mol/l)に含浸して、[Pt(NH3)4]2+を陽イオン交換樹脂のイオン交換基に吸着させた。さらに、この混合粉末を水素雰囲気下で還元することによって、Pt(触媒金属)、Nafion、FEPおよび炭素質材料を含む触媒粉末を製造した。 Next, this mixed powder was impregnated with [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 aqueous solution (50 mol / l) to adsorb [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ to the ion exchange group of the cation exchange resin. . Furthermore, the mixed powder was reduced under a hydrogen atmosphere to produce a catalyst powder containing Pt (catalytic metal), Nafion, FEP, and a carbonaceous material.
つぎに、この触媒粉末とN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを混合して、触媒層用ペーストとし、この触媒層用ペーストを高分子フィルム上に塗布した後、乾燥して、カソード触媒層とした。 Next, the catalyst powder and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) are mixed to form a catalyst layer paste. The catalyst layer paste is applied onto a polymer film and then dried to obtain a cathode catalyst. Layered.
得られたカソード触媒層の組成は、Nafion:炭素質材料:Pt=0.4:1.0:0.28(質量比)とした。そして、カソード触媒層に含まれるFEP(撥水性樹脂)の割合をX(質量%)とした場合、Xが3〜47質量%の5種類のカソード触媒層A1〜A5を作製した。カソード触媒層A1〜A5の組成(質量比)を表1にまとめた。 The composition of the obtained cathode catalyst layer was Nafion: carbonaceous material: Pt = 0.4: 1.0: 0.28 (mass ratio). And when the ratio of FEP (water-repellent resin) contained in the cathode catalyst layer is X (mass%), five types of cathode catalyst layers A1 to A5 where X is 3 to 47 mass% were produced. The compositions (mass ratio) of the cathode catalyst layers A1 to A5 are summarized in Table 1.
[アノード触媒層の作製]
カソード触媒粉末と同様にして、アノード触媒粉末を製造した。そして、この触媒粉末を用いて、カソード触媒層と同様にして、アノード触媒層を作製した。
[Preparation of anode catalyst layer]
An anode catalyst powder was produced in the same manner as the cathode catalyst powder. And using this catalyst powder, the anode catalyst layer was produced like the cathode catalyst layer.
得られたアノード触媒層の組成は、Nafion:炭素質材料:Pt=0.4:1.0:0.22(質量比)とした。そして、アノード触媒層に含まれるFEP(撥水性樹脂)の割合Y(質量%)とした場合、Yが0.6〜47質量%の20種類のアノード触媒層B1〜B15およびR1〜R5を作製した。アノード触媒層B1〜B15およびR1〜R5の組成(質量比)を表2にまとめた。 The composition of the obtained anode catalyst layer was Nafion: carbonaceous material: Pt = 0.4: 1.0: 0.22 (mass ratio). And when it is set as the ratio Y (mass%) of FEP (water-repellent resin) contained in an anode catalyst layer, 20 types of anode catalyst layers B1-B15 and R1-R5 whose Y is 0.6-47 mass% are produced. did. Table 2 summarizes the compositions (mass ratio) of the anode catalyst layers B1 to B15 and R1 to R5.
[実施例1]
カソード触媒層A1とアノード触媒層B1とを一辺5cmの正方形に裁断した後、これらのカソード触媒層A1とアノード触媒層B1と固体高分子膜(Nafion112、DuPont社製)とをホットプレスして、固体高分子膜の両面にカソード触媒層A1とアノード触媒層B1とを転写した。さらに、触媒層の外側にカーボンペーパー(ガス拡散層)を配置することによって、実施例1の膜/電極接合体を製造した。カソード触媒層A1のXは3%であり、アノード触媒層B1のYは0.6%であるので、得られた実施例1の膜/電極接合体ではY/X=0.2となる。
[Example 1]
After the cathode catalyst layer A1 and the anode catalyst layer B1 are cut into a square having a side of 5 cm, the cathode catalyst layer A1, the anode catalyst layer B1, and the solid polymer membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont) are hot pressed, The cathode catalyst layer A1 and the anode catalyst layer B1 were transferred to both surfaces of the solid polymer membrane. Furthermore, the membrane / electrode assembly of Example 1 was manufactured by disposing carbon paper (gas diffusion layer) outside the catalyst layer. Since X of the cathode catalyst layer A1 is 3% and Y of the anode catalyst layer B1 is 0.6%, in the obtained membrane / electrode assembly of Example 1, Y / X = 0.2.
この接合体を備えたPEFCを実施例1のPEFCとした。サイクリックボルタンメトリーを用いて、このカソード触媒層A1およびアノード触媒層B11に含まれる触媒金属の量に対する陽イオン交換樹脂のクラスターと炭素質材料の表面との接面に担持されている触媒金属の割合を求めたところ、それぞれ81質量%および80質量%であった。 The PEFC provided with this joined body was used as the PEFC of Example 1. Using cyclic voltammetry, the ratio of the catalyst metal supported on the contact surface between the cluster of the cation exchange resin and the surface of the carbonaceous material with respect to the amount of the catalyst metal contained in the cathode catalyst layer A1 and the anode catalyst layer B11 Were found to be 81% by mass and 80% by mass, respectively.
[実施例2、3および比較例1]
カソード触媒層A1と、アノード触媒層B2、B3およびR1とを組み合わせて、実施例1と同様にして、実施例2、3および比較例1の膜/電極接合体を作製し、これらの接合体を備えたPEFCを作製した。実施例2の膜/電極接合体のY/Xは0.5、実施例3の膜/電極接合体のY/Xは0.9、比較例1の膜/電極接合体のY/Xは1.0となる。
[Examples 2 and 3 and Comparative Example 1]
Membrane / electrode assemblies of Examples 2, 3 and Comparative Example 1 were produced in the same manner as in Example 1 by combining the cathode catalyst layer A1 and the anode catalyst layers B2, B3 and R1, and these assemblies A PEFC equipped with was prepared. Y / X of the membrane / electrode assembly of Example 2 is 0.5, Y / X of the membrane / electrode assembly of Example 3 is 0.9, and Y / X of the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 is 1.0.
[実施例4〜15および比較例2〜5]
カソード触媒層A2と、アノード触媒層B4〜B6およびR2とを組み合わせて、実施例1と同様にして、実施例4〜6および比較例2の膜/電極接合体を作製し、これらの接合体を備えたPEFCを作製した。
[Examples 4 to 15 and Comparative Examples 2 to 5]
Membrane / electrode assemblies of Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 were produced in the same manner as in Example 1 by combining the cathode catalyst layer A2 and the anode catalyst layers B4 to B6 and R2, and these assemblies A PEFC equipped with was prepared.
さらに、カソード触媒層A3〜A5と、アノード触媒層B7〜B15およびR3〜R5とを組み合わせて、実施例1と同様にして、実施例7〜15および比較例3〜5の膜/電極接合体を作製し、これらの接合体を備えたPEFCを作製した。 Further, the membrane / electrode assemblies of Examples 7 to 15 and Comparative Examples 3 to 5 were combined with cathode catalyst layers A3 to A5 and anode catalyst layers B7 to B15 and R3 to R5 in the same manner as in Example 1. A PEFC equipped with these assemblies was prepared.
作製したPEFCの膜/電極接合体に用いたカソード触媒層およびアノード触媒層と、Y/Xの値を表3にまとめた。 The cathode catalyst layer and anode catalyst layer used in the produced PEFC membrane / electrode assembly and the Y / X values are shown in Table 3.
[特性測定]
セル温度が70℃、アノードガスが純水素、アノード利用率が80%、アノード加湿温度が70℃、カソードガスが空気、カソード利用率が40%、カソード加湿温度が70℃の条件で、実施例1〜15および比較例1〜5のPEFCを、500mA/cm2の電流密度で500時間運転し、作動電圧の経時変化を測定し、作動電圧の経時変化から、1時間当たりの作動電圧の低下率(μV/h)を求めた。
[Characteristic measurement]
Example under conditions where cell temperature is 70 ° C., anode gas is pure hydrogen, anode utilization is 80%, anode humidification temperature is 70 ° C., cathode gas is air, cathode utilization is 40%, and cathode humidification temperature is 70 ° C. The PEFCs 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 5 were operated at a current density of 500 mA / cm 2 for 500 hours, the change in operating voltage with time was measured, and the operating voltage per hour decreased from the change in operating voltage over time. The rate (μV / h) was determined.
また、セル温度が70℃、アノードガスが純水素、アノード利用率が80%、アノード加湿温度が70℃、カソードガスが空気、カソード利用率が40%、カソード加湿温度が70℃の条件でPEFCを運転し、電圧−電流特性を測定し、電流密度が500mA/cm2における作動電圧を求めた。 PEFC under conditions of cell temperature 70 ° C., anode gas pure hydrogen, anode utilization 80%, anode humidification temperature 70 ° C., cathode gas air, cathode utilization 40%, cathode humidification temperature 70 ° C. The voltage-current characteristics were measured, and the operating voltage at a current density of 500 mA / cm 2 was determined.
測定結果を表4にまとめた。なお、表4において、「電圧低下率」は、PEFCの1時間当たりの作動電圧の低下率を表し、単位はμV/hであり、また、「作動電圧」は、電流密度が500mA/cm2における作動電圧を表し、単位はmVである。 The measurement results are summarized in Table 4. In Table 4, “Voltage reduction rate” represents the rate of decrease in operating voltage per hour of PEFC, the unit is μV / h, and “Operating voltage” has a current density of 500 mA / cm 2. Is expressed in mV, and the unit is mV.
表4から、Y/Xが0.9以下の範囲にある、実施例1〜15のPEFCの作動電圧の低下率は、比較例1〜5のPEFCのY/X=1の場合に比べて低いことがわかった。このことは、比較例1〜5の場合、カソード触媒層とアノード触媒層とで撥水性に差がないので、カソードのフラッディングがおこりやすくなることに起因するものと考えられる。一方、実施例1〜15の場合には、カソード触媒層とアノード触媒層とで撥水性に差があるので、カソードからアノードへの水分の逆拡散が促進される結果、連続運転におけるカソードのフラッディングが抑制されたものと考えられる。 From Table 4, the rate of decrease in the working voltage of the PEFCs of Examples 1 to 15 where Y / X is in the range of 0.9 or less is compared to the case of Y / X = 1 of the PEFCs of Comparative Examples 1 to 5. I found it low. In Comparative Examples 1 to 5, this is considered to be due to the fact that the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have no difference in water repellency, so that cathode flooding is likely to occur. On the other hand, in Examples 1 to 15, since there is a difference in water repellency between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, the reverse diffusion of moisture from the cathode to the anode is promoted. Is considered to be suppressed.
また、表4から、カソード触媒層に含まれるFEPの割合が6質量%以上である、実施例4〜15におけるPEFCの作動電圧の低下率は、実施例1〜3のPEFCの場合に比べて低いことがわかった。このことは、実施例1〜3の場合、FEPの添加が不十分なため、カソード触媒層の撥水性が低くなり、一方、実施例4〜15の場合、カソード触媒層に十分な撥水性が付与されたことによるものと考えられる。 Moreover, from Table 4, the rate of decrease in the operating voltage of PEFC in Examples 4 to 15 in which the ratio of FEP contained in the cathode catalyst layer is 6% by mass or more is compared with the PEFCs of Examples 1 to 3. I found it low. This is because in Examples 1 to 3, the addition of FEP is insufficient, so that the water repellency of the cathode catalyst layer is low. On the other hand, in Examples 4 to 15, the cathode catalyst layer has sufficient water repellency. This is considered to be due to the grant.
表4から、カソード触媒層に含まれるFEPの割合が42質量%以下である実施例1〜12のPEFCの作動電圧は、実施例13〜15のPEFCの場合に比べて高いことがわかった。このことは、実施例13〜15の場合、絶縁性であるFEPが多量に含まれているので、触媒層の電子伝導性がやや低下し、内部抵抗が増大したものと考えられ、一方、実施例1〜12のPEFCの場合には、触媒層の電子伝導性が好適に保たれているものと考えられる。 From Table 4, it turned out that the working voltage of PEFC of Examples 1-12 whose ratio of FEP contained in a cathode catalyst layer is 42 mass% or less is higher than the case of PEFC of Examples 13-15. This is considered to be due to the fact that in Examples 13 to 15 a large amount of insulating FEP was contained, the electron conductivity of the catalyst layer was slightly lowered and the internal resistance was increased. In the case of PEFCs of Examples 1 to 12, it is considered that the electronic conductivity of the catalyst layer is suitably maintained.
以上に結果から、陽イオン交換樹脂、炭素質材料、撥水性樹脂、および触媒金属を含み、触媒金属の50質量%以上が陽イオン交換樹脂のクラスターと炭素質材料の表面との接面に担持されたカソード触媒層およびアノード触媒層を用いた膜/電極接合体において、Y/X<1で、しかも、カソード触媒層に含まれるFEP(撥水性樹脂)の割合が6〜42質量%の範囲にある場合に、高い作動電圧および作動電圧の低下率が小さいPEFCが得られることがわかった。 From the above results, including cation exchange resin, carbonaceous material, water repellent resin, and catalyst metal, 50% by mass or more of the catalyst metal is supported on the contact surface between the cation exchange resin cluster and the surface of the carbonaceous material. In the membrane / electrode assembly using the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, Y / X <1, and the ratio of FEP (water repellent resin) contained in the cathode catalyst layer is 6 to 42% by mass It was found that a PEFC having a high operating voltage and a small reduction rate of the operating voltage can be obtained.
[実施例16〜30および比較例6〜10]
[カソード触媒層の作製]
白金担持カーボンを用いたカソード触媒層を、次のようにして作製した。まず、白金担持率が50質量%の白金担持カーボン(田中貴金属社製、10V50E:VulcanXC−72、白金50質量%)に精製水を加え、次いで2−プロパノールを徐々に攪拌しながら加え、白金担持カーボンを水/2−プロパノール混合溶媒に分散させた。
[Examples 16 to 30 and Comparative Examples 6 to 10]
[Preparation of cathode catalyst layer]
A cathode catalyst layer using platinum-supported carbon was produced as follows. First, purified water is added to a platinum-supporting carbon (made by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., 10V50E: Vulcan XC-72, platinum 50% by mass) with a platinum loading rate of 50% by mass, and then 2-propanol is added while gradually stirring, Carbon was dispersed in a water / 2-propanol mixed solvent.
この混合物にFEP分散液(54質量%、三井・デュポンフロロケミカル製、FEP120−J)を攪拌しながら徐々に加え、さらに、陽イオン交換樹脂溶液(Nafion、5質量%溶液、Aldrich社製)を攪拌しながら徐々に加えて触媒分散液を作製した。 FEP dispersion (54% by mass, manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemicals, FEP120-J) is gradually added to this mixture while stirring, and further, a cation exchange resin solution (Nafion, 5% by mass, Aldrich) is added. The catalyst dispersion was prepared by gradually adding with stirring.
この触媒分散液において、炭素質材料に対するNafionの割合は40質量%、カーボンに対するPtの割合は50質量%であった。この触媒分散液を固体高分子膜(Nafion112、DuPont社製)の片面に塗布、乾燥、ホットプレスすることにより、カソード触媒層とした。 In this catalyst dispersion, the ratio of Nafion to the carbonaceous material was 40% by mass, and the ratio of Pt to carbon was 50% by mass. This catalyst dispersion was applied to one side of a solid polymer membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont), dried and hot pressed to form a cathode catalyst layer.
得られたカソード触媒層の組成は、Nafion:カーボン:Pt=0.4:0.5:0.5(質量比)とした。そして、カソード触媒層に含まれるFEP(撥水性樹脂)の割合をX(質量%)とした場合、Xが3〜47質量%の5種類のカソード触媒層A6〜A10を作製した。カソード触媒層A6〜A10の組成(質量比)を表5にまとめた。 The composition of the obtained cathode catalyst layer was Nafion: carbon: Pt = 0.4: 0.5: 0.5 (mass ratio). And when the ratio of FEP (water-repellent resin) contained in the cathode catalyst layer is X (mass%), five types of cathode catalyst layers A6 to A10 with X of 3 to 47 mass% were produced. Table 5 summarizes the composition (mass ratio) of the cathode catalyst layers A6 to A10.
[アノード触媒層の作製]
カソード触媒層の作成に用いたのと同じ材料を用い、同様の方法により、固体高分子膜(Nafion112、DuPont社製)の、カソード触媒層の反対側の面に塗布、乾燥、ホットプレスすることにより、アノード触媒層を作製した。
[Preparation of anode catalyst layer]
Apply, dry, and hot-press the solid polymer membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont) on the opposite side of the cathode catalyst layer using the same material as that used to create the cathode catalyst layer. Thus, an anode catalyst layer was produced.
得られたアノード触媒層の組成は、Nafion:カーボン:Pt=0.4:0.5:0.5(質量比)とした。そして、アノード触媒層に含まれるFEP(撥水性樹脂)の割合をY(質量%)とした場合、Yが0.6〜47質量%の20種類のアノード触媒層B16〜B30およびR6〜R10を作製した。アノード触媒層B16〜B30およびR6〜R10の組成(質量比)を表6にまとめた。 The composition of the obtained anode catalyst layer was Nafion: carbon: Pt = 0.4: 0.5: 0.5 (mass ratio). And when the ratio of FEP (water-repellent resin) contained in the anode catalyst layer is Y (mass%), 20 kinds of anode catalyst layers B16 to B30 and R6 to R10 having Y of 0.6 to 47 mass% are Produced. Table 6 summarizes the composition (mass ratio) of the anode catalyst layers B16 to B30 and R6 to R10.
[実施例16]
一辺5cmの正方形のカソード触媒層A6とアノード触媒層B16とを、固体高分子膜(Nafion112、DuPont社製)とをホットプレスして、固体高分子膜の両面に、カソード触媒層A6とアノード触媒層B16とを、固体高分子膜を挟んで対向するよう接合した。さらに、触媒層の外側にカーボンペーパー(ガス拡散層)を配置することによって、実施例16の膜/電極接合体を製造した。カソード触媒層A6のXは3%であり、アノード触媒層B16のYは0.6%であるので、得られた実施例16の膜/電極接合体ではY/X=0.2となる。この接合体を備えたPEFCを実施例16のPEFCとした。
[Example 16]
A square cathode catalyst layer A6 and an anode catalyst layer B16 each having a side of 5 cm are hot-pressed with a solid polymer membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont), and the cathode catalyst layer A6 and the anode catalyst are formed on both sides of the solid polymer membrane. Layer B16 was joined so as to face each other with the solid polymer film interposed therebetween. Furthermore, the membrane / electrode assembly of Example 16 was manufactured by disposing carbon paper (gas diffusion layer) outside the catalyst layer. Since X of the cathode catalyst layer A6 is 3% and Y of the anode catalyst layer B16 is 0.6%, in the obtained membrane / electrode assembly of Example 16, Y / X = 0.2. The PEFC provided with this joined body was referred to as PEFC of Example 16.
[実施例17、18および比較例6]
カソード触媒層A6と、アノード触媒層B17、B18およびR6とを組み合わせて、実施例16と同様にして、実施例17、18および比較例6の膜/電極接合体を作製し、これらの接合体を備えたPEFCを作製した。実施例17の膜/電極接合体のY/Xは0.5、実施例18の膜/電極接合体のY/Xは0.9、比較例6の膜/電極接合体のY/Xは1.0となる。
[Examples 17 and 18 and Comparative Example 6]
Membrane / electrode assemblies of Examples 17 and 18 and Comparative Example 6 were produced in the same manner as in Example 16 by combining the cathode catalyst layer A6 and the anode catalyst layers B17, B18, and R6. A PEFC equipped with was prepared. Y / X of the membrane / electrode assembly of Example 17 is 0.5, Y / X of the membrane / electrode assembly of Example 18 is 0.9, and Y / X of the membrane / electrode assembly of Comparative Example 6 is 1.0.
[実施例19〜30および比較例6〜10]
カソード触媒層A7〜A10と、アノード触媒層B19〜B30およびR7〜R10とを組み合わせて、実施例16と同様にして、実施例19〜30および比較例7〜10の膜/電極接合体を作製し、これらの接合体を備えたPEFCを作製した。
[Examples 19 to 30 and Comparative Examples 6 to 10]
Membrane / electrode assemblies of Examples 19 to 30 and Comparative Examples 7 to 10 were produced in the same manner as Example 16 by combining the cathode catalyst layers A7 to A10 and the anode catalyst layers B19 to B30 and R7 to R10. And PEFC provided with these joined bodies was produced.
作製したPEFCの膜/電極接合体に用いたカソード触媒層およびアノード触媒層と、Y/Xの値を表7にまとめた。 The cathode catalyst layer and anode catalyst layer used in the produced PEFC membrane / electrode assembly and Y / X values are shown in Table 7.
[特性測定]
実施例16〜30および比較例6〜10のPEFCについて、実施例1と同じ条件で、500mA/cm2の電流密度で500時間運転し、作動電圧の経時変化を測定し、作動電圧の経時変化から、1時間当たりの作動電圧の低下率(μV/h)を求めた。また、実施例1と同じ条件で電圧−電流特性を測定し、電流密度が500mA/cm2における作動電圧を求めた。
[Characteristic measurement]
The PEFCs of Examples 16 to 30 and Comparative Examples 6 to 10 were operated for 500 hours at a current density of 500 mA / cm 2 under the same conditions as in Example 1, the change in operating voltage over time was measured, and the change in operating voltage over time was measured. From this, the rate of decrease in operating voltage per hour (μV / h) was determined. Further, voltage-current characteristics were measured under the same conditions as in Example 1, and the operating voltage at a current density of 500 mA / cm 2 was determined.
測定結果を表8にまとめた。なお、表8において、「電圧低下率」は、PEFCの1時間当たりの作動電圧の低下率を表し、単位はμV/hであり、また、「作動電圧」は、電流密度が500mA/cm2における作動電圧を表し、単位はmVである。 The measurement results are summarized in Table 8. In Table 8, “Voltage reduction rate” represents the rate of decrease in operating voltage per hour of PEFC, the unit is μV / h, and “Operating voltage” has a current density of 500 mA / cm 2. Is expressed in mV, and the unit is mV.
表8から、Y/Xが0.9以下の範囲にある、実施例16〜30のPEFCの作動電圧の低下率は、比較例6〜10のPEFCのY/X=1の場合に比べて低いことがわかった。さらに、Y/Xが0.8以下の場合には、PEFCの作動電圧の低下率がより低いものとなった。 From Table 8, when Y / X is in the range of 0.9 or less, the reduction rate of the working voltage of the PEFC of Examples 16 to 30 is compared with the case of Y / X = 1 of the PEFC of Comparative Examples 6 to 10. I found it low. Furthermore, when Y / X was 0.8 or less, the rate of decrease in operating voltage of PEFC was lower.
また、カソードの触媒層に含まれるFEPの割合が6質量%以上である、実施例19〜30におけるPEFCの作動電圧の低下率は、実施例16〜18のPEFCの場合に比べて、低いことがわかった。 Moreover, the rate of decrease in the working voltage of the PEFC in Examples 19 to 30 in which the proportion of FEP contained in the catalyst layer of the cathode is 6% by mass or more is lower than that in the PEFCs of Examples 16 to 18. I understood.
以上に結果から、白金担持カーボンとNafion(陽イオン交換樹)とFEP(撥水性樹脂)とを含むカソード触媒層およびアノード触媒層を用いた膜/電極接合体においても、触媒金属の50質量%以上が陽イオン交換樹脂のクラスターと炭素質材料の表面との接面に担持されたカソード触媒層およびアノード触媒層を用いた膜/電極接合体の場合と同様の理由で、Y/X<1で、しかも、カソードの触媒層に含まれるFEP(撥水性樹脂)の割合が6〜42質量%の範囲にある場合に、高い作動電圧および作動電圧の低下率が小さいPEFCが得られることがわかった。 From the above results, even in a membrane / electrode assembly using a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer containing platinum-supported carbon, Nafion (cation exchange tree) and FEP (water repellent resin), 50% by mass of the catalyst metal The above is the same reason as in the case of the membrane / electrode assembly using the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer supported on the contact surface between the cation exchange resin cluster and the surface of the carbonaceous material, and Y / X <1. In addition, when the ratio of the FEP (water repellent resin) contained in the cathode catalyst layer is in the range of 6 to 42% by mass, it is found that a PEFC having a high operating voltage and a small reduction rate of the operating voltage can be obtained. It was.
[実施例31]
まず、炭素質材料(Vulucan XC−72、Cabot社製)と陽イオン交換樹脂溶液(Nafion、5質量%溶液、Aldrich社製)とを混合したものを噴霧乾燥機(Fujisaki Electric社製)で噴霧乾燥して、炭素質材料と陽イオン交換樹脂とを含む混合粉末を製作した。この混合粉末において、炭素質材料に対する陽イオン交換樹脂の割合は40質量%とした。
[Example 31]
First, a mixture of a carbonaceous material (Vulcan XC-72, manufactured by Cabot) and a cation exchange resin solution (Nafion, 5 mass% solution, manufactured by Aldrich) is sprayed with a spray dryer (manufactured by Fujisaki Electric). It dried and produced the mixed powder containing a carbonaceous material and a cation exchange resin. In this mixed powder, the ratio of the cation exchange resin to the carbonaceous material was 40% by mass.
つぎに、この混合粉末を[Pt(NH3)4]Cl2水溶液(50mol/l)に含浸して、[Pt(NH3)4]2+を陽イオン交換樹脂のイオン交換基に吸着させた。さらに、この混合粉末を水素雰囲気下で還元することによって、触媒金属、陽イオン交換樹脂および炭素質材料を含む触媒担持粉末Cを製造した。 Next, this mixed powder was impregnated with [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 aqueous solution (50 mol / l) to adsorb [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ to the ion exchange group of the cation exchange resin. . Further, the mixed powder was reduced in a hydrogen atmosphere to produce catalyst-supported powder C containing a catalyst metal, a cation exchange resin, and a carbonaceous material.
つぎに、この触媒担持粉末Cと液体と撥水性樹脂とを混合することによって触媒層用ペーストを調製し、この触媒層用ペーストを用いて触媒層を形成した。その方法はつぎのとおりである。まず、触媒担持粉末Cと、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)とFEP分散液(54質量%、三井・デュポンフロロケミカル製、FEP120−J)とを混合して、触媒層用ペーストを調製した。そして、この触媒層用ペーストを高分子フィルム上に塗布した後、乾燥してカソード触媒層Cを形成した。カソードの触媒層に含まれるFEPの割合は20質量%とした。 Next, a catalyst layer paste was prepared by mixing the catalyst-supporting powder C, a liquid, and a water-repellent resin, and a catalyst layer was formed using the catalyst layer paste. The method is as follows. First, catalyst-supporting powder C, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and FEP dispersion (54% by mass, manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical, FEP120-J) are mixed to prepare a catalyst layer paste. did. Then, the catalyst layer paste was applied on a polymer film and then dried to form a cathode catalyst layer C. The proportion of FEP contained in the cathode catalyst layer was 20% by mass.
得られたカソード触媒層Cの組成は、Nafion:炭素材料:FEP:Pt=0.40:1.00:0.42:0.28(質量比)であり、カソード触媒層に含まれるFEP(撥水性樹脂)の割合Xは20質量%であった。 The composition of the obtained cathode catalyst layer C was Nafion: carbon material: FEP: Pt = 0.40: 1.00: 0.42: 0.28 (mass ratio), and the FEP contained in the cathode catalyst layer ( The ratio X of the water repellent resin was 20% by mass.
また、カソード触媒層Cと同様にしてアノード触媒層Dを作製した。ただし、得られたアノード触媒層Dの組成は、Nafion:炭素材料:FEP:Pt=0.40:1.00:0.18:0.22(質量比)であり、アノード触媒層に含まれるFEP(撥水性樹脂)の割合Yは10質量%であった。 Further, an anode catalyst layer D was produced in the same manner as the cathode catalyst layer C. However, the composition of the obtained anode catalyst layer D is Nafion: carbon material: FEP: Pt = 0.40: 1.00: 0.18: 0.22 (mass ratio) and is included in the anode catalyst layer. The ratio Y of FEP (water repellent resin) was 10% by mass.
カソード触媒層Cとアノード触媒Dとを用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例31の膜/電極接合体およびそれを用いたPEFCを作製した。この膜/電極接合体においてY/Xは0.5である。 A membrane / electrode assembly of Example 31 and a PEFC using the same were prepared in the same manner as in Example 1 except that the cathode catalyst layer C and the anode catalyst D were used. In this membrane / electrode assembly, Y / X is 0.5.
そして、実施例1と同じ条件で、PEFCの作動電圧の経時変化を測定し、1時間当たりの作動電圧の低下率を求め、また、電圧−電流特性を測定した。その結果、1時間当たりの作動電圧の低下率は11μV/hであり、また、電流密度が500mA/cm2における作動電圧は672mVとなり、実施例8の場合と同様の結果が得られた。 And the time-dependent change of the working voltage of PEFC was measured on the same conditions as Example 1, the decreasing rate of the working voltage per hour was calculated | required, and the voltage-current characteristic was measured. As a result, the rate of decrease in operating voltage per hour was 11 μV / h, and the operating voltage at a current density of 500 mA / cm 2 was 672 mV. The same results as in Example 8 were obtained.
したがって、カソード触媒層およびアノード触媒層の製造方法が異なった場合でも、Y/X<1で、カソードの触媒層に含まれるFEPの割合が20質量%の場合に、高い作動電圧および作動電圧の低下率が小さいPEFCが得られることがわかった。 Therefore, even when the manufacturing method of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is different, when Y / X <1 and the ratio of FEP contained in the cathode catalyst layer is 20% by mass, a high operating voltage and an operating voltage of It was found that a PEFC with a small reduction rate can be obtained.
なお、データを省略するが、撥水性樹脂として、FEPの代わりにPTFE、PVdF、PVF、PFA、PCTFE、ECTFEおよびETFEを用いた場合も、実施例1と同様の結果が得られた。 Although data is omitted, the same results as in Example 1 were obtained when PTFE, PVdF, PVF, PFA, PCTFE, ECTFE, and ETFE were used as the water repellent resin instead of FEP.
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