JP2024175880A - Catalyst ink for fuel battery electrode - Google Patents
Catalyst ink for fuel battery electrode Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024175880A JP2024175880A JP2023093959A JP2023093959A JP2024175880A JP 2024175880 A JP2024175880 A JP 2024175880A JP 2023093959 A JP2023093959 A JP 2023093959A JP 2023093959 A JP2023093959 A JP 2023093959A JP 2024175880 A JP2024175880 A JP 2024175880A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst
- ionomer
- catalyst ink
- solvent
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】電極のひび割れを抑制できる燃料電池電極用の触媒インクを提供する。
【解決手段】燃料電池電極用の触媒インクであって、担体及び前記担体に担持された触媒金属を含む触媒粒子と、高酸素透過性を有し、且つ、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、前記触媒粒子および前記アイオノマーを分散させる分散用溶媒と、を含み、前記分散用溶媒が、Rohrschneiderの極性パラメータが5.1以上の極性溶媒であるか、又は、前記極性溶媒を70%以上の配合割合で含む混合溶媒である、ことを特徴とする触媒インク。
【選択図】図1
The present invention provides a catalyst ink for fuel cell electrodes that can suppress cracking of the electrodes.
[Solution] A catalyst ink for fuel cell electrodes, comprising: catalyst particles including a carrier and a catalytic metal supported on the carrier; an ionomer having high oxygen permeability and proton conductivity; and a dispersion solvent for dispersing the catalyst particles and the ionomer, wherein the dispersion solvent is a polar solvent having a Rohrschneider polarity parameter of 5.1 or more, or a mixed solvent containing the polar solvent in a blend ratio of 70% or more.
[Selected Figure] Figure 1
Description
本開示は、燃料電池電極用の触媒インクに関する。 This disclosure relates to catalyst inks for fuel cell electrodes.
燃料電池(FC)について様々な研究がなされている。特許文献1では、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、触媒担持粒子及びアイオノマーを分散させる分散用溶媒と、を含み、触媒担持粒子の単位比表面積当たりのアイオノマーの吸着量が、0.1(mg/m2)以上とすることで、燃料電池の電極に発生するひび割れを抑制する燃料電池の電極を製造するために用いられる触媒インクが開示されている。 Various studies have been conducted on fuel cells (FCs). Patent Document 1 discloses a catalyst ink used for manufacturing fuel cell electrodes, which includes catalyst-supported particles, which are particles supporting a catalyst, an ionomer having proton conductivity, and a dispersion solvent for dispersing the catalyst-supported particles and the ionomer, and which is used to suppress cracks occurring in the electrodes of the fuel cell by setting the amount of ionomer adsorption per unit specific surface area of the catalyst-supported particles to 0.1 (mg/m 2 ) or more.
プロトン伝導性を有するアイオノマーの代わりに高酸素透過性を有するアイオノマーを使用することが考えられるが、高酸素透過性を有するアイオノマーは触媒インク中でカーボン等の担体への吸着量が少なく、担体表面が露出するため、高酸素透過性を有するアイオノマーを使用した場合、電極にひび割れを生じ、電解質膜の劣化を促進させ燃料電池の耐久性を悪化させる。 It is possible to use an ionomer with high oxygen permeability instead of an ionomer with proton conductivity, but since an ionomer with high oxygen permeability has a low adsorption amount to a carrier such as carbon in the catalyst ink and the carrier surface is exposed, if an ionomer with high oxygen permeability is used, cracks will occur in the electrode, accelerating the deterioration of the electrolyte membrane and reducing the durability of the fuel cell.
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、溶媒とアイオノマーの親和性を下げることができ、アイオノマーの担体への吸着量を向上させ、電極のひび割れを抑制できる燃料電池電極用の触媒インクを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and has as its main objective the provision of a catalyst ink for fuel cell electrodes that can reduce the affinity between the solvent and the ionomer, improve the amount of ionomer adsorbed onto the carrier, and suppress cracking of the electrode.
本開示においては、以下の特徴を有する燃料電池電極用の触媒インクを提供する。
燃料電池電極用の触媒インクであって、
担体及び前記担体に担持された触媒金属を含む触媒粒子と、
高酸素透過性を有し、且つ、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒粒子および前記アイオノマーを分散させる分散用溶媒と、を含み、
前記分散用溶媒が、Rohrschneiderの極性パラメータが5.1以上の極性溶媒であるか、又は、前記極性溶媒を70%以上の配合割合で含む混合溶媒である、ことを特徴とする触媒インク。
The present disclosure provides a catalyst ink for a fuel cell electrode having the following characteristics:
A catalyst ink for a fuel cell electrode, comprising:
A catalyst particle including a support and a catalytic metal supported on the support;
An ionomer having high oxygen permeability and proton conductivity;
A dispersion solvent for dispersing the catalyst particles and the ionomer,
Catalyst ink characterized in that the dispersion solvent is a polar solvent having a Rohrschneider polarity parameter of 5.1 or more, or a mixed solvent containing the polar solvent in a blending ratio of 70% or more.
本開示においては、前記アイオノマーは単位構造中に5員環を有していてもよい。 In the present disclosure, the ionomer may have a five-membered ring in the unit structure.
本開示においては、前記極性溶媒は、水、ジメチルスルホキシド、エチレングリコール、アセトニトリル及びアセトンからなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。 In the present disclosure, the polar solvent may be at least one selected from the group consisting of water, dimethyl sulfoxide, ethylene glycol, acetonitrile, and acetone.
本開示においては、前記極性溶媒は、水及びエチレングリコールの内の少なくとも一方であってもよい。 In the present disclosure, the polar solvent may be at least one of water and ethylene glycol.
本開示においては、前記担体の比表面積が40~1600m2/gであってもよい。 In the present disclosure, the specific surface area of the support may be from 40 to 1600 m 2 /g.
本開示は、電極のひび割れを抑制できる燃料電池電極用の触媒インクを提供することができる。 This disclosure can provide a catalyst ink for fuel cell electrodes that can suppress electrode cracking.
以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄(例えば、本開示を特徴付けない燃料電池電極用の触媒インクの一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
本明細書において数値範囲を示す「~」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described. Note that matters other than those specifically mentioned in this specification and necessary for implementing the present disclosure (for example, the general configuration and manufacturing process of a catalyst ink for a fuel cell electrode that does not characterize the present disclosure) can be understood as design matters of a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present disclosure can be implemented based on the contents disclosed in this specification and the technical common sense in the field.
In this specification, the use of "to" indicating a range of values means that the values before and after it are included as the lower limit and upper limit.
Furthermore, any combination of upper and lower limits in a numerical range can be used.
本開示においては、以下の特徴を有する燃料電池電極用の触媒インクを提供する。
燃料電池電極用の触媒インクであって、
担体及び前記担体に担持された触媒金属を含む触媒粒子と、
高酸素透過性を有し、且つ、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒粒子および前記アイオノマーを分散させる分散用溶媒と、を含み、
前記分散用溶媒が、Rohrschneiderの極性パラメータが5.1以上の極性溶媒であるか、又は、前記極性溶媒を70%以上の配合割合で含む混合溶媒である、ことを特徴とする触媒インク。
The present disclosure provides a catalyst ink for a fuel cell electrode having the following characteristics:
A catalyst ink for a fuel cell electrode, comprising:
A catalyst particle including a support and a catalytic metal supported on the support;
An ionomer having high oxygen permeability and proton conductivity;
A dispersion solvent for dispersing the catalyst particles and the ionomer,
Catalyst ink characterized in that the dispersion solvent is a polar solvent having a Rohrschneider polarity parameter of 5.1 or more, or a mixed solvent containing the polar solvent in a blending ratio of 70% or more.
特許文献1に用いられるプロトン伝導性を有するアイオノマーを高酸素透過性を有するアイオノマーに変更すると、電極にひび割れを生じさせる。電極のひびは、電解質膜の劣化を促進させ燃料電池の耐久性を悪化させる。
アイオノマーのカーボン等の担体への吸着量低下により、担体同士が凝集する。担体表面にアイオノマーが吸着していると、静電気的反発や立体障害効果で担体の凝集が抑制されるが、高酸素透過性を有するアイオノマーは担体への吸着量が著しく少ないため、担体表面が露出することで担体同士が凝集しやすくなる。
本開示では、触媒インクの分散用溶媒をRohrschneiderの極性パラメータが5.1以上の極性溶媒であるか、又は、前記極性溶媒を70%以上の配合割合で含む混合溶媒とする。これにより、溶媒とアイオノマーの親和性を下げることでアイオノマーの担体への吸着量を向上させることができ、高酸素透過性を有するアイオノマーを用いた電極に発生するひび割れを抑制することができる。なお、本開示においては、アイオノマーが吸着する対象である担体は、担体単独、及び、触媒金属を担持した担体(触媒金属担持担体)のいずれであってもよい。
If the ionomer having proton conductivity used in Patent Document 1 is changed to an ionomer having high oxygen permeability, cracks will occur in the electrodes. The cracks in the electrodes accelerate the deterioration of the electrolyte membrane and deteriorate the durability of the fuel cell.
The carriers aggregate due to a decrease in the amount of ionomer adsorbed to the carrier such as carbon. When ionomer is adsorbed to the carrier surface, carrier aggregation is suppressed by electrostatic repulsion and steric hindrance effects, but since the amount of ionomer with high oxygen permeability adsorbed to the carrier is significantly small, the carrier surface is exposed and carriers tend to aggregate.
In the present disclosure, the dispersion solvent for the catalyst ink is a polar solvent having a Rohrschneider polarity parameter of 5.1 or more, or a mixed solvent containing the polar solvent at a blending ratio of 70% or more. This reduces the affinity between the solvent and the ionomer, thereby improving the amount of ionomer adsorbed to the carrier, and suppressing cracks that occur in electrodes using an ionomer with high oxygen permeability. In the present disclosure, the carrier to which the ionomer is adsorbed may be either a carrier alone or a carrier carrying a catalytic metal (catalytic metal-supported carrier).
本開示の触媒インクは、触媒粒子と、アイオノマーと、分散用溶媒と、を含む。 The catalyst ink of the present disclosure includes catalyst particles, an ionomer, and a dispersion solvent.
触媒粒子(触媒金属担持担体)は、担体及び前記担体に担持された触媒金属を含む。
触媒金属としては、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、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、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、及び、イットリウム等の金属が挙げられ、これらの金属を2種類以上用いてもよい。また、金属は酸化物、窒化物、硫化物、及び、リン化物等であってもよい。
触媒金属は、白金、及び、白金合金等であってもよい。
白金合金に含まれる、白金以外の金属は、例えば、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、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、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、及び、イットリウム等の金属が挙げられ、これらの金属を2種類以上含んでいてもよい。触媒金属は、白金、白金-コバルト合金、及び、白金-ニッケル合金等であってもよい。
触媒金属は、形状が粒子状である触媒金属粒子であってもよい。
触媒金属粒子の粒径は、特に限定されないが、1nm以上100nm以下であってもよい。
触媒金属は、担体に担持される。
The catalyst particles (catalytic metal-supporting carrier) include a carrier and a catalytic metal supported on the carrier.
Examples of the catalytic metal include platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, gadolinium, and yttrium, and two or more of these metals may be used. The metal may also be an oxide, nitride, sulfide, phosphide, or the like.
The catalytic metal may be platinum, platinum alloys, and the like.
Examples of metals other than platinum contained in the platinum alloy include ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, gadolinium, and yttrium, and two or more of these metals may be contained. The catalyst metal may be platinum, a platinum-cobalt alloy, a platinum-nickel alloy, and the like.
The catalytic metal may be catalytic metal particles that are particulate in shape.
The particle size of the catalytic metal particles is not particularly limited, but may be from 1 nm to 100 nm.
The catalytic metal is supported on a support.
本開示において触媒粒子の粒径とは、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定により測定される体積基準のメディアン径(D50)の値である。また、本開示においてメディアン径(D50)とは、粒径の小さい順に粒子を並べた場合に、粒子の累積体積が全体の体積の半分(50%)となる径(体積平均径)である。 In this disclosure, the particle size of the catalyst particles refers to the volume-based median diameter (D50) value measured by laser diffraction/scattering particle size distribution measurement. In addition, in this disclosure, the median diameter (D50) refers to the diameter (volume average diameter) at which the cumulative volume of the particles is half (50%) of the total volume when the particles are arranged in order of decreasing particle size.
担体は、形状が粒子状である担体粒子である。
担体は、1次粒子であってもよく2次粒子であってもよい。
担体は、触媒金属を担持する。
触媒金属を担体に担持させる方法は、特に限定されず、従来公知の方法を適宜採用することができる。
担体は、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ローラーブラック、ディスクブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、活性炭、黒鉛、グラッシーカーボン、グラフェン、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、窒化カーボン、硫黄化カーボン、及び、リン化カーボン、またはこれらの内少なくとも2種類を含む混合物等であってもよい。
The carrier is a carrier particle that is particulate in shape.
The carrier may be either a primary particle or a secondary particle.
The support supports a catalytic metal.
The method for supporting the catalytic metal on the carrier is not particularly limited, and any conventionally known method can be appropriately adopted.
The support may be acetylene black, ketjen black, channel black, roller black, disc black, oil furnace black, gas furnace black, lamp black, thermal black, activated carbon, graphite, glassy carbon, graphene, carbon fiber, carbon nanotubes, carbon nitride, carbon sulfide, and carbon phosphide, or a mixture containing at least two of these.
担体の比表面積が、40~1600m2/gであってもよい。
本開示において比表面積は、BET法により測定されるBET比表面積である。
The support may have a specific surface area of 40 to 1600 m 2 /g.
In this disclosure, the specific surface area is a BET specific surface area measured by the BET method.
担体の粒径は、30~1000nmであってもよい。
本開示の担体においては、電子顕微鏡により100~1000個の粒子の円相当径を粒径として算出し、これらの平均粒径を粒子の粒径としてもよい。担体粒子の粒径は3D-TEM等で測定することができる。
The particle size of the carrier may be from 30 to 1000 nm.
In the carrier of the present disclosure, the equivalent circle diameters of 100 to 1000 particles are calculated as the particle diameter using an electron microscope, and the average particle diameter of these may be used as the particle diameter of the particles. The particle diameter of the carrier particles can be measured using a 3D-TEM or the like.
アイオノマーは、高酸素透過性を有し、且つ、プロトン伝導性を有する。
触媒インク中に含まれるアイオノマーの量は、1質量%以上10質量%未満であってもよい。
Ionomers have high oxygen permeability and proton conductivity.
The amount of ionomer contained in the catalyst ink may be equal to or greater than 1% by weight and less than 10% by weight.
アイオノマーの数平均分子量Mnは、特に限定されるものではないが、化学的安定性と触媒層強度確保との観点から、5,000~100,000であってもよく、20,000~50,000であってもよい。 The number average molecular weight Mn of the ionomer is not particularly limited, but may be 5,000 to 100,000, or 20,000 to 50,000, from the viewpoint of ensuring chemical stability and catalyst layer strength.
アイオノマーの、温度80℃及び相対湿度30%の環境における酸素透過性は、2.0×10-14mol/m/sec/Pa以上であってもよい。酸素透過性が前記下限値以上であれば、アイオノマーは高酸素透過性を有する。酸素透過性の上限は特に限定されるものではないが、ガス透過性過剰によって乾きやすくなる観点から5.0×10-14mol/m/sec/Pa以下であってもよい。
酸素透過性は、例えば、電解質樹脂を厚さ0.2ミリメートル程度の薄い膜状にキャスト成型し、マイクロPt電極を用いたリニアスイープボルタンメトリー法(LSV法)を用いて測定することができる。
The oxygen permeability of the ionomer in an environment of a temperature of 80° C. and a relative humidity of 30% may be 2.0×10 −14 mol/m/sec/Pa or more. If the oxygen permeability is equal to or greater than the lower limit, the ionomer has high oxygen permeability. The upper limit of the oxygen permeability is not particularly limited, but may be 5.0×10 −14 mol/m/sec/Pa or less from the viewpoint that excessive gas permeability may cause the ionomer to dry out easily.
The oxygen permeability can be measured, for example, by casting the electrolyte resin into a thin film having a thickness of about 0.2 mm and subjecting it to linear sweep voltammetry (LSV) using a micro Pt electrode.
アイオノマーはスルホン酸基等のプロトン伝導性基を有していてもよい。アイオノマーは、触媒層全体でのイオン伝導性の観点から、プロトン伝導性基(例えば、スルホン酸基)の当量重量を示すEW(Equivalent Weight;単位「g/mol」)が、1500g/mol以下であってもよく、1200g/mol以下であってもよく、1000g/mol以下であってもよい。ここで、前記プロトン伝導性基の当量重量とは、アイオノマーの総質量に対するプロトン伝導性基の乾燥重量を意味する。また、触媒層全体における親水性の観点から水の移動性を考慮すると、アイオノマーのEWの下限は、500g/mol以上であってもよく、600g/mol以上であってもよく、700g/mol以上であってもよい。プロトン伝導性基の乾燥重量は、例えば、NaOH水溶液を用いた逆滴定等公知の方法によって測定することができる。 The ionomer may have a proton-conducting group such as a sulfonic acid group. From the viewpoint of ion conductivity in the entire catalyst layer, the ionomer may have an equivalent weight (EW; unit "g/mol") of the proton-conducting group (e.g., sulfonic acid group) of 1500 g/mol or less, 1200 g/mol or less, or 1000 g/mol or less. Here, the equivalent weight of the proton-conducting group means the dry weight of the proton-conducting group relative to the total mass of the ionomer. In addition, considering the mobility of water from the viewpoint of hydrophilicity in the entire catalyst layer, the lower limit of the EW of the ionomer may be 500 g/mol or more, 600 g/mol or more, or 700 g/mol or more. The dry weight of the proton-conducting group can be measured by a known method such as back titration using an aqueous NaOH solution.
高酸素透過性を有するアイオノマーは、単位構造中に5員環を有していてもよい。高酸素透過性を有するアイオノマーとしては、例えば、下記式(1)で表される単位構造を有するアイオノマーが挙げられる。 Ionomers with high oxygen permeability may have a five-membered ring in the unit structure. Examples of ionomers with high oxygen permeability include ionomers having a unit structure represented by the following formula (1).
(式(1)中、R1~R4は、それぞれ独立して、F、又は、炭素数1~10のパーフルオロアルキル基を示し、A1は、なし、F、SO3H、又は、SO2-NH-SO2-A2を示す。A2は、炭素数1~10のパーフルオロアルキル基、(CF2)a-SO2-NH-SO2R5、又は(CF2)b-SO3Hを示す。R5は、炭素数1~10のパーフルオロアルキル基を示し、aは、1~10の整数、bは1~10の整数を示す。) (In formula (1), R 1 to R 4 each independently represent F or a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms; A 1 represents none, F, SO 3 H, or SO 2 -NH-SO 2 -A 2 ; A 2 represents a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, (CF 2 ) a -SO 2 -NH-SO 2 R 5 , or (CF 2 ) b -SO 3 H; R 5 represents a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms; a represents an integer from 1 to 10; and b represents an integer from 1 to 10.)
なお、前記式(1)で表される単位構造を有するアイオノマーは、A1を有さない場合など前記式(1)において酸基を有さない場合には、他に酸基等のプロトン伝導性基を含む構造単位を有する。高酸素透過性を有するアイオノマーとしては、具体的には、例えば、下記式(2)で表される単位構造を有するアイオノマーが挙げられる。 In addition, when the ionomer having the unit structure represented by the formula (1) does not have an acid group in the formula (1), such as when it does not have A 1 , it has a structural unit containing a proton conductive group such as an acid group. Specific examples of ionomers having high oxygen permeability include ionomers having a unit structure represented by the following formula (2).
分散用溶媒は、前記触媒粒子および前記アイオノマーを分散させる。
分散用溶媒は、Rohrschneiderの極性パラメータP’が5.1以上の極性溶媒であるか、又は、前記極性溶媒を70%以上の配合割合で含む混合溶媒である。
極性溶媒は、水(P’=10.2)、ジメチルスルホキシド(P’=7.2)、エチレングリコール(P’=6.9)、アセトニトリル(P’=5.8)及びアセトン(P’=5.1)からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよく、水及びエチレングリコールの内の少なくとも一方であってもよい。
Rohrschneiderの極性パラメータが5.1未満の溶媒としては、エタノール(P’=4.3)、n-プロパノール(P’=4)、イソプロピルアルコール(P’=3.9)等が挙げられる。分散用溶媒は、Rohrschneiderの極性パラメータが5.1未満の溶媒を30%以下の配合割合で含んでいてもよい。
The dispersion solvent disperses the catalyst particles and the ionomer.
The dispersion solvent is a polar solvent having a Rohrschneider polarity parameter P' of 5.1 or more, or a mixed solvent containing the polar solvent in a blending ratio of 70% or more.
The polar solvent may be at least one selected from the group consisting of water (P'=10.2), dimethyl sulfoxide (P'=7.2), ethylene glycol (P'=6.9), acetonitrile (P'=5.8) and acetone (P'=5.1), or may be at least one of water and ethylene glycol.
Examples of solvents having a Rohrschneider polarity parameter of less than 5.1 include ethanol (P' = 4.3), n-propanol (P' = 4), isopropyl alcohol (P' = 3.9), etc. The dispersion solvent may contain a solvent having a Rohrschneider polarity parameter of less than 5.1 in a blending ratio of 30% or less.
本開示の触媒インクは、燃料電池電極用であり、具体的には燃料電池の電極の触媒層に用いられる。
本開示の触媒層は、本開示の触媒粒子を含む。
本開示の触媒層は、カソード触媒層であってもよいし、アノード触媒層であってもよいし、カソード触媒層及びアノード触媒層の両方であってもよい。
The catalyst ink of the present disclosure is for use in a fuel cell electrode, and more specifically, is used in the catalyst layer of a fuel cell electrode.
The catalyst layer of the present disclosure comprises the catalyst particles of the present disclosure.
The catalyst layer of the present disclosure may be a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, or both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer.
[触媒層の製造]
本開示の触媒層は、触媒インクを基材に塗工して形成する。触媒インクを基材上に塗工した後、触媒インク中の分散用溶媒を除去してもよい。分散用溶媒は、基材上に塗工した後の触媒インクを加温し、乾燥して除去してもよい。
[Production of catalyst layer]
The catalyst layer of the present disclosure is formed by applying a catalyst ink to a substrate. After applying the catalyst ink to the substrate, the dispersion solvent in the catalyst ink may be removed. The dispersion solvent may be removed by heating and drying the catalyst ink after it has been applied to the substrate.
触媒インクは、触媒粒子、担体、アイオノマー、及び、分散用溶媒を含む原料混合物を分散させることにより得てもよい。原料混合物を分散させる方法は、例えば、超音波ホモジナイザー、ジェットミル、ビーズミル等のボールミル、ハイシェアー、フィルミックス等を用いる方法等であってもよい。分散時間等の分散条件は、特に限定されず、適宜設定することができる。 The catalyst ink may be obtained by dispersing a raw material mixture containing catalyst particles, a carrier, an ionomer, and a dispersion solvent. The raw material mixture may be dispersed, for example, by using an ultrasonic homogenizer, a jet mill, a ball mill such as a bead mill, a high shear, a filmix, or the like. Dispersion conditions such as dispersion time are not particularly limited and can be set appropriately.
基材は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げられる。 Examples of the substrate include polytetrafluoroethylene (PTFE).
塗工方法は、例えば、ダイコート法、スピンコート法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スプレーコート法、及び、アプリケーター法等が挙げられる。塗工時の触媒インクの加温速度や加温時間は、分散用溶媒種等によって適宜設定することができる。また、加温と同時に脱気することで分散用溶媒の除去速度を上げてもよい。
触媒層の塗工膜厚は、2.0~30μmであってもよい。
Examples of the coating method include die coating, spin coating, screen printing, doctor blade, squeegee, spray coating, and applicator. The heating speed and heating time of the catalyst ink during coating can be appropriately set depending on the type of dispersion solvent, etc. In addition, the removal speed of the dispersion solvent may be increased by degassing at the same time as heating.
The coating thickness of the catalyst layer may be from 2.0 to 30 μm.
燃料電池は、単セルを1つのみ有するものであってもよく、単セルを複数個積層した燃料電池スタックであってもよい。
本開示においては、単セル及び燃料電池スタックのいずれも燃料電池と称する場合がある。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、2~数百個であってもよい。
The fuel cell may have only one unit cell, or may be a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked.
In this disclosure, both the single cell and the fuel cell stack may be referred to as a fuel cell.
The number of stacked unit cells is not particularly limited, and may be, for example, from 2 to several hundred.
単セルは、少なくとも膜電極ガス拡散層接合体を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
The single cell comprises at least a membrane electrode gas diffusion layer assembly.
The membrane electrode gas diffusion layer assembly has, in this order, an anode gas diffusion layer, an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and a cathode gas diffusion layer.
カソード(酸化剤極)は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード及びアノードをまとめて電極と称する。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
The cathode (oxidant electrode) includes a cathode catalyst layer and a cathode-side gas diffusion layer.
The anode (fuel electrode) includes an anode catalyst layer and an anode-side gas diffusion layer.
The cathode and anode are collectively referred to as the electrodes.
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are collectively referred to as catalyst layers.
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
The cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer are collectively referred to as a gas diffusion layer.
The gas diffusion layer may be a gas-permeable conductive member or the like.
Examples of the conductive member include porous carbon materials such as carbon cloth and carbon paper, and porous metal materials such as metal mesh and foamed metal.
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。 The electrolyte membrane may be a solid polymer electrolyte membrane. Examples of the solid polymer electrolyte membrane include fluorine-based electrolyte membranes such as a thin film of perfluorosulfonic acid containing water, and hydrocarbon-based electrolyte membranes. The electrolyte membrane may be, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont).
単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを備えてもよい。2枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷却媒体等の流体を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等のマニホールドを構成する孔を有していてもよい。
冷却媒体としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。また、冷却媒体としては、冷却用の空気を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷却媒体供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷却媒体排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷却媒体流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
The single cell may include two separators that sandwich both sides of the membrane electrode gas diffusion layer assembly as necessary. One of the two separators is an anode-side separator, and the other is a cathode-side separator. In the present disclosure, the anode-side separator and the cathode-side separator are collectively referred to as separators.
The separator may have holes forming manifolds such as supply holes and exhaust holes for passing fluids such as reactant gases and cooling media in the stacking direction of the unit cells.
As the cooling medium, for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used to prevent freezing at low temperatures, and cooling air can also be used.
Examples of the supply hole include a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, and a coolant supply hole.
Examples of the exhaust hole include a fuel gas exhaust hole, an oxidant gas exhaust hole, and a coolant exhaust hole.
The separator may have a reactant gas flow path on the surface in contact with the gas diffusion layer, and may have a coolant flow path on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer for maintaining a constant temperature of the fuel cell.
The separator may be a gas-impermeable conductive material. The conductive material may be, for example, dense carbon made by compressing carbon to make it gas-impermeable, or a press-formed metal (e.g., iron, aluminum, stainless steel, etc.). The separator may also have a current collecting function.
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであり、空気(エア)等であってもよい。 In this disclosure, the fuel gas and the oxidant gas are collectively referred to as reactant gases. The reactant gas supplied to the anode is the fuel gas, and the reactant gas supplied to the cathode is the oxidant gas. The fuel gas is a gas that mainly contains hydrogen and may be hydrogen. The oxidant gas is a gas that contains oxygen and may be air, etc.
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、燃料ガス入口マニホールド、酸化剤ガス入口マニホールド、及び、冷却媒体入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、燃料ガス出口マニホールド、酸化剤ガス出口マニホールド、及び、冷却媒体出口マニホールド等が挙げられる。
The fuel cell stack may have manifolds, such as an inlet manifold to which the supply holes communicate, and an outlet manifold to which the exhaust holes communicate.
Examples of the inlet manifold include a fuel gas inlet manifold, an oxidant gas inlet manifold, and a coolant inlet manifold.
Examples of the outlet manifold include a fuel gas outlet manifold, an oxidant gas outlet manifold, and a coolant outlet manifold.
(実施例1~7、比較例1~3)
表1に示す溶媒を表1に示す配合割合で含む分散用溶媒を準備した。
(Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 3)
A dispersion solvent containing the solvents shown in Table 1 in the blending ratios shown in Table 1 was prepared.
(A)比表面積が40m2/gであるカーボン担体粒子を用いた場合
比表面積が40m2/gであるカーボン担体粒子に触媒金属粒子を担持させた触媒粒子(触媒金属担持カーボン担体A)と、高酸素透過性を有し、且つ、プロトン伝導性を有するアイオノマーとして上記式(2)で表される単位構造を有するアイオノマーと、を準備した。アイオノマーの密度ρは、1.93g/cm3、数平均分子量Mnは、39000、EWは、735g/mol、電気伝導率σHが0.10S/cm、温度80℃及び相対湿度30%の環境における酸素透過性が2.7×10-14mol/m/sec/Paであった。
そして、上記触媒粒子及びアイオノマーを分散用溶媒に分散させ、実施例1~7、比較例1~3の各触媒インクAを準備した。
各触媒インクAを各基材に塗工して触媒層Aを形成した。触媒層Aを2つ準備し、一方をカソード触媒層として用い、もう一方をアノード触媒層として用いた、膜電極ガス拡散層接合体を備える燃料電池Aを準備した。
(A) In the case of using carbon support particles with a specific surface area of 40 m 2 /g , catalyst particles (catalyst metal-supported carbon support A) in which catalyst metal particles are supported on carbon support particles with a specific surface area of 40 m 2 /g, and an ionomer having a unit structure represented by the above formula (2) as an ionomer having high oxygen permeability and proton conductivity were prepared. The ionomer had a density ρ of 1.93 g/cm 3 , a number average molecular weight Mn of 39,000, an EW of 735 g/mol, an electrical conductivity σ H of 0.10 S/cm, and an oxygen permeability of 2.7×10 -14 mol/m/sec/Pa in an environment at a temperature of 80° C. and a relative humidity of 30%.
The catalyst particles and ionomer were then dispersed in a dispersion solvent to prepare catalyst inks A for each of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3.
Each catalyst ink A was applied to each substrate to form a catalyst layer A. Two catalyst layers A were prepared, one of which was used as a cathode catalyst layer and the other was used as an anode catalyst layer to prepare a fuel cell A equipped with a membrane electrode gas diffusion layer assembly.
[評価A]
触媒インクAについて、触媒インクA中の触媒金属担持カーボン担体Aの単位比表面積当たりのアイオノマーの吸着量を測定した。触媒金属担持カーボン担体Aの単位比表面積当たりのアイオノマーの吸着量は、特許文献1に記載の方法に基づいて測定した。
また、触媒層Aについて、ひび割れの程度を評価した。ひび割れは、マイクロスコープにより観察された触媒層のひび割れの量、大きさを目視で○×判定した。ひび割れの量、大きさが大きいものを×、ひび割れの量、大きさが小さいものを△、ひび割れが無いか又はほとんど無いものを〇と判定した。
図1は、触媒層のひび割れの○×判定基準を示す画像であり、左が×判定画像、中央が△判定画像、右が〇判定画像である。
さらに、燃料電池Aについて、性能を評価した。性能は、所定の加速試験により燃料電池の発電時間とアノードとカソードの間のガスのリーク量から判定した。アノードとカソードの間のガスのリーク量が0.005MPa以上を閾値として、閾値以上となるまでの時間が、500時間未満を×、500時間以上1000時間未満を△、1000時間以上を〇と判定した。
これらの結果を表2に示す。
[Evaluation A]
For catalyst ink A, the amount of ionomer adsorption per unit specific surface area of catalytic metal-supported carbon support A in catalyst ink A was measured. The amount of ionomer adsorption per unit specific surface area of catalytic metal-supported carbon support A was measured based on the method described in Patent Document 1.
The degree of cracking was also evaluated for the catalyst layer A. The amount and size of cracks in the catalyst layer observed under a microscope were visually judged as ○ or ×. Large amounts and sizes of cracks were judged as ×, small amounts and sizes of cracks were judged as △, and no or almost no cracks were judged as ◯.
FIG. 1 is an image showing the criteria for judging whether a catalyst layer has cracks, with the image on the left being rated as "x," the image in the middle being rated as "△," and the image on the right being rated as "o."
Furthermore, the performance of fuel cell A was evaluated. The performance was judged from the power generation time of the fuel cell and the amount of gas leakage between the anode and the cathode in a specified accelerated test. The threshold value for the amount of gas leakage between the anode and the cathode was 0.005 MPa or more, and the time until the threshold value was reached was judged as x if it was less than 500 hours, △ if it was 500 hours or more but less than 1000 hours, and ◯ if it was 1000 hours or more.
The results are shown in Table 2.
(B)比表面積が1600m2/gであるカーボン担体粒子を用いた場合
比表面積が1600m2/gであるカーボン担体粒子に触媒金属粒子を担持させた触媒粒子(触媒金属担持カーボン担体B)と、高酸素透過性を有し、且つ、プロトン伝導性を有するアイオノマーとして上記式(2)で表される単位構造を有するアイオノマーと、を準備した。
そして、上記触媒粒子及びアイオノマーを分散用溶媒に分散させ、実施例1~7、比較例1~3の各触媒インクBを準備した。
各触媒インクBを各基材に塗工して触媒層Bを形成した。触媒層Bを2つ準備し、一方をカソード触媒層として用い、もう一方をアノード触媒層として用いた、膜電極ガス拡散層接合体を備える燃料電池Bを準備した。
(B) In the case of using carbon support particles with a specific surface area of 1600 m2 /g, catalyst particles (catalytic metal-supported carbon support B) in which catalytic metal particles are supported on carbon support particles with a specific surface area of 1600 m2/g, and an ionomer having a unit structure represented by the above formula (2) as an ionomer having high oxygen permeability and proton conductivity were prepared.
The catalyst particles and ionomer were then dispersed in a dispersion solvent to prepare catalyst inks B for each of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3.
Each catalyst ink B was applied to each substrate to form a catalyst layer B. Two catalyst layers B were prepared, one of which was used as a cathode catalyst layer and the other was used as an anode catalyst layer to prepare a fuel cell B equipped with a membrane electrode gas diffusion layer assembly.
[評価B]
触媒インクBについて、触媒インクB中の触媒金属担持カーボン担体Bの単位比表面積当たりのアイオノマーの吸着量を評価Aと同様の方法で測定した。
また、触媒層Bについて、ひび割れの程度を評価Aと同様の方法で評価した。
さらに、燃料電池Bについて、性能を評価Aと同様の方法で評価した。
これらの結果を表3に示す。
[Evaluation B]
For catalyst ink B, the amount of ionomer adsorbed per unit specific surface area of catalyst metal-loaded carbon support B in catalyst ink B was measured in the same manner as in evaluation A.
Further, for catalyst layer B, the degree of cracking was evaluated in the same manner as in evaluation A.
Furthermore, the performance of fuel cell B was evaluated in the same manner as in evaluation A.
The results are shown in Table 3.
表2~3に示すように、本開示では、溶媒とアイオノマーの親和性を下げることでアイオノマーの担体への吸着量を向上させることができ、高酸素透過性を有するアイオノマーを用いた電極に発生するひび割れを抑制することができることがわかる。 As shown in Tables 2 and 3, in this disclosure, it is possible to improve the amount of ionomer adsorbed onto the carrier by reducing the affinity between the solvent and the ionomer, and it is possible to suppress cracks that occur in electrodes using ionomers with high oxygen permeability.
Claims (5)
担体及び前記担体に担持された触媒金属を含む触媒粒子と、
高酸素透過性を有し、且つ、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒粒子および前記アイオノマーを分散させる分散用溶媒と、を含み、
前記分散用溶媒が、Rohrschneiderの極性パラメータが5.1以上の極性溶媒であるか、又は、前記極性溶媒を70%以上の配合割合で含む混合溶媒である、ことを特徴とする触媒インク。 A catalyst ink for a fuel cell electrode, comprising:
A catalyst particle including a support and a catalytic metal supported on the support;
An ionomer having high oxygen permeability and proton conductivity;
A dispersion solvent for dispersing the catalyst particles and the ionomer,
Catalyst ink characterized in that the dispersion solvent is a polar solvent having a Rohrschneider polarity parameter of 5.1 or more, or a mixed solvent containing the polar solvent in a blending ratio of 70% or more.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2023093959A JP2024175880A (en) | 2023-06-07 | 2023-06-07 | Catalyst ink for fuel battery electrode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2023093959A JP2024175880A (en) | 2023-06-07 | 2023-06-07 | Catalyst ink for fuel battery electrode |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024175880A true JP2024175880A (en) | 2024-12-19 |
Family
ID=93894384
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023093959A Pending JP2024175880A (en) | 2023-06-07 | 2023-06-07 | Catalyst ink for fuel battery electrode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2024175880A (en) |
-
2023
- 2023-06-07 JP JP2023093959A patent/JP2024175880A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7419740B2 (en) | Membrane electrode unit for polymer electrolyte fuel cells and a process for the production thereof | |
EP2750226B1 (en) | Electrode catalyst layer for fuel cells, electrode for fuel cells, membrane electrode assembly for fuel cells, and fuel cell | |
CN112993270B (en) | Catalyst, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly and fuel cell using the same | |
CN104094460A (en) | Electrode catalyst layer for fuel cells | |
JP5458503B2 (en) | Method for producing electrolyte membrane-electrode assembly | |
JP5298566B2 (en) | Membrane electrode assembly | |
JP5126812B2 (en) | Direct oxidation fuel cell | |
JP2008204664A (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell using it | |
WO2020022191A1 (en) | Cathode catalyst layer of fuel cell, and fuel cell | |
JP4846371B2 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including the same | |
JP2020057516A (en) | Electrode layer, membrane electrode assembly including the electrode layer, and fuel cell | |
KR20190136252A (en) | Catalyst ink for forming electrode catalyst layer of fuel cell and manufacturing method thereof | |
WO2017154475A1 (en) | Catalyst composition, method for producing polymer electrolyte membrane electrode assembly, and polymer electrolyte membrane electrode assembly | |
JP5672645B2 (en) | Electrocatalyst ink for fuel cell | |
US12095099B2 (en) | Catalyst layer and method for producing the same | |
JP2006019300A (en) | FUEL CELL ELECTRODE, FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL ELECTRODE | |
JP2017018909A (en) | Catalyst mixture, manufacturing method therefor, electrode catalyst layer using catalyst mixture, membrane electrode joint body and fuel cell | |
JP2024175880A (en) | Catalyst ink for fuel battery electrode | |
JP5204382B2 (en) | Cathode catalyst layer, membrane catalyst assembly, cathode gas diffusion electrode, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same | |
JP7207023B2 (en) | Catalyst ink and catalyst layer | |
US20240213498A1 (en) | Catalyst | |
JP2021190402A (en) | Catalyst ink | |
JP7327373B2 (en) | catalyst layer | |
JP2024114998A (en) | Catalyst layers for fuel cells | |
JP2024084234A (en) | Method for producing catalyst ink for fuel cells |