JP5515959B2 - Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子形燃料電池の単セルを構成する膜電極接合体とその製造方法に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly constituting a single cell of a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.
燃料電池は水素、酸素を燃料として、水の電気分解の逆反応を起こさせることにより電気を生み出す発電システムである。これは、従来の発電方式と比較して高効率、低環境負荷、低騒音といった特徴を持ち、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。中でも室温付近で使用可能な固体高分子形燃料電池は車載用電源や家庭用定置電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。 A fuel cell is a power generation system that generates electricity by using hydrogen and oxygen as fuel and causing reverse reaction of water electrolysis. This has features such as high efficiency, low environmental load and low noise compared with the conventional power generation method, and is attracting attention as a clean energy source in the future. In particular, polymer electrolyte fuel cells that can be used near room temperature are considered promising for use in in-vehicle power sources and household stationary power sources, and various research and development have been conducted in recent years.
燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度、ガス利用率、耐久性の向上、コスト削減などが挙げられる。出力密度、ガス利用率を向上させるためには、燃料ガス、プロトンの供給が十分であり、かつ触媒の電極中での酸化還元反応サイトの表面積をより大きくする必要がある。コスト削減のために最も要求されているのは、電極に触媒として使用されている白金の使用量の低減である。 Issues for the practical application of fuel cells include power density, gas utilization, improved durability, and cost reduction. In order to improve the power density and the gas utilization rate, it is necessary to supply fuel gas and proton sufficiently and to increase the surface area of the oxidation-reduction reaction site in the catalyst electrode. The most demanded for cost reduction is a reduction in the amount of platinum used as a catalyst for the electrode.
固体高分子形燃料電池は、一般的に、多数の単セルが積層されて構成されている。単セルは、酸化極(アノード)と還元極(カソード)の二つの電極で固体高分子電解質膜を挟んで接合した膜電極接合体を、ガス流路を有するセパレーターで挟んだ構造をしている。酸化極では水素ガスの酸化、還元極では水素イオンの還元がそれぞれ起こる。
この酸化還元反応は、電極内部において、電子伝導体であるカーボン粒子と、プロトン伝導体の両方に接し、かつ導入ガスが吸着しうる触媒の表面でのみ起こる。酸化還元反応が起こるこの部分は、三相界面と呼ばれている。この三相界面の面積が大きく、かつ三相界面へのプロトン、燃料ガスの供給パスを満足させることが、単セルの出力密度、ガス利用率の向上へとつながる。
In general, a polymer electrolyte fuel cell is configured by stacking a large number of single cells. A single cell has a structure in which a membrane / electrode assembly formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between two electrodes of an oxidation electrode (anode) and a reduction electrode (cathode) is sandwiched by a separator having a gas channel. . Oxidation of hydrogen gas occurs at the oxidation electrode, and reduction of hydrogen ions occurs at the reduction electrode.
This oxidation-reduction reaction occurs inside the electrode only on the surface of the catalyst that is in contact with both the carbon particles that are the electron conductor and the proton conductor and that can adsorb the introduced gas. This part where the redox reaction takes place is called the three-phase interface. The large area of the three-phase interface and satisfying the proton and fuel gas supply path to the three-phase interface lead to an improvement in the output density and gas utilization rate of the single cell.
このためには電極触媒層中のガスの拡散性や発生した水の排水性、プロトン伝導性高分子の含水率およびプロトン伝導性などを向上させる必要がある。また、三相界面ではないところに存在する白金触媒粒子は、電極の酸化還元反応に寄与しないため、全く機能しないことになる。白金使用量を低減させるためには、この機能しない白金の量をできるだけ減らし、使用した白金の有効利用率を高める必要がある。 For this purpose, it is necessary to improve the diffusibility of the gas in the electrode catalyst layer, the drainage of the generated water, the water content of the proton conductive polymer, the proton conductivity, and the like. In addition, platinum catalyst particles that are not located at the three-phase interface do not contribute to the oxidation-reduction reaction of the electrode, and thus do not function at all. In order to reduce the amount of platinum used, it is necessary to reduce the amount of platinum that does not function as much as possible and increase the effective utilization rate of the platinum used.
固体高分子形燃料電池の単セルを構成する膜電極接合体は、高分子電解質膜とその両面に配置された一対の電極触媒層とからなる。この電極触媒層は、従来、触媒担持カーボンとプロトン伝導性高分子と溶媒を混同したインクを各種塗布法やスクリーン印刷法などで基材上に形成することが多かった。この場合、塗工された触媒インクを乾燥させる際に触媒担持カーボンの凝集が起こりやすく、その結果、触媒とプロトン伝導性高分子との界面が減ったり、電極触媒層における空隙率が低下して燃料ガスの経路が遮断されたりして、セルの出力密度が低下するなどの傾向が見られた。 A membrane electrode assembly constituting a single cell of a polymer electrolyte fuel cell comprises a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers disposed on both sides thereof. In the past, this electrode catalyst layer has often been formed on a substrate by using various coating methods, screen printing methods, or the like, which are a mixture of catalyst-supporting carbon, proton conductive polymer, and solvent. In this case, agglomeration of the catalyst-supporting carbon is likely to occur when the coated catalyst ink is dried. As a result, the interface between the catalyst and the proton conductive polymer is reduced, and the porosity in the electrode catalyst layer is reduced. There was a tendency for the power density of the cells to decrease due to the fuel gas path being cut off.
そこで、触媒担持カーボンの凝集を防ぎ三相界面を増やすために凍結乾燥を用いる試みがなされている(たとえば、特許文献1〜3参照)。凍結乾燥は、水を含んだ材料を凍結し真空下で氷を昇華させることにより乾燥を行うもので、凍結乾燥後の材料は凍結した際の形状を保つことができ、従来は食品工業における保存食品製造や医学・薬学分野において利用されている乾燥方法である。 Thus, attempts have been made to use freeze-drying in order to prevent aggregation of the catalyst-supporting carbon and increase the three-phase interface (see, for example, Patent Documents 1 to 3). Freeze-drying is performed by freezing water-containing material and sublimating the ice under vacuum. The material after freeze-drying can maintain its shape when frozen, and is conventionally stored in the food industry. It is a drying method used in the food manufacturing and medical / pharmaceutical fields.
特許文献1は、触媒担持カーボンとプロトン伝導性高分子と溶媒を混合したインクを凍結乾燥した後に熱処理を行い粉砕して触媒層構成粉末を得、その粉末をシート化することで触媒層を得るものである。しかしながら、特許文献1による方法では、反応点は増大しても粉砕工程を経るためにプロトン伝導性高分子によるプロトン伝導パスの形成が不十分であり、プロトン伝導性の低下により触媒層抵抗が大きくなるために発電性能がそれほど伸びない。 Patent Document 1 discloses that a catalyst layer-constituting powder is obtained by freeze-drying an ink in which catalyst-supported carbon, proton conductive polymer, and a solvent are mixed, followed by heat treatment and pulverizing, and obtaining the catalyst layer by forming the powder into a sheet. Is. However, in the method according to Patent Document 1, since the pulverization process is performed even if the reaction point increases, formation of a proton conduction path by the proton conductive polymer is insufficient, and the catalyst layer resistance increases due to the decrease in proton conductivity. Therefore, the power generation performance does not increase so much.
また、特許文献2は、触媒担持カーボンとプロトン伝導性高分子と溶媒を混合したインクを凍結乾燥したものに溶媒を添加して再インク化し塗布することで触媒層を得るものである。特許文献2による方法では、再インク化の際の分散混合によりプロトン伝導性高分子の吸着が剥がれて触媒担持カーボンの凝集が起こったり、ガスチャネルとなる空孔が潰れたりして発電特性はやはりそれほど向上しない。
In
特許文献3は、触媒担持カーボンと水を混合攪拌した第1中間物を凍結乾燥し多孔質とした後、減圧下でナフィオン溶液を添加して、電極用ペーストとし、これを基材に塗布することにより電極触媒層を得るものである。特許文献3による方法では、触媒層の全領域で同様の頻度で触媒が存在するため、結果として使用されない触媒がでてくる。また、ペーストを基材に塗布して触媒層を形成する方法では、発生した水の排出性が十分ではなく、フラッディングによる電圧低下が懸念される。 In Patent Document 3, a first intermediate obtained by mixing and stirring catalyst-carrying carbon and water is freeze-dried to be porous, and then a Nafion solution is added under reduced pressure to form an electrode paste, which is applied to a substrate. Thus, an electrode catalyst layer is obtained. In the method according to Patent Document 3, since the catalyst is present at the same frequency in the entire region of the catalyst layer, a catalyst that is not used appears as a result. Moreover, in the method of forming a catalyst layer by applying a paste to a base material, the generated water is not sufficiently discharged, and there is a concern about voltage drop due to flooding.
本発明の課題は、固体高分子形燃料電池の単セルを構成する電極触媒層のガスチャネル、プロトン伝導パス、三相界面の全てを増大させ、電極触媒層中の触媒を有効に利用して発電効率を高めることである。 An object of the present invention is to increase all of the gas channel, proton conduction path, and three-phase interface of an electrode catalyst layer constituting a single cell of a polymer electrolyte fuel cell, and effectively use the catalyst in the electrode catalyst layer. It is to increase power generation efficiency.
上記課題を解決するために、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、高分子電解質膜とその両面に配置された一対の電極触媒層とからなり、板状で面内に複数のガス流路が形成されたセパレーターとともに固体高分子形燃料電池の単セルを構成する膜電極接合体であって、少なくともカソード側の前記電極触媒層は、下記の(a) 〜(c) 工程を順に有する方法で製造されたものであり、プロトン伝導性高分子からなる多孔膜の空孔に触媒担持カーボン粒子が吸着され、前記カーボン粒子の表面にプロトン伝導性高分子からなる層が形成された構造を有し、前記多孔膜の触媒密度が、前記ガス流路に対応する部分で他の部分より高いことを特徴とする。
前記ガス流路に対応する部分とは、セパレーターと電極触媒層が接触配置される場合は前記ガス流路と接触させる部分を指し、セパレーターと電極触媒層との間に介在物がある場合は、介在物を挟んで前記ガス流路と対向する部分などを指す。
In order to solve the above problems, a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers disposed on both sides thereof, and is in the form of a plate in the plane. A membrane electrode assembly constituting a single cell of a polymer electrolyte fuel cell together with a separator having a plurality of gas flow paths, wherein at least the electrode catalyst layer on the cathode side comprises the following (a) to (c) The catalyst-supported carbon particles are adsorbed in the pores of the porous membrane made of a proton conductive polymer, and a layer made of the proton conductive polymer is formed on the surface of the carbon particles. The catalyst density of the porous membrane is higher in the portion corresponding to the gas flow channel than in other portions.
The portion corresponding to the gas flow path refers to the portion that is in contact with the gas flow path when the separator and the electrode catalyst layer are in contact with each other, and when there are inclusions between the separator and the electrode catalyst layer, It refers to a portion facing the gas flow path with an inclusion interposed therebetween.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体によれば、少なくともカソード側の電極触媒層が、プロトン伝導性高分子からなる多孔膜の空孔に触媒担持カーボン粒子が吸着され、前記カーボン粒子の表面にプロトン伝導性高分子からなる層が形成された構造を有するため、少なくともカソード側の電極触媒層が前記構造を有さないものと比較して、ガスチャネル、プロトン伝導パス、三相界面の全てを増大させることができる。
また、少なくともカソード側の電極触媒層において、前記多孔膜の触媒密度が、反応ガスが届きやすい前記ガス流路に対応する部分で他の部分より高いため、発電効率が高くなる。
According to the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, at least the electrode catalyst layer on the cathode side adsorbs the catalyst-supporting carbon particles in the pores of the porous membrane made of proton conductive polymer, and the carbon Since it has a structure in which a layer made of a proton conducting polymer is formed on the surface of the particle, at least the cathode-side electrode catalyst layer has a gas channel, a proton conducting path, and a three-phase structure, compared with those having no structure. All of the interfaces can be increased.
Further, at least in the electrode catalyst layer on the cathode side, the catalyst density of the porous membrane is higher in the portion corresponding to the gas flow path where the reaction gas can easily reach than in other portions, so that the power generation efficiency is increased.
本発明の固体高分子形燃料電池用電極触媒層の製造方法は、板状で面内に複数のガス流路が形成されたセパレーターおよび高分子電解質膜とともに、固体高分子形燃料電池の単セルを構成する電極触媒層の製造方法であって、下記の(a) 〜(c)工程を順に有することを特徴とする。
(a)プロトン伝導性高分子を溶媒に分散させた液体からなる液層を基材表面に形成し、前記液層内の溶媒を凍結した後、真空下で乾燥して凍結した溶媒を昇華させて、溶媒が存在していた部分を空孔にすることにより、前記基材上にプロトン伝導性高分子からなる多孔膜を形成する多孔膜形成工程。
The method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a separator and a polymer electrolyte membrane each having a plate-like shape and a plurality of gas flow paths formed in a plane, and a single cell of the polymer electrolyte fuel cell Is a method for producing an electrode catalyst layer comprising the following steps (a) to (c) in order.
(a) A liquid layer composed of a liquid in which a proton conductive polymer is dispersed in a solvent is formed on the surface of the substrate, and after the solvent in the liquid layer is frozen, it is dried under vacuum to sublimate the frozen solvent. And a porous film forming step of forming a porous film made of a proton conductive polymer on the substrate by making the portion where the solvent existed into pores.
(b)触媒担持カーボン粒子の分散液を、前記多孔膜の前記セパレーターのガス流路に対応する部分にのみ塗布して乾燥することにより、前記多孔膜の前記部分に存在する空孔にのみ触媒担持カーボン粒子を吸着させるカーボン吸着工程。
(c)前記カーボン吸着工程後の前記多孔膜に、プロトン伝導性高分子の分散液を含浸して乾燥することにより、前記カーボン粒子の表面に前記プロトン伝導性高分子からなる層を形成するプロトン伝導性高分子層形成工程。
(b) The catalyst-supported carbon particle dispersion is applied only to the portion of the porous membrane corresponding to the gas flow path of the separator and dried, so that the catalyst is only present in the pores existing in the portion of the porous membrane. A carbon adsorption process for adsorbing supported carbon particles.
(c) Protons that form a layer made of the proton conductive polymer on the surface of the carbon particles by impregnating the porous membrane after the carbon adsorption step with a dispersion of a proton conductive polymer and drying it. Conductive polymer layer forming step.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜とその両面に配置された一対の電極触媒層とからなり、板状で面内に複数のガス流路が形成されたセパレーターとともに固体高分子形燃料電池の単セルを構成する膜電極接合体の製造方法であって、前記工程(a)〜(c)により前記電極触媒層を得る工程と、前記工程で得られた電極触媒層を少なくとも前記高分子電解質膜のカソード側に配置して、前記高分子電解質膜のガラス転移点以下の温度で加圧して密着する工程と、を有することを特徴とする。
本発明の固体高分子形燃料電池は、板状で面内に複数のガス流路が形成された一対のセパレーターで、本発明の膜電極接合体または本発明の方法で得られた膜電極接合体が挟持されている構造の単セルを有することを特徴とする。
The method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers disposed on both sides thereof, and is in the form of a plate and a plurality of gas channels in the plane. Is a method for producing a membrane electrode assembly that constitutes a single cell of a polymer electrolyte fuel cell together with a separator formed with the step of obtaining the electrode catalyst layer by the steps (a) to (c), and the step A step of disposing the electrode catalyst layer obtained in step 1 at least on the cathode side of the polymer electrolyte membrane and pressurizing the electrode catalyst layer at a temperature below the glass transition point of the polymer electrolyte membrane. .
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a pair of separators each having a plate shape and having a plurality of gas channels formed in a plane, and the membrane electrode assembly of the present invention or the membrane electrode joint obtained by the method of the present invention. It has the single cell of the structure where the body is clamped, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体によれば、固体高分子形燃料電池を構成する単セルのガスチャネル、プロトン伝導パス、三相界面の全てを増大させ、電極触媒層中の触媒を有効に利用して固体高分子形燃料電池の発電効率を高めることができる。
本発明の固体高分子形燃料電池用電極触媒層の製造方法によれば、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を構成する電極触媒層を製造することができる。
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法によれば、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造することができる。
According to the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the gas channel, proton conduction path, and three-phase interface of the single cell constituting the polymer electrolyte fuel cell are all increased, and the electrode catalyst layer The power generation efficiency of the polymer electrolyte fuel cell can be increased by effectively using the catalyst.
According to the method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the electrode catalyst layer constituting the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be produced.
According to the method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be produced.
本発明の膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池は、発電性能が良好であるため、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車などに好適に用いることができる。さらに、電極触媒層中の触媒を有効に利用するため、白金使用量を低減することで低コスト化が可能である。 Since the polymer electrolyte fuel cell using the membrane electrode assembly of the present invention has good power generation performance, it can be suitably used particularly for stationary cogeneration systems and electric vehicles. Furthermore, in order to effectively use the catalyst in the electrode catalyst layer, the cost can be reduced by reducing the amount of platinum used.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 図1に示すように、この実施形態の膜電極接合体10は、高分子電解質膜1とその両面に配置されたカソード側の電極触媒層2およびアノード側の電極触媒層3とからなる。
カソード側の電極触媒層2は、触媒密度の高い部分2aと低い部分2bを有する。触媒密度の高い部分2aは、セパレーター5のガス流路5aに接触させる部分(ガス流路に対応する部分)である。セパレーター5は、一方の面に複数のリブ5bが形成された板状部材であり、隣り合うリブ5bの間がガス流路5aとなっている。触媒密度の低い部分2bはリブ5bに接触させる部分である。
Embodiments of the present invention will be described below. As shown in FIG. 1, a
The cathode-side
カソード側の電極触媒層2は、以下に説明する方法(図2を参照)で製造されたものである。
<多孔膜形成工程>
先ず、基材21の上に、プロトン伝導性高分子22を溶媒23に分散させた液体からなる液層24を形成する。次に、液層24内の溶媒23を凍結する。図2(a)はこの状態を示す。
次に、真空下で乾燥することで、凍結した溶媒23を昇華させる。これにより、溶媒が存在していた部分が空孔25になる。これにより、基材21上に、プロトン伝導性高分子からなる多孔膜26が形成される。図2(b)はこの状態を示す。
The cathode-
<Porous membrane formation process>
First, a
Next, the frozen solvent 23 is sublimated by drying under vacuum. Thereby, the portion where the solvent was present becomes the
<カーボン吸着工程>
次に、触媒担持カーボン粒子の分散液を、多孔膜26のセパレーター5のガス流路5aに接触させる部分にのみ塗布して乾燥する。これにより、触媒担持カーボン粒子が、前記部分に存在する空孔25aにのみ吸着し、他の空孔25bには吸着しない。
<プロトン伝導性高分子層形成工程>
次に、この状態の多孔膜26に、プロトン伝導性高分子の分散液を含浸して乾燥する。これにより、多孔膜26の空孔25a,25bの内面にプロトン伝導性高分子からなる層27,28が形成される。図2(c)はこの状態を示す。図3は、図2(c)のA部分の拡大図に相当する。
<Carbon adsorption process>
Next, the catalyst-supported carbon particle dispersion is applied only to the portion of the
<Proton conductive polymer layer forming step>
Next, the
触媒担持カーボン粒子が吸着している空孔25aでは、図3に示すように、触媒粒子61が担持されたカーボン粒子62の表面に、プロトン伝導性高分子からなる層27が形成される。また、カーボン吸着工程で、触媒担持カーボン粒子を分散している溶媒が、プロトン伝導性高分子からなる多孔膜26の表面を適度に溶かすため、触媒粒子61が担持されたカーボン粒子62は多孔膜26に一部埋まって固定されている。
In the
このようにして、プロトン伝導性高分子からなる多孔膜26の空孔25aの表面に、三相界面が形成される。プロトン伝導性高分子からなる多孔膜26の空孔25a,25bは、実際には三次元的に連続して存在しているため、三相界面も同様に三次元的に連続して多孔膜26内に存在している。また、三次元的に連続している空孔25a,25bによりガスチャネルが形成され、プロトン伝導性高分子からなる層27によりプロトン伝導パスが形成される。
In this way, a three-phase interface is formed on the surface of the
以上の工程を経て、プロトン伝導性高分子からなる多孔膜26の空孔25aに触媒担持カーボン粒子62が吸着され、その表面にプロトン伝導性高分子からなる層27が形成された構造を有する電極触媒層2が、基材21の上に形成される。この電極触媒層2は、セパレーター5のガス流路5aに接触させる部分2aの触媒密度が、リブ5bに接触させる部分2bより高い。この電極触媒層2をカソード用とする。
Through the above steps, an electrode having a structure in which the catalyst-supporting
この基材21と電極触媒層2とからなる部材を、電極触媒層2側を高分子電解質膜1に向けて配置し、高分子電解質膜1の反対面にアノード用の電極触媒層3を配置して、ホットプレスすること(加圧して密着する工程)により、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2,3を密着させる。密着後に、基材21を電極触媒層2から剥離する。これにより、図1に示す膜電極接合体10が得られる。
The member composed of the
この膜電極接合体10のカソード側の電極触媒層2に、触媒密度の高い部分2aとガス流路5aを合わせてセパレーター5を取り付け、アノード側の電極触媒層3にもセパレーター(不図示)を取り付けることにより、固体高分子形燃料電池の単セルを組み立てる。
電極触媒層2のガス流路5aに接する部分2aには反応ガスが届きやすいが、この部分2aの触媒密度が高いため、発電効率が高くなる。また、電極触媒層2のリブ5bに接する部分2bには水詰まりが発生しやすいが、この部分2bの触媒密度は低いため、ガス拡散や排水を促すことができる。よって、電極触媒層2中の触媒を有効に利用し、かつガス拡散や水詰まりによる電圧の低下を抑制できる。
A
Although the reaction gas easily reaches the
したがって、この実施形態の膜電極接合体によれば、固体高分子形燃料電池を構成する単セルのガスチャネル、プロトン伝導パス、三相界面の全てを増大させ、電極触媒層中の触媒を有効に利用して固体高分子形燃料電池の発電効率を高くし、ガス拡散や水詰まりによる電圧の低下を抑制することができる。
なお、触媒密度の高い部分2aと低い部分2bを有する電極触媒層2をカソード側に配置した場合に、発電効率を高くし、ガス拡散や水詰まりによる電圧の低下を抑制する効果が高いため、前記構造の電極触媒層を、本発明の膜電極接合体では少なくともカソード側に配置しているが、アノード側の電極触媒層として使用してもよい。
Therefore, according to the membrane electrode assembly of this embodiment, the gas channel, proton conduction path, and three-phase interface of the single cell constituting the polymer electrolyte fuel cell are all increased to effectively use the catalyst in the electrode catalyst layer. Therefore, the power generation efficiency of the polymer electrolyte fuel cell can be increased, and the voltage drop due to gas diffusion or water clogging can be suppressed.
In addition, when the
本発明で用いる触媒としては白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、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、アルミニウムなどの金属またはこれらの合金、または酸化物、複酸化物、炭化物などが使用できる。
また、これらの触媒の粒径は、大きすぎる場合、触媒の質量あたりの比表面積が低下し、その結果、触媒の単位質量当たりの得られる電流値が小さくなる。逆に小さすぎる場合は、触媒の安定性が低下するため、0.5nm以上50nm以下が好ましく、更に好ましくは1nm以上5nm以下である。
As a catalyst used in the present invention, a platinum group element such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, a metal such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or the like These alloys, oxides, double oxides, carbides, etc. can be used.
Moreover, when the particle size of these catalysts is too large, the specific surface area per mass of the catalyst decreases, and as a result, the current value obtained per unit mass of the catalyst decreases. Conversely, when too small, since stability of a catalyst falls, 0.5 to 50 nm is preferable, More preferably, it is 1 to 5 nm.
本発明で用いるこれらの触媒を担持するカーボンは、微粉末状で導電性を有し、触媒に侵されないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、フラーレンが好ましく使用できる。
カーボンの粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると触媒層のガス拡散性が低下したり触媒の利用率が低下したりするため、10nm以上1000nm以下が好ましく、更に好ましくは10nm以上100nm以下が良い。
The carbon supporting these catalysts used in the present invention may be any carbon as long as it is finely powdered and has conductivity and is not affected by the catalyst. Carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon Nanotubes and fullerenes can be preferably used.
If the particle size of the carbon is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path, and if it is too large, the gas diffusibility of the catalyst layer is reduced or the utilization factor of the catalyst is lowered. More preferably, it is 10 nm or more and 100 nm or less.
プロトン伝導性高分子には様々なものが用いられるが、高分子電解質膜と電極の界面抵抗や、湿度変化時の電極と電解質膜における寸法変化率の点から考慮すると、使用する電解質膜と触媒層中のプロトン伝導性高分子は同じ成分であるのが良い。
本発明の膜電極接合体に用いられるプロトン伝導性高分子としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。
Various proton conductive polymers are used, but considering the interface resistance between the polymer electrolyte membrane and the electrode, and the dimensional change rate between the electrode and the electrolyte membrane when the humidity changes, the electrolyte membrane and catalyst to be used The proton conducting polymer in the layer should be the same component.
The proton conductive polymer used in the membrane / electrode assembly of the present invention may be any proton-conductive polymer as long as it has proton conductivity, and a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based polymer electrolyte can be used.
フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)などを用いることができる。炭化水素系高分子電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等からなる電解質膜を用いることができる。これらのうち、デュポン社製Nafion(登録商標)が特に好適である。 Examples of the fluoropolymer electrolyte include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. Etc. can be used. As the hydrocarbon polymer electrolyte, an electrolyte membrane made of sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, or the like can be used. Of these, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont is particularly suitable.
本発明で分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子やプロトン伝導性高分子を浸食することがなく、流動性の高い状態でプロトン伝導性高分子を溶解または微細ゲルとして分散できるものあれば特に制限はない。溶媒にはプロトン伝導性高分子となじみがよい水が含まれていてもよい。水の添加量は、プロトン伝導性ポリマーが分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。
工程(b)で触媒担持カーボン粒子を分散する溶媒および工程(c)でプロトン伝導性高分子を分散する溶媒については、揮発性の液体有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましいが、溶剤として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。
The solvent used as the dispersion medium in the present invention is not particularly limited as long as it does not erode the catalyst particles and the proton conductive polymer and can dissolve or disperse the proton conductive polymer in a highly fluid state as a fine gel. There is no limit. The solvent may contain water that is compatible with the proton conductive polymer. The amount of water added is not particularly limited as long as the proton conductive polymer is not separated to cause white turbidity or gelation.
The solvent for dispersing the catalyst-supporting carbon particles in the step (b) and the solvent for dispersing the proton conductive polymer in the step (c) preferably include at least a volatile liquid organic solvent. Those using the are high risk of ignition, and when using such a solvent, it is preferable to use a mixed solvent with water.
揮発性の液体有機溶媒は特に限定されるものではないが、具体的には、例えばメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2‐ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルなどのエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノールなどの極性溶剤などを挙げることができる。 The volatile liquid organic solvent is not particularly limited. Specifically, for example, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, Alcohols such as pentanol, acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone and other ketone solvents, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, di Ether solvents such as butyl ether, other dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol Lumpur, diacetone alcohol, 1 such as a polar solvent such as methoxy-2-propanol can be exemplified.
これらは単独で使用することもできるが、これらの溶剤のうち二種以上を混合させたものも使用できる。
分散処理は、様々な装置を用いて行うことができる。例えば、ボールミル、ロールミル、せん断ミル、湿式ミル、超音波分散処理などが挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザーなどを用いてもよい。
Although these can also be used independently, what mixed 2 or more types of these solvents can also be used.
Distributed processing can be performed using various apparatuses. Examples thereof include a ball mill, a roll mill, a shear mill, a wet mill, and an ultrasonic dispersion treatment. Moreover, you may use the homogenizer etc. which stir with centrifugal force.
本発明で使用される基材は、例えばエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、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)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの転写性に優れたフッ素系樹脂を用いることができる。また、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレートなどの高分子フィルムも用いることができる。 Examples of the base material used in the present invention include ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), poly A fluororesin excellent in transferability such as tetrafluoroethylene (PTFE) can be used. Polymer films such as polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, and polyethylene naphthalate can also be used.
ガス拡散層を基材として使用する場合、基材に形成された電極触媒層を高分子電解質膜にホットプレスした後に、基材を剥離する必要は無い。ガス拡散層としては、通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。具体的に、ガス拡散層としては、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材を用いることができる。ガス拡散層と電極触媒層の間に目止め層を形成させたものでもよい。 When using a gas diffusion layer as a base material, it is not necessary to peel the base material after hot pressing the electrode catalyst layer formed on the base material onto the polymer electrolyte membrane. As a gas diffusion layer, what is used for the normal fuel cell can be used. Specifically, porous carbon materials such as carbon cloth, carbon paper, and nonwoven fabric can be used as the gas diffusion layer. A sealing layer may be formed between the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer.
目止め層は、触媒インクがガス拡散層の中に染み込むことを防止する層であり、その塗布量が少ない場合でも目止め層上に堆積して三相界面を形成する。このような目止め層は、例えばカーボン粒子とフッ素系樹脂を混練してフッ素系樹脂の融点以上の温度で焼結させることにより形成することができる。フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が利用できる。 The sealing layer is a layer that prevents the catalyst ink from permeating into the gas diffusion layer, and deposits on the sealing layer to form a three-phase interface even when the coating amount is small. Such a sealing layer can be formed, for example, by kneading carbon particles and a fluorine resin and sintering them at a temperature equal to or higher than the melting point of the fluorine resin. As the fluororesin, polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like can be used.
ホットプレス工程で電極触媒層にかかる圧力は、膜電極接合体の電池性能に影響する。電池性能の良い膜電極接合体を得るには、基材およびプロトン伝導性高分子からなる多孔膜にかかる圧力Aは、0.5MPa≦A≦20MPaであることが望ましく、より望ましくは2MPa≦A≦15MPaである。これ以上の圧力では電極触媒層が圧縮されすぎ、またこれ以下の圧力では電極触媒層と高分子電解質膜の接合性が低下して、電池性能が低下する。 The pressure applied to the electrode catalyst layer in the hot pressing step affects the battery performance of the membrane electrode assembly. In order to obtain a membrane / electrode assembly with good battery performance, the pressure A applied to the porous membrane composed of the base material and the proton conductive polymer is preferably 0.5 MPa ≦ A ≦ 20 MPa, more preferably 2 MPa ≦ A. ≦ 15 MPa. When the pressure is higher than this, the electrode catalyst layer is excessively compressed, and when the pressure is lower than this, the bondability between the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane is lowered, and the battery performance is lowered.
膜電極接合体へのしわ発生には、ホットプレス工程での高分子電解質膜の部分にかかる圧力が影響する。しわの発生は、適切な圧縮率を持つ緩衝材を用いることで抑えることができる。緩衝材はホットプレスにかける積層体のすべてを覆う大きさであるとよい。また厚み方向に加圧されると加圧方向と平行な向きに圧縮されるものがよい。
ホットプレスの温度は、高分子電解質膜および電極触媒層のプロトン伝導性高分子のガラス転移点付近に設定するのが高分子電解質膜と電極触媒層の界面の接合性が向上し、界面抵抗を抑えられる点で効果的であり、100℃以上であることが望ましい。
The generation of wrinkles in the membrane / electrode assembly is affected by the pressure applied to the portion of the polymer electrolyte membrane in the hot pressing step. The generation of wrinkles can be suppressed by using a cushioning material having an appropriate compression rate. The cushioning material may be of a size that covers all of the laminate to be hot pressed. Moreover, what is compressed in the direction parallel to a pressurization direction when pressurized in the thickness direction is good.
The hot pressing temperature is set near the glass transition point of the proton conducting polymer of the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, which improves the bondability at the interface between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, and reduces the interface resistance. It is effective in terms of suppression, and is desirably 100 ° C. or higher.
<サンプル1:本発明の実施例>
〈電極シートの作製〉
図2に示す手順で基材21の上に電極触媒層2を形成した。
先ず、市販のプロトン伝導性高分子(デュポン社製Nafion(登録商標))溶液をETFEシート(基材)21に塗布することで液層24を形成し、溶媒23が乾燥する前に液体窒素に浸して凍結させた。これを融解しないうちに凍結乾燥機(東京理化器械株式会社製FD−81−TA)で乾燥して、ETFEシート(基材)21の上に、プロトン伝導性高分子からなる多孔膜26を形成した。
<Sample 1: Example of the present invention>
<Preparation of electrode sheet>
The
First, a
一方で、白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と水、エタノールの混合溶媒を混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行い、触媒担持カーボン粒子の分散液を調製した。
多孔膜26にインクジェット塗工機にて、セパレーターのガス流路部に相当する部分にのみ触媒担持カーボン粒子の分散液を吐出した後、減圧乾燥にて溶媒を除去し、多孔膜26の前記部分に存在する空孔25aにのみ、触媒担持カーボン粒子を吸着させた。この状態で多孔膜26を、市販のプロトン伝導性高分子(デュポン社製Nafion(登録商標))溶液に浸漬し、80℃のオーブンで乾燥することで、基材21の上に電極触媒層2が形成された電極シートを得た。
On the other hand, a platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and a mixed solvent of water and ethanol were mixed and subjected to dispersion treatment with a planetary ball mill to prepare a dispersion of catalyst-supported carbon particles.
After the dispersion liquid of catalyst-carrying carbon particles is discharged only to the part corresponding to the gas flow path part of the separator with the inkjet coating machine, the solvent is removed by drying under reduced pressure, and the part of the
〈ホットプレス〉
得られた電極シートを正方形に打ち抜いて、2枚の電極板を得た。2枚の電極板で、高分子電解質膜(デュポン社製Nafion(登録商標)212)の両面を挟み、電極触媒層2側を高分子電解質膜に向けて配置して、120℃、60kgf/cm2、30分の条件でホットプレスを行った。これにより、2枚の電極板の間に高分子電解質膜が挟まれた接合体を得た。この接合体から基材21を外して、一対の電極触媒層2と高分子電解質膜とからなる膜電極接合体を得た。
<hot press>
The obtained electrode sheet was punched into a square to obtain two electrode plates. Two electrode plates sandwich both sides of a polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 212 manufactured by DuPont), and the
〈評価1〉
得られた膜電極接合体の発電性能測定を行った。
反応ガス流通用のガス流路を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレーターにより、作製した膜電極接合体を挟持して、ボルトで両極を締め付けたものを測定セルとして用いた。この際、セパレーターのガス流路部と、膜電極接合体の触媒密度の高い部分が一致するようにした。
評価条件はセル温度80℃、反応ガスは酸化極が水素、還元極は空気とした。また反応ガスの相対湿度は30%および100%とした。電圧が0.7Vと0.3Vのときの電流密度により性能の評価を行った。
<Evaluation 1>
The power generation performance of the obtained membrane electrode assembly was measured.
Membrane electrode assembly produced by a pair of separators made of a conductive and gas-impermeable material having a gas flow path for reaction gas flow and a cooling water flow path for cooling water flow on the opposite main surface Was used as a measuring cell. At this time, the gas flow path part of the separator and the high catalyst density part of the membrane electrode assembly were made to coincide.
The evaluation conditions were a cell temperature of 80 ° C., the reaction gas was hydrogen at the oxidation electrode, and air at the reduction electrode. The relative humidity of the reaction gas was 30% and 100%. The performance was evaluated by the current density when the voltage was 0.7V and 0.3V.
〈評価2〉
評価1で用いた測定セルを用いてサイクリックボルタンメトリー測定を行った。
評価条件はセル温度80℃、酸化極に水素ガス、還元極に窒素ガスを流し、反応ガスの相対湿度は30%および100%とした。性能の評価は、水素の酸化脱離のピーク電荷量Q値により行った。
<
Cyclic voltammetry measurement was performed using the measurement cell used in Evaluation 1.
The evaluation conditions were a cell temperature of 80 ° C., hydrogen gas was passed through the oxidation electrode, and nitrogen gas was passed through the reduction electrode, and the relative humidity of the reaction gas was 30% and 100%. The performance was evaluated by the peak charge amount Q value of hydrogen oxidative desorption.
<サンプル2:本発明の比較例>
〈電極シートの作製〉
白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液(デュポン社製Nafion(登録商標))を、水、エタノールの混合溶媒で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調製した。この触媒インクを、ETFEシートからなる基材の上に塗布して、80℃のオーブンで乾燥することで、基材の上に電極触媒層が形成された比較例の電極シートを得た。
<Sample 2: Comparative Example of the Present Invention>
<Preparation of electrode sheet>
A platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and a 20% by mass polymer electrolyte solution (Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) are mixed with a mixed solvent of water and ethanol. Dispersion treatment was performed to prepare a catalyst ink. This catalyst ink was applied on a base material made of an ETFE sheet and dried in an oven at 80 ° C. to obtain an electrode sheet of a comparative example in which an electrode catalyst layer was formed on the base material.
〈ホットプレス〉
得られた比較例の電極シートを正方形に打ち抜いて、2枚の電極板を得た。2枚の電極板で、高分子電解質膜(デュポン社製Nafion(登録商標)212)の両面を挟み、電極触媒層側を高分子電解質膜に向けて配置して、120℃、60kgf/cm2、30分の条件でホットプレスを行った。これにより、2枚の比較例の電極板の間に高分子電解質膜が挟まれた接合体を得た。この接合体から基材を外して、一対の電極触媒層と高分子電解質膜とからなる膜電極接合体を得た。
<hot press>
The obtained electrode sheet of the comparative example was punched into a square to obtain two electrode plates. Two electrode plates sandwich both sides of a polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 212 manufactured by DuPont), with the electrode catalyst layer side facing the polymer electrolyte membrane, 120 ° C., 60 kgf / cm 2. The hot pressing was performed under the condition of 30 minutes. Thus, a joined body in which the polymer electrolyte membrane was sandwiched between the two electrode plates of the comparative examples was obtained. The base material was removed from the joined body to obtain a membrane / electrode assembly comprising a pair of electrode catalyst layers and a polymer electrolyte membrane.
〈評価1〉
得られた膜電極接合体を用い、サンプル1と同じ方法で測定セルを作製して発電性能測定を行った。評価条件もサンプル1と同じにした。
〈評価2〉
評価1で用いた測定セルを用い、サンプル1と同じ評価条件でサイクリックボルタンメトリー測定を行った。
その結果、サンプル1のセルは、触媒密度がセパレーターのガス流路に接する部分で高くなっているため、反応ガスが三相界面に到達しやすく、サンプル2のセルよりも高い電流密度が得られた。また、サンプル1のセルは、サンプル2のセルよりもQ値が高く、三相界面が良好に形成されていることが示唆された。
<Evaluation 1>
Using the obtained membrane / electrode assembly, a measurement cell was prepared in the same manner as in Sample 1, and power generation performance was measured. The evaluation conditions were the same as those of Sample 1.
<
Using the measurement cell used in Evaluation 1, cyclic voltammetry measurement was performed under the same evaluation conditions as Sample 1.
As a result, since the catalyst density of the sample 1 cell is high at the portion in contact with the gas flow path of the separator, the reaction gas easily reaches the three-phase interface, and a higher current density than that of the
また、サンプル1のセルは、溶媒を凍結乾燥して得たプロトン伝導性高分子多孔膜を電極触媒層に用い、セパレーターのリブに接する部分で触媒密度が低くなっているため、ガスチャネルおよび生成水の抜け道が良好に形成されており、相対湿度が高い場合にも水詰まりによる発電性能低下を生じない。さらに、溶媒を凍結乾燥して得たプロトン伝導性高分子多孔膜を電極触媒層に用いることでプロトン伝導パスが良好に形成されているため、相対湿度が低い場合にも高い電流密度が得られ、発電性能が優れていた。 The cell of sample 1 uses a proton conductive polymer porous membrane obtained by freeze-drying the solvent as the electrode catalyst layer, and the catalyst density is low at the portion in contact with the rib of the separator. The passage of water is well formed, and even when the relative humidity is high, power generation performance is not deteriorated due to water clogging. In addition, the proton conductive polymer porous membrane obtained by freeze-drying the solvent is used for the electrode catalyst layer, so that a proton conduction path is well formed, so that a high current density can be obtained even when the relative humidity is low. The power generation performance was excellent.
1 高分子電解質膜
2 カソード側の電極触媒層
2a 触媒密度の高い部分
2b 触媒密度の低い部分
21 基材
22 プロトン伝導性高分子
23 凍結した溶媒
24 液層
25 空孔
25a 触媒担持カーボン粒子が吸着している空孔
25b 触媒担持カーボン粒子が吸着していない空孔
26 プロトン伝導性高分子からなる多孔膜
27,28 プロトン伝導性高分子からなる層
3 アノード側の電極触媒層
5 セパレーター
5a ガス流路
5b リブ
10 膜電極接合体
61 触媒粒子
62 カーボン粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
プロトン伝導性高分子を溶媒に分散させた液体からなる液層を基材表面に形成し、前記液層内の溶媒を凍結した後、真空下で乾燥して凍結した溶媒を昇華させて、溶媒が存在していた部分を空孔にすることにより、前記基材上にプロトン伝導性高分子からなる多孔膜を形成する多孔膜形成工程と、
触媒担持カーボン粒子の分散液を、前記多孔膜の前記セパレーターのガス流路に対応する部分にのみ塗布して乾燥することにより、前記多孔膜の前記部分に存在する空孔にのみ触媒担持カーボン粒子を吸着させるカーボン吸着工程と、
前記カーボン吸着工程後の前記多孔膜に、プロトン伝導性高分子の分散液を含浸して乾燥することにより、前記カーボン粒子の表面に前記プロトン伝導性高分子からなる層を形成するプロトン伝導性高分子層形成工程と、を順に有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用電極触媒層の製造方法。 A method for producing an electrode catalyst layer that constitutes a single cell of a polymer electrolyte fuel cell, together with a separator and a polymer electrolyte membrane that are plate-shaped and have a plurality of gas flow paths formed in-plane,
A liquid layer composed of a liquid in which a proton conductive polymer is dispersed in a solvent is formed on the surface of the substrate, and after the solvent in the liquid layer is frozen, it is dried under vacuum to sublimate the frozen solvent to obtain a solvent. A porous film forming step of forming a porous film made of a proton-conducting polymer on the base material by making the portion where the
The catalyst-carrying carbon particle dispersion liquid is applied only to the part of the porous membrane corresponding to the gas flow path of the separator and dried, so that the catalyst-carrying carbon particle is only in the pores existing in the part of the porous membrane. Carbon adsorption process for adsorbing,
The porous membrane after the carbon adsorption step is impregnated with a dispersion of a proton conductive polymer and dried to form a layer made of the proton conductive polymer on the surface of the carbon particles. A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: a molecular layer forming step in order.
請求項1に記載の方法により前記電極触媒層を得る工程と、前記工程で得られた電極触媒層を少なくとも前記高分子電解質膜のカソード側に配置して、前記高分子電解質膜のガラス転移点以下の温度で加圧して密着する工程と、を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 A membrane comprising a polymer electrolyte membrane and a pair of electrocatalyst layers disposed on both sides thereof, and comprising a single cell of a solid polymer fuel cell together with a plate-like separator having a plurality of gas flow paths formed in the surface A method for producing an electrode assembly,
The step of obtaining the electrode catalyst layer by the method according to claim 1, and the electrode catalyst layer obtained in the step is disposed at least on the cathode side of the polymer electrolyte membrane, and the glass transition point of the polymer electrolyte membrane. A method of producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the step of pressurizing and adhering at the following temperature.
少なくともカソード側の前記電極触媒層は、請求項1記載の方法で製造されたものであり、プロトン伝導性高分子からなる多孔膜の空孔に触媒担持カーボン粒子が吸着され、前記カーボン粒子の表面にプロトン伝導性高分子からなる層が形成された構造を有し、前記多孔膜の触媒密度が、前記ガス流路に対応する部分で他の部分より高いことを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。 A membrane comprising a polymer electrolyte membrane and a pair of electrocatalyst layers disposed on both sides thereof, and comprising a single cell of a solid polymer fuel cell together with a plate-like separator having a plurality of gas flow paths formed in the surface An electrode assembly comprising:
The electrode catalyst layer on at least the cathode side is manufactured by the method according to claim 1 , wherein the catalyst-supporting carbon particles are adsorbed in the pores of the porous film made of a proton conductive polymer, and the surface of the carbon particles A solid polymer fuel characterized in that a layer made of a proton-conducting polymer is formed, and the catalyst density of the porous membrane is higher in the portion corresponding to the gas flow path than in other portions. Battery membrane electrode assembly.
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