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JP5585036B2 - How to use catalyst ink for fuel cell - Google Patents

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JP5585036B2 JP2009222204A JP2009222204A JP5585036B2 JP 5585036 B2 JP5585036 B2 JP 5585036B2 JP 2009222204 A JP2009222204 A JP 2009222204A JP 2009222204 A JP2009222204 A JP 2009222204A JP 5585036 B2 JP5585036 B2 JP 5585036B2
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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用触媒インクの保存方法および使用方法、ならびにこの保存方法により保存される固形触媒インクに関する。   The present invention relates to a method for storing and using a catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell, and a solid catalyst ink stored by this storage method.

燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応から発電する発電機関であり、発電効率が高く、発電時には水のみを排出することから、次世代の電源として期待されている。固体高分子型燃料電池の膜電極接合体は、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を接合させた構造である。膜電極接合体の電極触媒層の外側にガス拡散層を配置させ、さらにセパレータで挟んだものが、燃料電池として使用される。   A fuel cell is a power generation engine that generates electricity from an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, has high power generation efficiency, and discharges only water during power generation, and is expected as a next-generation power source. A membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane. A fuel cell is used in which a gas diffusion layer is disposed outside the electrode catalyst layer of the membrane electrode assembly and is further sandwiched between separators.

膜電極接合体の製造方法は、触媒担持カーボンと、分散溶媒と、高分子質電解質を少なくとも含む触媒インクを用いる方法が知られている。これらを混合、分散して触媒インクを作製し、触媒インクを基材上に塗布・溶媒を除去して、基材上に電極触媒層を設けた転写シートを作製し、これを高分子電解質膜上にホットプレスすることで一体化させ、膜電極接合体が製造される。   As a method for producing a membrane / electrode assembly, a method using a catalyst ink containing at least a catalyst-supporting carbon, a dispersion solvent, and a polymer electrolyte is known. These are mixed and dispersed to produce a catalyst ink, the catalyst ink is applied onto the substrate, the solvent is removed, and a transfer sheet having an electrode catalyst layer provided on the substrate is produced. This is a polymer electrolyte membrane. The membrane / electrode assembly is manufactured by hot-pressing on the top.

触媒担持カーボンの触媒には、触媒活性が高いため、主に白金が用いられている。また、触媒インクの分散溶媒には、水の他にアルコール類、ケトン類、エーテル類、エステル類など種々の有機溶媒が用いられるが、触媒担持カーボンと高分子電解質を良好に分散できることからアルコール類が用いられることが多い。   Platinum is mainly used as the catalyst-supporting carbon catalyst because of its high catalytic activity. In addition to water, various organic solvents such as alcohols, ketones, ethers, and esters are used as the dispersion solvent for the catalyst ink. However, since the catalyst-supporting carbon and the polymer electrolyte can be well dispersed, the alcohols Is often used.

このような触媒インクは、調製してからの保存期間が1〜2日間程度と短いという問題があった。触媒インクを室温で保存すると、触媒である白金が分散溶媒のアルコール類を酸化し、カルボン酸を発生する。分散溶媒が酸化し変質した触媒インクを用いて製造された膜電極接合体は、発電性能が低下することがあるため、保存期間を過ぎた触媒インクは廃棄されていた。高価な白金を含む触媒インクを長期間保存できる方法は、コスト低減の観点からも必要であった。   Such a catalyst ink has a problem that the storage period after preparation is as short as about 1-2 days. When the catalyst ink is stored at room temperature, platinum as a catalyst oxidizes alcohols as a dispersion solvent to generate carboxylic acid. Since the membrane electrode assembly manufactured using the catalyst ink in which the dispersion solvent is oxidized and denatured may deteriorate the power generation performance, the catalyst ink after the storage period has been discarded. A method capable of storing a catalyst ink containing expensive platinum for a long period of time is also necessary from the viewpoint of cost reduction.

触媒インクを長期間保存する方法として、特許文献1には、光触媒を用いる方法が開示されている。この方法は、触媒インク中に光触媒の粒子を混在させて光を照射しながら保存し、分散溶媒の酸化を防ぐ方法である。この方法で保存した触媒インクは、使用前に光触媒の粒子を除去してから用いる必要がある。しかしながら、触媒担持カーボンを用いた触媒インクは黒色であり、光が透過しにくいため、光触媒を用いる方法では十分に酸化を防ぐことは困難であると考えられる。   As a method for storing the catalyst ink for a long period of time, Patent Document 1 discloses a method using a photocatalyst. This method is a method in which photocatalyst particles are mixed in catalyst ink and stored while irradiating light to prevent oxidation of the dispersion solvent. The catalyst ink stored by this method needs to be used after removing the photocatalyst particles before use. However, since the catalyst ink using the catalyst-supporting carbon is black and does not easily transmit light, it is considered difficult to sufficiently prevent oxidation by the method using the photocatalyst.

特開2005−85574号公報JP 2005-85574 A

本発明は、上述の従来の問題を解決しようとするものであり、触媒インクの保存期間を延長することができる燃料電池用触媒インクの保存方法および使用方法、ならびにこの保存方法により保存される固形触媒インクを提供することを目的とする。   The present invention is intended to solve the above-described conventional problems, and a method for storing and using a catalyst ink for a fuel cell capable of extending the storage period of the catalyst ink, and a solid stored by this storage method. An object is to provide a catalyst ink.

本発明者は、下記の保存方法が上記課題を解決することを見出した。   The present inventor has found that the following storage method solves the above problem.

本発明の請求項に係る発明は、触媒担持カーボンと、分散溶媒と、高分子電解質とを含む冷却して固体化した固形の触媒インクを昇温し液体状にし、液体状の触媒インクを基材上に塗布して塗膜を形成し、塗膜に含まれる分散溶媒を乾燥させて除去して電極触媒層を形成することを特徴とする触媒インクの使用方法としたものである。 According to the first aspect of the present invention, a solid catalyst ink that has been cooled and solidified containing a catalyst-supporting carbon, a dispersion solvent, and a polymer electrolyte is heated to a liquid state. A method for using a catalyst ink is characterized in that a coating film is formed by coating on a substrate, and a dispersion solvent contained in the coating film is dried and removed to form an electrode catalyst layer.

本発明の請求項に係る発明は、昇温は1℃以上30℃以下の温度まで行うことを特徴とする請求項に記載の触媒インクの使用方法としたものである。 The invention according to claim 2 of the present invention is heated is obtained by the use of a catalyst ink according to claim 1, characterized in that to a temperature of 30 ° C. or less than 1 ° C..

本発明の触媒インクの保存方法によれば、触媒インクを冷却し固体化した固形触媒インクの状態であれば分散溶媒の酸化を抑制することができる。したがって、本発明によれば、固形触媒インクとして保存した触媒インクを用いて製造した膜電極接合体は、触媒インクを長期間保存した後であっても、発電性能を保つことができる。   According to the method for storing a catalyst ink of the present invention, the oxidation of the dispersion solvent can be suppressed as long as the catalyst ink is cooled and solidified. Therefore, according to the present invention, the membrane electrode assembly produced using the catalyst ink stored as the solid catalyst ink can maintain the power generation performance even after the catalyst ink has been stored for a long period of time.

したがって、上記の方法によれば触媒インクの保存期間を延長することができるので、廃棄する触媒インクを少なくすることができる。   Therefore, according to the above method, the storage period of the catalyst ink can be extended, and therefore, the catalyst ink to be discarded can be reduced.

図1は本発明に係る触媒インクの保存方法および使用方法を表す図である。FIG. 1 is a diagram showing a method for storing and using a catalyst ink according to the present invention.

以下に、本発明に係る触媒インクの保存方法ならびに使用方法について説明する。   Hereinafter, a method for storing and using the catalyst ink according to the present invention will be described.

図1に、本発明に係る触媒インクの保存方法ならびに使用方法の模式図を示した。本発明の触媒インクの保存方法は、触媒インクを調製し、これを冷却して固体化した固形触媒インクとして、融解しない温度で保存する。この固体化した状態では、分散溶媒の酸化を抑制することができるので、長期間にわたって保存することができる。触媒インクを使用する場合は、固形触媒インクを室温まで昇温し、液体状にして使用することができる。   FIG. 1 shows a schematic diagram of a method for storing and using a catalyst ink according to the present invention. In the method for storing a catalyst ink of the present invention, a catalyst ink is prepared and stored as a solid catalyst ink solidified by cooling at a temperature that does not melt. In this solidified state, oxidation of the dispersion solvent can be suppressed, so that it can be stored for a long period of time. When using the catalyst ink, the solid catalyst ink can be used in a liquid state by raising the temperature to room temperature.

ここで、室温とは、具体的には1℃以上30℃以下のことを指す。これは、1℃より低い場合、分散溶媒が融解しない可能性があり、30℃より高い場合、溶媒が揮発し触媒インクの組成が変化する可能性があるためである。また、固形触媒インクを室温まで昇温する方法は、固形触媒インクに対し外部から熱を加えて室温まで昇温する方法であれば、いかなる方法でもよい。特に、急激な温度変化により固形触媒インクの組成が変化することを防ぐために、室温で静置することにより、固形触媒インクを室温まで昇温することが好ましい。   Here, room temperature specifically refers to 1 ° C. or higher and 30 ° C. or lower. This is because when the temperature is lower than 1 ° C., the dispersion solvent may not melt, and when the temperature is higher than 30 ° C., the solvent volatilizes and the composition of the catalyst ink may change. Further, the method for raising the temperature of the solid catalyst ink to room temperature may be any method as long as the solid catalyst ink is heated from the outside to raise the temperature to room temperature. In particular, in order to prevent a change in the composition of the solid catalyst ink due to a rapid temperature change, it is preferable to raise the temperature of the solid catalyst ink to room temperature by standing at room temperature.

上記触媒インクは、少なくとも触媒物質を担持した触媒担持カーボン、高分子電解質、分散溶媒を含有する。   The catalyst ink contains at least catalyst-carrying carbon carrying a catalyst substance, a polymer electrolyte, and a dispersion solvent.

本発明で用いる触媒担持カーボンの触媒としては、白金のほかに、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又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等を使用してもよい。また、これらの触媒の粒径は、20nmより大きいと触媒の活性が低下し、0.5nmより小さいと触媒の安定性が低下するため、0.5nm以上20nm以下が好ましい。更に好ましくは、1nm以上5nm以下が良い。   The catalyst-supported carbon catalyst used in the present invention includes platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum in addition to platinum. Further, a metal such as gallium or aluminum or an alloy thereof, an oxide, a double oxide, or the like may be used. The particle size of these catalysts is preferably 0.5 nm or more and 20 nm or less because the activity of the catalyst is lowered when it is larger than 20 nm, and the stability of the catalyst is lowered when it is smaller than 0.5 nm. More preferably, it is 1 nm or more and 5 nm or less.

触媒を担持するためのカーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを使用してもよい。カーボン粒子の粒径は、10nmより小さいと電子伝導パスが形成されにくくなり、また1000nmより大きいと電極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ことがあるので、10nm以上1000nm以下程度が好ましい。更に好ましくは、10nm以上100nm以下が良い。   The type of carbon particles for supporting the catalyst may be any particle as long as it is in the form of fine particles and has electrical conductivity and is not affected by the catalyst. Carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, Carbon nanotubes and fullerenes may be used. If the particle size of the carbon particles is smaller than 10 nm, it is difficult to form an electron conduction path. If the particle size is larger than 1000 nm, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer may be lowered, or the utilization rate of the catalyst may be lowered. About 10 nm or more and 1000 nm or less are preferable. More preferably, it is 10 nm or more and 100 nm or less.

高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いてもよい。中でも、フッ素系高分子電解質としてDupont社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)社製のフレミオン(登録商標)系材料を好適に用いてもよい。   Any polymer electrolyte may be used as long as it has proton conductivity, and a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte may be used. Among these, Nafion (registered trademark) manufactured by Dupont and Flemion (registered trademark) material manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. may be suitably used as the fluorine-based polymer electrolyte.

分散溶媒としては、水、アルコール類、ケトン類、エーテル類、エステル類などの有機溶媒を1種、または複数種混合して用いられる。中でも、触媒担持カーボンと高分子電解質を良好に分散できることからアルコール類を好適に用いてもよい。アルコール類としては、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−ブチルアルコール等のアルコール類を用いてもよい。   As the dispersion solvent, organic solvents such as water, alcohols, ketones, ethers, and esters are used alone or in combination. Among them, alcohols may be preferably used because the catalyst-supporting carbon and the polymer electrolyte can be dispersed well. As alcohols, for example, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, and tert-butyl alcohol may be used.

アルコール類へ、その他の有機溶媒を混合することもできる。その他の有機溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、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、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、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、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等を用いてもよい。また、グリコール、グリコールエーテル系溶媒としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール等を使用してもよい。   Other organic solvents can be mixed with the alcohols. Other organic solvents include acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, diisobutyl. Ketones such as ketones, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether and other ethers, isopropylamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine, aniline, etc. Amines, propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, Use esters such as propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, and other acetic acid, propionic acid, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, etc. May be. Examples of the glycol and glycol ether solvents include ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, and 1-ethoxy-2. -Propanol or the like may be used.

触媒インクは、触媒担持カーボン、高分子電解質、分散溶媒を混合し、分散処理を加えることで得てもよい。分散方法としては、ボールミルやビーズミル、ロールミル、せん断ミル、湿式ミル、超音波分散処理、ホモジナイザーが挙げられる。   The catalyst ink may be obtained by mixing a catalyst-supporting carbon, a polymer electrolyte, and a dispersion solvent and applying a dispersion treatment. Examples of the dispersion method include ball mill, bead mill, roll mill, shear mill, wet mill, ultrasonic dispersion treatment, and homogenizer.

冷却温度、冷却方法は、分散溶媒の融点以下に冷却でき触媒インクが固体化する方法であればどのような方法でもよく、冷却速度にも制限はない。例えば、触媒インクを液体窒素に接触させる方法が挙げられる。固形触媒インクは、保存の途中で融解させないようにすれば、1週間〜2週間は保存できる。   The cooling temperature and cooling method may be any method as long as it can be cooled below the melting point of the dispersion solvent and the catalyst ink is solidified, and the cooling rate is not limited. For example, there is a method of bringing the catalyst ink into contact with liquid nitrogen. If the solid catalyst ink is not melted during storage, it can be stored for 1 to 2 weeks.

固体状にして保存した触媒インクを使用するには、固形触媒インクを室温まで昇温して液体状にすればよい。保存後に再び液体状にした触媒インクは、変質しないようすぐに電極触媒層の製造に使用する。電極触媒層は、触媒インクを基材上に塗布する塗布工程と、基材上に塗布された触媒インクからなる塗膜の溶媒を除去する乾燥工程により、製造されてもよい。膜電極接合体は、基材上に形成された電極触媒層を高分子電解質膜に転写することで製造される。   In order to use the catalyst ink stored in a solid state, the solid catalyst ink may be heated to room temperature and made liquid. The catalyst ink that has been liquefied again after storage is immediately used for the production of the electrode catalyst layer so as not to change its quality. The electrode catalyst layer may be manufactured by an application step of applying a catalyst ink on a substrate and a drying step of removing a solvent of a coating film made of the catalyst ink applied on the substrate. The membrane / electrode assembly is produced by transferring an electrode catalyst layer formed on a substrate onto a polymer electrolyte membrane.

塗布工程で用いる基材には、ガス拡散層のほかに転写フィルムを用いてもよい。転写フィルムとしては、転写性がよい材質であればよく、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)などのフッ素系樹脂を用いてもよい。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を用いてもよい。これらの基材に、離形層を形成するなどの処理をしたものを用いても良い。   In addition to the gas diffusion layer, a transfer film may be used as the substrate used in the coating process. The transfer film may be made of any material having good transferability, such as ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer. Fluorine resins such as (PFA) and polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used. Further, a polymer film such as polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate may be used. You may use what processed the release layer etc. to these base materials.

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てもよい。具体的には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てもよい。ガス拡散層は基材として用いてもよい。   As a gas diffusion layer, you may use what is used for the normal fuel cell. Specifically, a porous carbon material such as carbon cloth, carbon paper, and nonwoven fabric may be used as the gas diffusion layer. The gas diffusion layer may be used as a substrate.

触媒インクの塗布方法としては、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いてもよい。   As a method for applying the catalyst ink, a doctor blade method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, or the like may be used.

乾燥工程の温度は特に制限されるものではないが、室温以上、150℃以下でおこなうことが好ましい。150℃よりも温度を高くすると、電極触媒層の乾燥ムラの発生や、高分子電解質に与える熱処理の影響も大きくなるため、適切でない。触媒インク中の溶媒の沸点以上では蒸発速度が著しく大きくなることから、溶媒の沸点未満であることが好ましい。   The temperature of the drying process is not particularly limited, but it is preferable to carry out at a room temperature or higher and 150 ° C. or lower. If the temperature is higher than 150 ° C., it is not appropriate because the generation of uneven drying of the electrode catalyst layer and the effect of heat treatment on the polymer electrolyte increase. When the boiling point of the solvent in the catalyst ink is not lower than the boiling point of the solvent, the evaporation rate is remarkably increased.

基材上に形成した電極触媒層を高分子電解質膜の両面に接合させることで、膜電極接合体が得られる。接合方法は、高分子電解質膜の両面に、基材上に形成した電極触媒層を配置し、これらを加熱、加圧することで接合できる。基材として転写フィルムを用いた場合には、接合後に転写フィルムを剥離し、高分子電解質膜の両面に触媒層を備える膜電極接合体としてもよい。また、基材にガス拡散層を用いた場合には、転写工程後にガス拡散層である基材を剥離する必要は無い。   A membrane electrode assembly is obtained by bonding the electrode catalyst layer formed on the base material to both surfaces of the polymer electrolyte membrane. As a joining method, electrode catalyst layers formed on a base material are arranged on both surfaces of a polymer electrolyte membrane, and these can be joined by heating and pressurizing them. When a transfer film is used as the substrate, the transfer film may be peeled off after bonding, and a membrane electrode assembly including catalyst layers on both sides of the polymer electrolyte membrane may be used. Moreover, when a gas diffusion layer is used for the base material, it is not necessary to peel off the base material that is the gas diffusion layer after the transfer step.

高分子電解質膜としては、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てもよい。フッ素系高分子電解質としては、例えば、Dupont社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製AcipleNx(登録商標)、Gore社製Gore Select(登録商標)などを用いてもよい。炭化水素系高分子電解質膜としては、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の電解質膜を用いてもよい。中でも、高分子電解質膜としてDupont社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。   The polymer electrolyte membrane only needs to have proton conductivity, and a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte may be used. Examples of the fluorine-based polymer electrolyte include Nafion (registered trademark) manufactured by Dupont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Nile (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. Etc. may be used. As the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, electrolyte membranes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene may be used. Among them, a Nafion (registered trademark) material manufactured by Dupont can be suitably used as the polymer electrolyte membrane.

〈触媒インクの調製〉
白金担持量が30質量%である白金担持カーボン触媒(担体:Ketjen)と、20質量%高分子電解質溶液(ナフィオン:Nafion(登録商標)、Dupont社製)、分散溶媒を用意し、遊星型ボールミルで分散処理をおこない、触媒インクを調製した。分散溶媒は、水、エタノールの混合溶媒とした。
<Preparation of catalyst ink>
A planetary ball mill comprising a platinum-supported carbon catalyst (support: Ketjen) having a platinum support amount of 30% by mass, a 20% by mass polymer electrolyte solution (Nafion (registered trademark), manufactured by Dupont), and a dispersion solvent. Then, a dispersion treatment was performed to prepare a catalyst ink. The dispersion solvent was a mixed solvent of water and ethanol.

〈触媒インクの保存〉
調製した触媒インクを、液体窒素を入れた断熱容器中へ移し、固形触媒インクとした。冷却を続け固形触媒インクの状態を保持して1週間保存した。
<Storage of catalyst ink>
The prepared catalyst ink was transferred into a heat insulating container containing liquid nitrogen to obtain a solid catalyst ink. Cooling was continued and the state of the solid catalyst ink was maintained and stored for 1 week.

〈触媒インクの使用、膜電極接合体の作製〉
固形触媒インクを密封容器へ取り出し、室温で静置した。固形触媒インクは液体状に変化した。PTFEシートを基材として、液体状に変化した触媒インクを、ドクターブレードを用いて塗布し、80℃に設定したオーブン内で5分間乾燥させて転写フィルム上に電極触媒層を作製した。これを正方形に一組打ち抜き、高分子電解質膜(Nafion212(登録商標)、Dupont社製)の両面にそれぞれ対面するように配置した積層体とし、130℃で10分間、ホットプレスを行った。ホットプレスを行った後、基材のPTFEを剥離することで、膜電極接合体を作製した。
<Use of catalyst ink, production of membrane electrode assembly>
The solid catalyst ink was taken out into a sealed container and allowed to stand at room temperature. The solid catalyst ink changed to a liquid state. Using PTFE sheet as a base material, the catalyst ink changed into a liquid state was applied using a doctor blade and dried in an oven set at 80 ° C. for 5 minutes to prepare an electrode catalyst layer on the transfer film. A set of this was punched out into a square shape, and a laminated body was arranged so as to face both surfaces of the polymer electrolyte membrane (Nafion 212 (registered trademark), manufactured by Dupont), and hot pressing was performed at 130 ° C. for 10 minutes. After hot pressing, the membrane electrode assembly was produced by peeling off the PTFE of the base material.

〈発電性能測定〉
実施例および比較例の各膜電極接合体にガス拡散層としてのカーボンクロスを挟持するように貼り合わせ、発電評価セル内に設置した。これを、燃料電池測定装置を用いてセル温度80℃で電流電圧測定を行った。加湿条件は、アノード、カソードともに25%RHとした。燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用いた。背圧は100kPaとした。
<Power generation performance measurement>
The membrane electrode assemblies of Examples and Comparative Examples were bonded together so as to sandwich a carbon cloth as a gas diffusion layer, and installed in a power generation evaluation cell. This was measured at a cell temperature of 80 ° C. using a fuel cell measuring device. The humidification condition was 25% RH for both the anode and the cathode. Hydrogen was used as the fuel gas and air was used as the oxidant gas. The back pressure was 100 kPa.

(結果)
1週間保存した触媒インクから製造した膜電極接合体は、保存せず直ちに使用した触媒インクから製造した膜電極接合体と同等の発電性能を示した。従って、本発明に係る保存方法により保存された触媒インクを用いて製造された膜電極接合体は、触媒インクを長期間保存した後であっても、発電性能が変わらないことが確認された。
(result)
The membrane / electrode assembly produced from the catalyst ink stored for one week showed the same power generation performance as the membrane / electrode assembly produced from the catalyst ink which was used immediately without being stored. Therefore, it was confirmed that the membrane electrode assembly manufactured using the catalyst ink stored by the storage method according to the present invention does not change the power generation performance even after storing the catalyst ink for a long time.

本発明の膜電極接合体は発電性能が均一である。したがって、本発明は高分子電解質膜を用いた燃料電池、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。   The membrane electrode assembly of the present invention has uniform power generation performance. Therefore, the present invention can be suitably used for a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, particularly a stationary cogeneration system and an electric vehicle.

Claims (2)

触媒担持カーボンと、分散溶媒と、高分子電解質とを含む冷却して固体化した固形の触媒インクを昇温し液体状にし、
前記液体状の触媒インクを基材上に塗布して塗膜を形成し、
前記塗膜に含まれる前記分散溶媒を乾燥させて除去して電極触媒層を形成することを特徴とする触媒インクの使用方法。
The solid catalyst ink that has been cooled and solidified containing the catalyst-supporting carbon, the dispersion solvent, and the polymer electrolyte is heated to a liquid state,
Applying the liquid catalyst ink on a substrate to form a coating film,
A method for using a catalyst ink, comprising drying and removing the dispersion solvent contained in the coating film to form an electrode catalyst layer.
前記昇温は1℃以上30℃以下の温度まで行うことを特徴とする請求項に記載の触媒インクの使用方法。 The method of using a catalyst ink according to claim 1 , wherein the temperature rise is performed to a temperature of 1 ° C or higher and 30 ° C or lower.
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