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JP7563156B2 - Catalyst ink for polymer electrolyte fuel cells - Google Patents

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JP7563156B2
JP7563156B2 JP2020208483A JP2020208483A JP7563156B2 JP 7563156 B2 JP7563156 B2 JP 7563156B2 JP 2020208483 A JP2020208483 A JP 2020208483A JP 2020208483 A JP2020208483 A JP 2020208483A JP 7563156 B2 JP7563156 B2 JP 7563156B2
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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用触媒インクに関する。 The present invention relates to a catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell.

近年、地球温暖化などの環境問題を解決するために、CO削減に向けた新規動力源の開発が求められている。その動力源として、COを排出しない燃料電池が注目されている。燃料電池とは、燃料(例:水素)と酸化剤(例:酸素)を用いて酸化して無害な水を生成する。水を生成することで得られた化学エネルギーを電気エネルギーに変換して、動力源または電源として使用される。 In recent years, in order to solve environmental problems such as global warming, there is a demand for the development of new power sources aimed at reducing CO2 emissions . As a power source, fuel cells that do not emit CO2 have attracted attention. A fuel cell uses a fuel (e.g., hydrogen) and an oxidant (e.g., oxygen) to oxidize and generate harmless water. The chemical energy obtained by generating water is converted into electrical energy, which is used as a power source or power source.

燃料電池は、電解質の種類によって分類されることから作動温度に強く依存し、搭載物が作動する温度領域によってそれぞれ適した燃料電池が使用される。固体高分子形燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型化および軽量化が可能であることから、家庭用電源、車載用動力源として開発が行なわれている。 Fuel cells are classified according to the type of electrolyte, so they are highly dependent on the operating temperature, and the appropriate fuel cell is used depending on the temperature range in which the load operates. Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) operate at low temperatures, have high output density, and can be made small and lightweight, so they are being developed as home power sources and vehicle power sources.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、高分子電解質膜を燃料極(アノード)と空気極(カソード)で挟んだ構造体(膜電極接合体)を持ち、燃料極側に燃料ガスとして水素を供給し、空気極側に酸素を含む空気ガスを供給することで、下記の電気化学反応により発電する。
アノード:H→ 2H+ 2e ・・・(反応1)
カソード:1/2O+ 2H + 2e → HO ・・・(反応2)
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層の積層構造からなる。アノード側触媒層に供給された水素から、電極触媒によりプロトンと電子を生成する(反応1)。プロトンは、アノード側触媒層内の高分子電解質、高分子電解質膜を通過して、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソードに移動する。カソード側触媒層では、プロトン、電子および外部から供給された空気中に含まれる酸素が反応して水を生成する(反応2)。
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure (membrane electrode assembly) in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode). Hydrogen is supplied as fuel gas to the fuel electrode side, and air gas containing oxygen is supplied to the air electrode side, generating electricity through the following electrochemical reaction:
Anode: H2 → 2H ++ 2e -... (Reaction 1)
Cathode: 1/2O2 + 2H ++ 2e-H2O ... (Reaction 2)
The anode and cathode each have a laminated structure of a catalyst layer and a gas diffusion layer. Protons and electrons are generated from hydrogen supplied to the anode catalyst layer by the electrode catalyst (Reaction 1). The protons pass through the polymer electrolyte and polymer electrolyte membrane in the anode catalyst layer and move to the cathode. The electrons pass through an external circuit and move to the cathode. In the cathode catalyst layer, the protons, electrons, and oxygen contained in the air supplied from the outside react to generate water (Reaction 2).

燃料電池の低コスト化に向けて、高出力特性を示す燃料電池の開発に注力されている。しかしながら、低加湿運転下による水の不足によって高分子電解質のプロトン伝導が低下して発電性能を減少させる問題がある。燃料電池の触媒は、導電性担体、例えば、カーボン粒子表面に白金などの触媒活性を有する金属が担持されたものである。カーボン粒子表面は元来疎水性であり、触媒活性を有する金属の表面も不純物などの影響で表面の状態が制御でない。このような触媒粒子と親水性の高分子溶液とを混合すると、触媒粒子の表面張力によって混合直後は粒子がままこ状態になり、触媒粒子を均一に分散させることが困難なる。そこで、前記触媒担持粒子について、その粒度分布のピークが1μmとする技術が知られている(特許文献1)。一般に触媒担持粒子の表面を賦活処理すると、表面積が大きくなるため、互いに吸着して塊りができやすい。粒度が1μm以下の触媒担持粒子を用いても、賦活処理後の触媒担持粒子の粒度を測定すると、粒度が1μm以上の領域においてピークが現れる場合がある。このピークは塊りによるものと考えられる。そして、このような塊りが生じている触媒担持粒子を用いて電解質膜を製造すると、塊りが電解質膜に押し込められて、電解質膜を破断させるなど、電解質膜に悪影響を与える場合がある。上記課題を解決するために、触媒インク中でプロトン伝導の機能を担う高分子電解質と触媒とを均一に絡み合わせることでプロトン伝導性を高めて固体高分子形燃料電池の出力特性を向上させた。 In order to reduce the cost of fuel cells, efforts are being made to develop fuel cells that exhibit high output characteristics. However, there is a problem that the proton conductivity of the polymer electrolyte decreases due to a lack of water caused by low humidification operation, which reduces the power generation performance. The catalyst for fuel cells is a conductive carrier, for example, a carbon particle surface on which a metal with catalytic activity such as platinum is supported. The surface of the carbon particle is originally hydrophobic, and the surface state of the surface of the catalytic metal is also uncontrollable due to the influence of impurities. When such catalyst particles are mixed with a hydrophilic polymer solution, the particles become loose immediately after mixing due to the surface tension of the catalyst particles, making it difficult to uniformly disperse the catalyst particles. Therefore, a technology is known in which the particle size distribution peak of the catalyst-supported particles is 1 μm (Patent Document 1). In general, when the surface of the catalyst-supported particles is activated, the surface area increases, so that they tend to adhere to each other and form agglomerates. Even if catalyst-supported particles with a particle size of 1 μm or less are used, when the particle size of the catalyst-supported particles after activation is measured, a peak may appear in the region of particle sizes of 1 μm or more. This peak is thought to be due to agglomerations. If an electrolyte membrane is manufactured using catalyst-supported particles containing such agglomerates, the agglomerates may be pushed into the electrolyte membrane, causing it to break and otherwise adversely affecting the electrolyte membrane. To solve the above problem, the polymer electrolyte that performs the proton conduction function and the catalyst are uniformly intertwined in the catalyst ink to increase proton conductivity and improve the output characteristics of solid polymer electrolyte fuel cells.

特開2005-285511号公報JP 2005-285511 A

本発明は上記のような実情を鑑みて成されたものであり、プロトン伝導が向上でき、高出力が可能な固体高分子形燃料電池用触媒インクを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has an object to provide a catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell that can improve proton conductivity and enable high output.

上記の課題を解決するため一態様、触媒粒子、導電性担体、高分子電解質、繊維状物質および溶媒で構成された固体高分子形燃料電池用触媒インクであって、粒子径分布測定装置で測定された前記触媒インクの分散質における粒子径が1.0μm以上12μm以下の範囲に存在する頻度ピーク(P1)と、粒子径が0.3μm以上1.0μm未満の範囲に存在する頻度ピーク(P2)との比(P2/P1)が1.2以上2.0未満である式(1)を満たすことを特徴とする。 One aspect for solving the above problem is a catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell, which is composed of catalyst particles, a conductive support, a polymer electrolyte, a fibrous material and a solvent, and is characterized in that the ratio (P2/P1) of a frequency peak (P1) existing in a particle diameter range of 1.0 μm or more and 12 μm or less in the dispersoid of the catalyst ink measured by a particle size distribution measuring device to a frequency peak (P2) existing in a particle diameter range of 0.3 μm or more and less than 1.0 μm is 1.2 or more and less than 2.0.

2.0 > P2 / P1 ≧ 1.2 ・・・・式(1)
また、一態様に係る固体高分子形燃料電池用触媒インク、前記触媒粒子が白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムから選ばれた金属であることを特徴とする
また、一態様に係る固体高分子形燃料電池用触媒層、前記固体高分子形燃料電池用触媒インクで作製されたことを特徴とする。
2.0 > P2 / P1 ≧ 1.2 ... Formula (1)
In addition , the catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment is characterized in that the catalyst particles are made of a metal selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium .
A catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment is characterized in that it is produced from the catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell.

また、一態様に係る固体高分子形燃料電池用膜―電極接合体、前記固体高分子形燃料電池用触媒層をアノードおよびカソードの少なくとも一方に設けることを特徴とする。 A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment is characterized in that the above-mentioned catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell is provided on at least one of an anode and a cathode.

本発明の一態様によれば、プロトン伝導が向上し、高い発電性能を示す固体高分子形燃料電池用触媒インクを提供することが可能となる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell which has improved proton conductivity and exhibits high power generation performance.

実施形態に係る固体高分子形燃料電池用の触媒インクの構成図である。FIG . 1 is a diagram showing the configuration of a catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment. 実施形態に係る固体高分子形燃料電池用の触媒層の構成図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment. 実施形態に係る膜電極接合体の構成図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a membrane electrode assembly according to an embodiment.

本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下に記載する実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれるものである。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiment described below, and modifications such as design changes can be made based on the knowledge of those skilled in the art. Such modified embodiments are also included in the scope of the present invention.

図1は、触媒粒子1、導電性担体2、高分子電解質3、繊維状物質4を備えた一実施形態固体高分子形燃料電池用の触媒インクである。図2は、触媒粒子1、導電性担体2、高分子電解質3および繊維状物質4を備えた固体高分子形燃料電池用の触媒層(カソード用触媒層5,アノード用触媒層6)である。図3は、高分子電解質膜7、カソード用触媒層5、アノード用触媒層6、ガスケット材8およびガス拡散層9を備えた膜電極接合体である。 Fig. 1 shows a catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment, comprising catalyst particles 1, a conductive support 2, a polymer electrolyte 3, and a fibrous material 4. Fig. 2 shows catalyst layers (cathode catalyst layer 5, anode catalyst layer 6) for a polymer electrolyte fuel cell, comprising catalyst particles 1, a conductive support 2, a polymer electrolyte 3, and a fibrous material 4. Fig. 3 shows a membrane electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane 7, a cathode catalyst layer 5, an anode catalyst layer 6, a gasket material 8, and a gas diffusion layer 9.

次に触媒層(カソード触媒層5,アノード触媒層6)の構成について、図2を参照して説明する。本実施形態で用いる触媒粒子1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ほか、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、若しくはこれらの合金が使用できる。また、酸化物、複酸化物等も使用できる。さらに、これらの触媒の粒径は、例えば0.1nm以上1μm以下、好ましくは0.5nm以上100nm以下、更に好ましくは1nm以上10nm以下である。 Next, the configuration of the catalyst layers (cathode catalyst layer 5, anode catalyst layer 6) will be described with reference to FIG. 2. As the catalyst particles 1 used in this embodiment, in addition to platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium, metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, or alloys thereof can be used. Oxides, double oxides, etc. can also be used. Furthermore, the particle size of these catalysts is, for example, 0.1 nm to 1 μm, preferably 0.5 nm to 100 nm, and more preferably 1 nm to 10 nm.

これらの触媒粒子1を担持する導電性担体2は、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒粒子1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、フラーレン等が使用できる。 Carbon particles are generally used as the conductive support 2 that supports these catalyst particles 1. Any type of carbon particles can be used as long as they are fine particles, conductive, and not corroded by the catalyst particles 1, but examples of usable carbon particles include carbon black, graphite, activated carbon, and fullerene.

本実施形態で用いる高分子電解質3としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜7(図3参照)と同様の素材を用いることができ、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質等を用いることができる。なお、フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)系材料等を用いることができる。 The polymer electrolyte 3 used in this embodiment may be any material having proton conductivity, and may be made of the same material as the polymer electrolyte membrane 7 (see FIG. 3), such as a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte. As the fluorine-based polymer electrolyte, for example, a Nafion (registered trademark)-based material manufactured by DuPont may be used.

触媒粒子1に担持されている導電性担体2の質量Cおよび繊維状物質4の質量CFと高分子電解質3の質量Iとの比I/(C+CF)は、0.2以上1.5以下であると良い。
特に、IEC(高分子電解質のイオン交換容量)が1.1以上1.3未満の際には、I/(C+CF)は、0.2以上0.8未満であるとより好ましい。また、IECが1.3以上1.5未満の際には、I/(C+CF)は、0.8以上1.5以下であるとより好ましい。これは、IECが低いほど、高分子電解質3と繊維状物質4とが絡み合いやすく、IECによって発電性能に対するI/(C+CF)の有効範囲が変化するためである。
I/(C+CF)が0.2未満のとき、プロトンパスが乏しく、発電性能を著しく損なう。また、I/(C+CF)が1.5を超えるとき、触媒層の排水性が低下して、燃料電池の発電性能を著しく損なう。
The ratio I/(C+CF) of the mass C of the conductive support 2 and the mass CF of the fibrous material 4 supported on the catalyst particle 1 to the mass I of the polymer electrolyte 3 is preferably 0.2 or more and 1.5 or less.
In particular, when the IEC (ion exchange capacity of the polymer electrolyte) is 1.1 or more and less than 1.3, I/(C+CF) is more preferably 0.2 or more and less than 0.8. Also, when the IEC is 1.3 or more and less than 1.5, I/(C+CF) is more preferably 0.8 or more and 1.5 or less. This is because the lower the IEC, the more easily the polymer electrolyte 3 and the fibrous material 4 are entangled, and the effective range of I/(C+CF) for power generation performance changes depending on the IEC.
When I/(C+CF) is less than 0.2, the proton path is poor, and the power generation performance is significantly impaired.When I/(C+CF) is more than 1.5, the drainage of the catalyst layer is reduced, and the power generation performance of the fuel cell is significantly impaired.

本実施形態で用いた繊維状物質4としては、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどのカーボン繊維およびプロトン伝導性を備えた高分子電解質繊維を用いることが出来る。好ましくは、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブが挙げられる。例えば、昭和電工社製のVGCFーH(登録商標)などの材料を用いることが出来る。カーボン繊維の繊維径としては、30~500nmが好ましく、60~300nmがより好ましい。上記範囲にすることにより、触媒層内の空隙を増加させることができ、高い発電性能を示す。カーボン繊維の繊維長は0.5~20μmが好ましく、1~10μmがより好ましい。上記範囲にすることにより、触媒層の強度を高めることができ、形成時にクラックが生じることを抑制できる。また、触媒層内の空隙を増加させることができ、高い発電性能を示す。また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子1を担持した導電性担体2、高分子電解質3および繊維状物質4を浸食することがなく、高分子電解質3を流動性の高い状態で溶解若しく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。 The fibrous material 4 used in this embodiment can be carbon fibers such as carbon fibers, carbon nanofibers, and carbon nanotubes, and polymer electrolyte fibers with proton conductivity. Carbon nanofibers and carbon nanotubes are preferable. For example, materials such as VGCF-H (registered trademark) manufactured by Showa Denko KK can be used. The fiber diameter of the carbon fiber is preferably 30 to 500 nm, more preferably 60 to 300 nm. By setting it in the above range, the voids in the catalyst layer can be increased, and high power generation performance is shown. The fiber length of the carbon fiber is preferably 0.5 to 20 μm, more preferably 1 to 10 μm. By setting it in the above range, the strength of the catalyst layer can be increased and the occurrence of cracks during formation can be suppressed. In addition, the voids in the catalyst layer can be increased, and high power generation performance is shown. In addition, the solvent used as the dispersion medium of the catalyst ink is not particularly limited as long as it does not erode the conductive carrier 2 supporting the catalyst particles 1, the polymer electrolyte 3, and the fibrous material 4, and can dissolve or disperse the polymer electrolyte 3 as a fine gel in a highly fluid state.

なお、溶媒としては揮発性の有機溶媒や水が含まれることが望ましく、有機溶媒に関しては、特に限定されるものではないが、メタノール、エタノール、1-プロパノ―ル、2-プロパノ―ル、1-ブタノ-ル、2-ブタノ-ル、イソブチルアルコール、tert-ブチルアルコール、ペンタノ-ル等のアルコール系溶媒、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媒、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、ジブチルエーテル等のエーテル系溶媒、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-プロパノール等の極性溶媒等が使用される。また、3種以上の溶媒を混合させたものが好ましく、中でも2種以上のアルコールを含むものが好ましい。さらに、極性や誘電率が異なる複数の溶媒が触媒インク中に混在することで高分子電解質3が触媒に隅々まで行き届き、発電性能を向上させる。 In addition, it is preferable that the solvent contains a volatile organic solvent or water. The organic solvent is not particularly limited, but examples of the organic solvent include alcohol solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, and pentanol; ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, and diisobutyl ketone; ether solvents such as tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, and dibutyl ether; and polar solvents such as dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, and 1-methoxy-2-propanol. A mixture of three or more solvents is preferable, and a mixture containing two or more alcohols is particularly preferable. Furthermore, by mixing multiple solvents with different polarities and dielectric constants in the catalyst ink, the polymer electrolyte 3 penetrates every corner of the catalyst, improving power generation performance.

次に膜電極接合体の作製と構成について、図3を参照して説明する。
上記膜電極接合体は、高分子電解質膜7の表裏面に、触媒層(表面側にカソード触媒層5,裏面側にアノード触媒層6)、ガスケット材8及びガス拡散層9を備えている。ガスケット材8及びガス拡散層9は、この順番で高分子電解質膜7側から順次積層されている。ガスケット材8は、触媒層(カソード触媒層5,アノード触媒層6)の周囲を囲むようにして配置されている。
Next, the preparation and configuration of the membrane electrode assembly will be described with reference to FIG.
The membrane electrode assembly includes catalyst layers (cathode catalyst layer 5 on the front side and anode catalyst layer 6 on the back side), a gasket material 8, and a gas diffusion layer 9 on the front and back sides of a polymer electrolyte membrane 7. The gasket material 8 and the gas diffusion layer 9 are laminated in this order from the polymer electrolyte membrane 7 side. The gasket material 8 is disposed so as to surround the periphery of the catalyst layers (cathode catalyst layer 5, anode catalyst layer 6).

上記膜電極接合体に用いられる高分子電解質膜7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等を用いることができる。なお、フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)等を用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、例えば、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ることができる。中でも、高分子電解質膜7としてフッ素系高分子電解質としてパーフルオロスルホン酸を含む材料を好適に用いることができる。 The polymer electrolyte membrane 7 used in the membrane electrode assembly may be any one having proton conductivity, and may be a fluorine-based polymer electrolyte, a hydrocarbon-based polymer electrolyte, or the like. As the fluorine-based polymer electrolyte, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont may be used. As the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, for example, an electrolyte membrane such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, or sulfonated polyphenylene may be used. In particular, a material containing perfluorosulfonic acid as a fluorine-based polymer electrolyte may be preferably used as the polymer electrolyte membrane 7.

ガスケット材8及び粘着層を有するプラスチックフィルムは、熱加圧時に溶融しない程度の耐熱性を有しているものであれば良い。例えば、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリパルバン酸アラミド、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、ポリアクリレート等の高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、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、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、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。ガスケット材8における基材としては、ガスバリヤ性、耐熱性を考慮した場合、ポリエチレンナフタレートであることが特に好ましい。 The gasket material 8 and the plastic film having the adhesive layer may be heat-resistant to such an extent that they do not melt when heated and pressed. For example, polymer films such as polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polyimide, polypalvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, and polyacrylate can be used. Heat-resistant fluororesins such as ethylene tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkylvinylether copolymer, and polytetrafluoroethylene can also be used. When gas barrier properties and heat resistance are taken into consideration, polyethylene naphthalate is particularly preferable as the base material for the gasket material 8.

ガスケット材8及び粘着層を有するプラスチックフィルムの粘着層は、アクリル系、ウレタン系、シリコーン系、ゴム系などの粘着剤であればよく、ガスケット材8及び高分子電解質膜5との密着性と、熱加圧時における耐熱性を考慮するとアクリル系であることがより好ましい。ガスケット材8及び粘着層を有するプラスチックフィルムの粘着層の密着性は、高分子電解質膜5-ガスケット材8間の密着力が、ガスケット材―粘着層を有するプラスチックフィルム間の密着力より大きければ、膜電極接合体にガスケット材8を付与することが容易であるため好ましい。 The gasket material 8 and the adhesive layer of the plastic film having an adhesive layer may be an acrylic, urethane, silicone, rubber, or other adhesive, and is preferably an acrylic adhesive in consideration of adhesion between the gasket material 8 and the polymer electrolyte membrane 5 and heat resistance during heating and pressurization. The adhesion between the gasket material 8 and the adhesive layer of the plastic film having an adhesive layer is preferably such that the adhesive strength between the polymer electrolyte membrane 5 and the gasket material 8 is greater than the adhesive strength between the gasket material and the plastic film having an adhesive layer, since this makes it easier to apply the gasket material 8 to the membrane electrode assembly.

次に、上記触媒インク、触媒層および膜電極接合体の製造について説明する。触媒インクを作製する際の分散処理は、様々な装置を用いることができる。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、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良い。 Next, the manufacture of the catalyst ink, catalyst layer, and membrane electrode assembly will be described. Various devices can be used for the dispersion process when preparing the catalyst ink. For example, the dispersion process can be a process using a ball mill or roll mill, a process using a shear mill, a process using a wet mill, or an ultrasonic dispersion process. A homogenizer that stirs by centrifugal force may also be used.

分散された上記触媒インクの分散性および粒子径は、例えば以下の方法を用いて測定することができる。まず、分散処理を完了した触媒インクについて、レーザー回折散乱法を取り入れた粒子径分布測定装置を用いて触媒インクに含まれる分散質の粒子径を測定する。 The dispersibility and particle size of the dispersed catalyst ink can be measured, for example, using the following method. First, for the catalyst ink that has completed the dispersion process, the particle size of the dispersoid contained in the catalyst ink is measured using a particle size distribution measuring device that incorporates the laser diffraction scattering method.

使用装置および測定条件を以下の通りとする。
装置名:レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置
型番:MT3000II SERIES
メーカー:MICROTRACK MRB
透過設定:吸収
上記粒径分布測定装置を用いて測定された触媒インクでは、2つ以上3つ以下のピークが確認される。粒子径が1.0μm以上12μm以下の範囲に存在する頻度ピークを一次ピーク(P)、粒子径が0.3μm以上1.0μm未満の範囲に存在する頻度ピークを二次ピーク(P)とすると、二次ピーク/一次ピーク比(P/P)が1.2以上2.0未満であることが好ましい。また、上記ピーク比が1.0以下であると、触媒と電解質との絡み合いが弱くなり、プロトン伝導性が低下し、出力特性は損なわれる。さらに、上記ピーク比が2.0以上であると、触媒と電解質との絡み合いが過剰に強くなり、形成される触媒層中の空孔が狭くなって水詰まりが生じ、出力特性は損なわれる。
The equipment and measurement conditions used are as follows:
Device name: Laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device Model number: MT3000II SERIES
Manufacturer: MICROTRACK MRB
Transmission setting: Absorption In the catalyst ink measured using the particle size distribution measuring device, two or more and three or less peaks are confirmed. If the frequency peak existing in the particle diameter range of 1.0 μm or more and 12 μm or less is the primary peak (P 1 ), and the frequency peak existing in the particle diameter range of 0.3 μm or more and less than 1.0 μm is the secondary peak (P 2 ), it is preferable that the secondary peak/primary peak ratio (P 2 /P 1 ) is 1.2 or more and less than 2.0. Furthermore, if the peak ratio is 1.0 or less, the entanglement between the catalyst and the electrolyte is weakened, the proton conductivity is reduced, and the output characteristics are impaired. Furthermore, if the peak ratio is 2.0 or more, the entanglement between the catalyst and the electrolyte is excessively strong, the pores in the formed catalyst layer are narrowed, water clogging occurs, and the output characteristics are impaired.

上記触媒インクを塗工用基材上に形成する塗工方式として、ダイ方式、グラビア方式、およびスプレー方式などが挙げられるが、本発明に関しては限定しない。膜電極接合体の構成要素である上記触媒層が形成される塗工用基材は、高分子電解質膜7および転写基材であるが、本発明に関しては限定しない。 Coating methods for forming the catalyst ink on a coating substrate include die coating, gravure coating, and spray coating, but are not limited to these methods in the present invention. The coating substrate on which the catalyst layer, which is a component of the membrane electrode assembly, is formed is the polymer electrolyte membrane 7 and the transfer substrate, but are not limited to these methods in the present invention.

転写法で作製する場合、転写基材を構成する材料としては、その表面に触媒層を形成できるものであり、かつ触媒層を高分子電解質膜7に転写できるものであれば良い。例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、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、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、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、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、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。 When fabricating by the transfer method, the material constituting the transfer substrate may be one on whose surface a catalyst layer can be formed and from which the catalyst layer can be transferred to the polymer electrolyte membrane 7. For example, polymer films such as polyimide, polyethylene terephthalate, polypalvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyacrylate, and polyethylene naphthalate can be used. Heat-resistant fluororesins such as ethylene tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkylvinyl ether copolymer, and polytetrafluoroethylene can also be used.

カソード用触媒層5およびアノード用触媒層6のイオン交換容量をIECとして、IECが1.1以上1.5以下であることが望ましい。この範囲では、触媒層のガス拡散性および排水性が高まり、良好な発電性能が得られる。一方、IECが1.1未満のとき、高分子電解質3と繊維状物質4との絡み合いが抑制され、高分子電解質3が凝集するため、好ましくない。また、IECが1.5を超える場合、高分子電解質3と導電性担体2あるいはカーボン繊維4との結びつきが強くなり、排水性が低下するため、好ましくない。
上記のことから、IECが1.1以上1.5以下であるカーボン繊維含有の触媒層を持った膜電極接合体は高い発電性能を示すことがわかる。
The ion exchange capacity of the cathode catalyst layer 5 and the anode catalyst layer 6 is desirably IEC 1.1 or more and 1.5 or less. In this range, the gas diffusion and drainage of the catalyst layer are improved, and good power generation performance is obtained. On the other hand, when the IEC is less than 1.1, the entanglement of the polymer electrolyte 3 and the fibrous material 4 is suppressed, and the polymer electrolyte 3 aggregates, which is not preferable. Also, when the IEC exceeds 1.5, the bond between the polymer electrolyte 3 and the conductive support 2 or the carbon fiber 4 becomes strong, and the drainage is reduced, which is not preferable.
From the above, it is understood that a membrane electrode assembly having a catalyst layer containing carbon fibers with an IEC of 1.1 or more and 1.5 or less exhibits high power generation performance.

実施形態膜電極接合体は、上記触媒層をアノードおよびカソードの少なくとも一方に設けており、このような構成とすることにより発電性能が優れた膜電極接合体が得られる。以上で説明した膜電極接合体の製造方法によれば、高分子電解質膜7の両面に触媒層が良好な形状で接合された膜電極接合体を製造することができる。 In one embodiment of the membrane electrode assembly, the above-mentioned catalyst layer is provided on at least one of the anode and the cathode, and by adopting such a configuration, a membrane electrode assembly with excellent power generation performance can be obtained. According to the manufacturing method of the membrane electrode assembly described above, it is possible to manufacture a membrane electrode assembly in which catalyst layers are joined in a good shape to both sides of the polymer electrolyte membrane 7.

以下、本発明を実施例について具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。 The present invention will be specifically described below with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

まず、共通する製造工程について説明する。
<触媒インクの調液>
触媒層を形成するための触媒インクは、フッ素系高分子電解質の分散溶液(DE2020:ケマーズ社製)、触媒として白金を用いた白金担持カーボン(TEC10E50E:田中貴金属工業社製)、繊維状物質、2種のアルコールおよび水で構成されており、これらをボールミルで混合することで触媒層の触媒インクを調液した。
<触媒インクの粒子径分布測定>
後述する実施例1~3および比較例1~3でそれぞれ作製した触媒インクに含まれる分散質の粒子径について、レーザー回折散乱式粒子径分布測定装置で評価した。
<触媒層の形成および膜―電極接合体の製造>
アプリケーターにより、アノード触媒層およびカソード触媒層を高分子電解質膜上に形成させて、膜-電極接合体を製造した。
<発電評価>
後述する実施例1~3および比較例1~3でそれぞれ作製した膜-電極接合体を挟持するように、ガス拡散層として用いるカーボンペーパーを貼り合わせ、発電評価セル内に設置した。
First, the common manufacturing process will be described.
<Preparation of catalyst ink>
The catalyst ink for forming the catalyst layer was composed of a dispersion solution of a fluorine-based polymer electrolyte (DE2020: manufactured by Chemours), platinum-supported carbon using platinum as a catalyst (TEC10E50E: manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.), a fibrous material, two types of alcohol, and water. The catalyst ink for the catalyst layer was prepared by mixing these in a ball mill.
<Measurement of particle size distribution of catalyst ink>
The particle sizes of the dispersoids contained in the catalyst inks prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 described below were evaluated using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device.
<Formation of catalyst layer and production of membrane-electrode assembly>
An anode catalyst layer and a cathode catalyst layer were formed on the polymer electrolyte membrane by an applicator to produce a membrane-electrode assembly.
<Power generation evaluation>
The membrane-electrode assemblies produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 described below were sandwiched between carbon papers to be used as gas diffusion layers, and placed in a power generation evaluation cell.

次に燃料電池測定装置を用いて、セル温度80℃とし、電流電圧測定を行った。燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用い、利用率一定による流量制御した。
[実施例1]
粒子径分布測定装置で得られた頻度ピーク比(P/P)が1.23であるカソード触媒インクを、カソード触媒層の白金担持量が0.3mg/cmになるように塗工し、これを備えた膜-電極接合体を作製した。
[実施例2]
粒子径分布測定装置で得られた頻度ピーク比(P/P)が1.47であるカソード触媒インクを、カソード触媒層の白金担持量が0.3mg/cmになるように塗工し、これを備えた膜-電極接合体を作製した。
[実施例3]
粒子径分布測定装置で得られた頻度ピーク比(P/P)が1.93であるカソード触媒インクを、カソード触媒層の白金担持量が0.3mg/cmになるように塗工し、これを備えた膜-電極接合体を作製した。
[比較例1]
粒子径分布測定装置で得られた頻度ピーク比(P/P)が0.52であるカソード触媒インクを、カソード触媒層の白金担持量が0.3mg/cmになるように塗工し、これを備えた膜-電極接合体を作製した。
[比較例2]
粒子径分布測定装置で得られた頻度ピーク比(P/P)が0.95であるカソード触媒インクを、カソード触媒層の白金担持量が0.3mg/cmになるように塗工し、これを備えた膜-電極接合体を作製した。
[比較例3]
粒子径分布測定装置で得られた頻度ピーク比(P/P)が2.12であるカソード触媒インクを、カソード触媒層の白金担持量が0.3mg/cmになるように塗工し、これを備えた膜-電極接合体を作製した。
<評価結果>
表に実施例および比較例のP/Pおよび出力特性の値をまとめた。
Next, a fuel cell measuring device was used to measure current and voltage at a cell temperature of 80° C. Hydrogen was used as the fuel gas and air was used as the oxidizing gas, and the flow rates were controlled to keep the utilization rate constant.
[Example 1]
A cathode catalyst ink having a frequency peak ratio ( P2 / P1 ) of 1.23 obtained by a particle size distribution measurement device was applied to the cathode catalyst layer so that the platinum loading amount was 0.3 mg/ cm2 , and a membrane-electrode assembly equipped with this was produced.
[Example 2]
A cathode catalyst ink having a frequency peak ratio ( P2 / P1 ) of 1.47 obtained by a particle size distribution measurement device was applied to the cathode catalyst layer so that the platinum loading amount was 0.3 mg/ cm2 , and a membrane-electrode assembly equipped with this was produced.
[Example 3]
A cathode catalyst ink having a frequency peak ratio ( P2 / P1 ) of 1.93 obtained by a particle size distribution measurement device was applied to the cathode catalyst layer so that the platinum loading amount was 0.3 mg/ cm2 , and a membrane-electrode assembly was produced.
[Comparative Example 1]
A cathode catalyst ink having a frequency peak ratio ( P2 / P1 ) of 0.52 obtained by a particle size distribution measurement device was applied to the cathode catalyst layer so that the platinum loading amount was 0.3 mg/ cm2 , and a membrane-electrode assembly equipped with this was produced.
[Comparative Example 2]
A cathode catalyst ink having a frequency peak ratio ( P2 / P1 ) of 0.95 obtained by a particle size distribution measurement device was applied to the cathode catalyst layer so that the platinum loading amount was 0.3 mg/ cm2 , and a membrane-electrode assembly equipped with this was produced.
[Comparative Example 3]
A cathode catalyst ink having a frequency peak ratio ( P2 / P1 ) of 2.12 obtained by a particle size distribution measurement device was applied to the cathode catalyst layer so that the platinum loading amount was 0.3 mg/ cm2 , and a membrane-electrode assembly equipped with this was produced.
<Evaluation Results>
The values of P 2 /P 1 and output characteristics of the examples and comparative examples are summarized in the table.

Figure 0007563156000001
Figure 0007563156000001

表1から、実施例1~3の頻度ピーク比(P/P)が1.2以上2.0未満における出力は906~970mW/cmとなり、比較例1~2の頻度ピーク比(P/P)が1.0未満における出力は825~870mW/cmとなった。比較例3の頻度ピーク比(P/P)が2.0以上における出力は892mW/cmとなった。この結果から、本実施形態に係る触媒インク、およびこれを用いた膜―電極接合体により、高出力特性が得られることがわかった。 From Table 1, it can be seen that in Examples 1 to 3, when the frequency peak ratio (P 2 /P 1 ) was 1.2 or more and less than 2.0, the output was 906 to 970 mW/cm 2 , and in Comparative Examples 1 and 2, when the frequency peak ratio (P 2 /P 1 ) was less than 1.0, the output was 825 to 870 mW/cm 2. In Comparative Example 3, when the frequency peak ratio (P 2 /P 1 ) was 2.0 or more, the output was 892 mW/cm 2. These results demonstrate that high output characteristics can be obtained by the catalyst ink according to this embodiment and the membrane-electrode assembly using the same.

本実施形態に係る触媒層および膜-電極接合体を採用することで、十分なプロトン伝導性及びガス拡散性を有し、長期的に高い出力特性を発揮することが可能となる。すなわち、本実施形態によれば、触媒インクに含まれる分散質の粒子径分布における、頻度ピーク比(P/P)が1.2以上2.0未満にすることで、固体高分子形燃料電池の運転において十分なガス拡散性とプロトン伝導性を有し、長期的に高い発電性能を発揮することが可能な電極触媒層、膜-電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。したがって、本発明は、固体高分子形燃料電池を利用した、定置型コジェネレーションシステムや燃料電池自動車等に好適に用いることができ、産業上の利用価値が大きい。 By employing the catalyst layer and membrane-electrode assembly according to this embodiment, it becomes possible to have sufficient proton conductivity and gas diffusibility, and to exhibit high output characteristics over the long term. That is, according to this embodiment, by making the frequency peak ratio (P 2 /P 1 ) in the particle size distribution of the dispersoid contained in the catalyst ink 1.2 or more and less than 2.0, it is possible to provide an electrode catalyst layer, a membrane-electrode assembly, and a solid polymer fuel cell that have sufficient gas diffusibility and proton conductivity in the operation of the solid polymer fuel cell and can exhibit high power generation performance over the long term. Therefore, the present invention can be suitably used in stationary cogeneration systems, fuel cell vehicles, and the like that utilize solid polymer fuel cells, and has great industrial utility value.

1…触媒粒子
2…導電性担体
3…高分子電解質
4…繊維状物質
5…カソード触媒層
6…アノード触媒層
7…高分子電解質膜
8…ガスケット材
9…ガス拡散層
Reference Signs List 1 catalyst particle 2 conductive carrier 3 polymer electrolyte 4 fibrous material 5 cathode catalyst layer 6 anode catalyst layer 7 polymer electrolyte membrane 8 gasket material 9 gas diffusion layer

Claims (2)

触媒粒子、導電性担体、高分子電解質、繊維状物質および溶媒で構成された固体高分子形燃料電池用触媒インクであって、
前記繊維状物質は、カーボン繊維、または、プロトン伝導性を備えた高分子電解質繊維であり、
前記繊維状物質の繊維長は、1μm以上10μm以下であり、
前記導電性担体と前記繊維状物質との総質量に対する前記高分子電解質の質量の比が、0.2以上1.5以下であり、
粒子径分布測定装置で測定された前記触媒インクの分散質における粒子径が1.0μm以上12μm以下の範囲に存在する頻度ピーク(P1)と、粒子径が0.3μm以上1.0μm未満の範囲に存在する頻度ピーク(P2)との比(P2/P1)が1.2以上2.0未満である式(1)を満たすことを特徴とする固体高分子形燃料電池用触媒インク。
2.0 > P2 / P1 ≧ 1.2 ・・・・式(1)
A catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell, comprising catalyst particles, a conductive carrier, a polymer electrolyte, a fibrous material, and a solvent,
the fibrous material is a carbon fiber or a polymer electrolyte fiber having proton conductivity;
The fiber length of the fibrous material is 1 μm or more and 10 μm or less,
a ratio of the mass of the polymer electrolyte to the total mass of the conductive support and the fibrous material is 0.2 or more and 1.5 or less;
A catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the ratio (P2/P1) of a frequency peak (P1) existing in the particle diameter range of 1.0 μm or more and 12 μm or less in the dispersoid of the catalyst ink, measured with a particle size distribution measuring device, to a frequency peak (P2) existing in the particle diameter range of 0.3 μm or more and less than 1.0 μm, is 1.2 or more and less than 2.0, satisfying formula (1).
2.0 > P2 / P1 ≧ 1.2 ... Formula (1)
固体高分子形燃料電池用触媒インクであって、前記触媒粒子が、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムから選ばれた金属であることを特徴とする請求項1記載の固体高分子形燃料電池用触媒インク。 The catalyst ink for polymer electrolyte fuel cells according to claim 1, characterized in that the catalyst particles are a metal selected from platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium.
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