JP2002184414A - Method of manufacturing gas diffusion electrode and method of manufacturing solid polymer fuel cell - Google Patents

Method of manufacturing gas diffusion electrode and method of manufacturing solid polymer fuel cell

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JP2002184414A
JP2002184414A JP2000382758A JP2000382758A JP2002184414A JP 2002184414 A JP2002184414 A JP 2002184414A JP 2000382758 A JP2000382758 A JP 2000382758A JP 2000382758 A JP2000382758 A JP 2000382758A JP 2002184414 A JP2002184414 A JP 2002184414A
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catalyst
resin
gas diffusion
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diffusion electrode
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Toshihiro Tanuma
敏弘 田沼
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Asahi Glass Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of producing a gaseous diffusion electrode having long-time stable and superior polarization property and a method of producing a solid polymer fuel cell having superior output property with the gaseous diffusion electrode. SOLUTION: After a catalyst and a fluorine containing ion exchange resin are mixed in a liquid in which the fluorine containing ion exchange resin is soluble or diffusible, a liquid component is removed therefrom to obtain a solid material containing the catalyst and the resin. Then, by cooling and crushing the solid material, a resin coated catalyst powder is produced with the catalyst coated with the fluorine containing ion exchange resin. A dispersion liquid with the obtained powder dispersed in a dispersion medium is prepared and the dispersion liquid is used to form a catalyst layer of the gas diffusion electrode.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス拡散電極の製
造方法及び固体高分子型燃料電池の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a gas diffusion electrode and a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子電解質膜を有する固体高分子型燃
料電池は、小型軽量化が容易であることから、電気自動
車等の移動車両や、小型コジェネレーションシステムの
電源等としての実用化が期待されている。しかし、固体
高分子型燃料電池は作動温度が比較的低くその排熱が補
機動力などに有効利用しにくいため、その実用化のため
にはアノード反応ガス(純水素等)の利用率及びカソー
ド反応ガス(空気等)の利用率の高い作動条件下におい
て、高い発電効率及び高い出力密度を得ることのできる
性能が要求されている。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane is expected to be put to practical use as a power source for a mobile vehicle such as an electric vehicle or a small cogeneration system because it is easy to reduce the size and weight. Have been. However, since the polymer electrolyte fuel cell has a relatively low operating temperature and its exhaust heat is difficult to effectively use for auxiliary power, etc., the utilization of anode reaction gas (pure hydrogen, etc.) and cathode Under operating conditions in which the utilization rate of a reaction gas (air or the like) is high, a performance capable of obtaining high power generation efficiency and high power density is required.

【0003】固体高分子型燃料電池のアノード及びカソ
ードの各触媒層内における電極反応は、各反応ガスと、
触媒と、含フッ素イオン交換樹脂(電解質)とが同時に
存在する三相界面(以下、反応サイトという)において
進行する。そのため、固体高分子型燃料電池において
は、従来より、金属触媒又は金属担持触媒(例えば、比
表面積の大きなカーボンブラック担体に白金等の金属触
媒を担持した金属担持カーボン等)等を高分子電解質膜
と同種或いは異種の含フッ素イオン交換樹脂で被覆して
触媒層の構成材料として使用し、いわゆる触媒層内の反
応サイトの3次元化を行なうことにより当該反応サイト
の増大化が図られている。
The electrode reaction in each of the anode and cathode catalyst layers of a polymer electrolyte fuel cell involves the reaction gas
The reaction proceeds at a three-phase interface where the catalyst and the fluorinated ion exchange resin (electrolyte) are simultaneously present (hereinafter, referred to as a reaction site). Therefore, in a polymer electrolyte fuel cell, a metal catalyst or a metal-supported catalyst (for example, a metal-supported carbon in which a metal catalyst such as platinum is supported on a carbon black carrier having a large specific surface area) or the like is conventionally used as a polymer electrolyte membrane. The number of reaction sites in the catalyst layer is increased by coating it with a fluorine-containing ion exchange resin of the same or different type and using it as a constituent material of the catalyst layer, and by so-called three-dimensional reaction sites in the catalyst layer.

【0004】このような構造を有する触媒層を形成する
方法としては、例えば、触媒と含フッ素イオン交換樹脂
とを所定の溶媒に混合して十分に撹拌しつつ混合液から
溶媒を徐々に揮発させて除去することにより、含フッ素
イオン交換樹脂により被覆された触媒(以下、樹脂被覆
触媒という)を調製し、これを用いて触媒層を形成する
方法が従来から知られている。
As a method of forming a catalyst layer having such a structure, for example, a catalyst and a fluorinated ion exchange resin are mixed in a predetermined solvent, and the solvent is gradually volatilized from the mixed solution with sufficient stirring. Conventionally, a method of preparing a catalyst coated with a fluorine-containing ion exchange resin (hereinafter referred to as a resin-coated catalyst) and forming a catalyst layer using the catalyst is known.

【0005】そして、より高い電池の出力特性を得るた
めに、触媒の粒子に対する含フッ素イオン交換樹脂の被
覆率を増大させ、得られる樹脂被覆触媒の粒子の粒子間
にガス拡散に有効な細孔構造を構築することにより、触
媒層内に反応サイトを十分に確保するための様々な方法
が検討されている。なお、本明細書において、触媒の粒
子とは、これらの触媒の2次粒子が凝集してできた凝集
体からなる粒子を示す。
In order to obtain higher output characteristics of the battery, the coverage of the catalyst particles with the fluorinated ion exchange resin is increased, and pores effective for gas diffusion between the particles of the resin-coated catalyst particles obtained. Various methods have been studied for constructing a structure to ensure sufficient reaction sites in the catalyst layer. In addition, in this specification, the particle | grains of a catalyst show the particle | grains which consist of the aggregate which the secondary particle of these catalysts aggregated.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法により触媒層を形成する場合には、使用する全
ての触媒の粒子を含フッ素イオン交換樹脂で十分かつ均
一に被覆することが困難であり、形成される触媒層内に
は含フッ素イオン交換樹脂による被覆の不十分な触媒も
含まれるため、触媒層内に含有される全ての触媒にみあ
う反応サイトを十分に確保することが困難であった。そ
のため、従来の方法により形成した触媒層を有する固体
高分子型燃料電池は、触媒層内に含有される全ての触媒
にみあう高い電池出力を得ることが困難であった。
However, when a catalyst layer is formed by the above-mentioned conventional method, it is difficult to coat all the catalyst particles to be used sufficiently and uniformly with a fluorine-containing ion exchange resin. However, since the formed catalyst layer also includes a catalyst that is insufficiently covered with the fluorinated ion exchange resin, it is difficult to sufficiently secure reaction sites that meet all the catalysts contained in the catalyst layer. there were. Therefore, it has been difficult for a polymer electrolyte fuel cell having a catalyst layer formed by a conventional method to obtain a high battery output that meets all the catalysts contained in the catalyst layer.

【0007】また、この場合、触媒の粒子に対する含フ
ッ素イオン交換樹脂の被覆率は広範囲の値をとり易く大
きなばらつきがある。このような触媒の粒子の粒子間に
形成される細孔は、ガス拡散に有効な細孔に加えて、ガ
ス拡散に不利な非常に小さな細孔や触媒の有効利用に不
利な大きな細孔も多く含まれ易くなるので、この点にお
いても従来の方法により形成した触媒層を有する固体高
分子型燃料電池は、高い電池出力を得ることが困難であ
った。
In this case, the coverage of the catalyst particles with the fluorinated ion exchange resin tends to take a wide range of values, and there is a large variation. The pores formed between the particles of such catalyst particles include, in addition to pores effective for gas diffusion, very small pores disadvantageous for gas diffusion and large pores disadvantageous for effective use of the catalyst. In this regard, it is difficult to obtain a high cell output from the polymer electrolyte fuel cell having the catalyst layer formed by the conventional method.

【0008】更に、このように触媒層内にガス拡散に有
効な細孔構造が構築されていないと、例えば、電池を長
期にわたり作動させる場合、各電極に供給される加湿用
の水や電池反応の生成水等により細孔の一部又は全てが
閉塞されるフラッディングの現象が起こり易くなる等、
各反応ガスを触媒層内の反応サイトへ安定かつ十分に供
給することが困難となり、起動初期において電極反応に
寄与していた反応サイトの一部が作動中に機能しなくな
ってしまい、電池出力が作動時間の経過と共に低下して
しまう問題があった。
Further, if a pore structure effective for gas diffusion is not constructed in the catalyst layer as described above, for example, when a battery is operated for a long period of time, humidifying water supplied to each electrode or battery reaction is required. Such as the phenomenon of flooding in which part or all of the pores are blocked by generated water or the like,
It becomes difficult to supply each reaction gas stably and sufficiently to the reaction sites in the catalyst layer, and some of the reaction sites that had contributed to the electrode reaction in the initial stage of operation stopped functioning during operation, and the battery output became low. There has been a problem that it decreases as the operation time elapses.

【0009】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みてなされたものであり、優れた分極特性を長期にわた
り安定して得ることのできるガス拡散電極の製造方法及
び当該ガス拡散電極を備えた出力特性の高い固体高分子
型燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has a method of manufacturing a gas diffusion electrode capable of stably obtaining excellent polarization characteristics for a long period of time, and the method includes the gas diffusion electrode. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell having high output characteristics.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、従来の触媒は樹
脂を被覆する以前の粒子の粒径が大きいことが先に述べ
た問題の原因となっていることを見出した。特に、金属
担持触媒の場合、樹脂による該触媒の粒子の被覆状態
が、樹脂を被覆する以前の触媒の粒径と、カーボン等の
担体の細孔構造との影響を大きく受け易いことを見出し
た。これに対して本発明者らは、樹脂により被覆される
以前の触媒、或いは樹脂により被覆された後の樹脂被覆
触媒を粉砕することにより、上述の被覆状態を高められ
るように調整できることを見出し、本発明に到達した。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to achieve the above-mentioned object, and as a result, it has been described above that the conventional catalyst has a large particle size before coating the resin. I found that it was causing the problem. In particular, in the case of a metal-supported catalyst, it has been found that the coating state of the particles of the catalyst with the resin is greatly affected by the particle size of the catalyst before coating the resin and the pore structure of the carrier such as carbon. . On the other hand, the present inventors have found that by pulverizing the catalyst before being coated with the resin, or the resin-coated catalyst after being coated with the resin, the above-mentioned coating state can be adjusted so as to be enhanced, The present invention has been reached.

【0011】すなわち、本発明は、触媒と含フッ素イオ
ン交換樹脂とを含有する触媒層と、触媒層に隣接して配
置されたガス拡散層とを備えるガス拡散電極の製造方法
であって、樹脂が溶解又は分散可能な液体中において、
触媒と樹脂とを混合し、触媒と樹脂とを含む混合液を得
る混合液調製工程と、混合液中の液状成分を除去して得
られる触媒と樹脂とを含む固形物を得る液状成分除去工
程と、固形物を冷却して脆性の固形物とし、該固形物を
粉砕して粉末を得る粉砕工程と、粉末を分散媒中に分散
させて分散液を調製する分散液調製工程と、分散液を塗
工して触媒層を形成する触媒層形成工程と、を含むこと
を特徴とするガス拡散電極の製造方法及び該ガス拡散電
極をアノードとカソードの少なくとも一方として備え
る、アノードとカソードとその間に配置される高分子電
解質膜とを有する固体高分子型燃料電池の製造方法を提
供する。
That is, the present invention relates to a method for producing a gas diffusion electrode comprising a catalyst layer containing a catalyst and a fluorine-containing ion exchange resin, and a gas diffusion layer disposed adjacent to the catalyst layer. In a liquid that can be dissolved or dispersed,
A mixed liquid preparation step of mixing the catalyst and the resin to obtain a mixed liquid containing the catalyst and the resin, and a liquid component removing step of obtaining a solid containing the catalyst and the resin obtained by removing the liquid components in the mixed liquid A cooling step of cooling the solid to a brittle solid, and pulverizing the solid to obtain a powder; a dispersion preparing step of dispersing the powder in a dispersion medium to prepare a dispersion; and a dispersion. A method for producing a gas diffusion electrode, comprising: applying a gas diffusion electrode as at least one of an anode and a cathode, comprising: The present invention provides a method for producing a polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane arranged.

【0012】粉砕工程を経ることにより、樹脂被覆触媒
内部の触媒の大きな粒子自体も粉砕され、粉砕後の樹脂
被覆触媒には、樹脂により被覆されていない触媒表面が
露出することになる。この触媒表面は従来においては有
効に利用されていなかったものであるが、このように表
面が露出することにより、触媒層の形成時において、こ
の触媒表面には他の樹脂被覆触媒の粒子に被覆された樹
脂が接触し有効に利用されると考えられる。その結果、
触媒層内の触媒に対する樹脂の被覆率が従来に比較して
十分に大きくなるので、触媒の量にみあう十分な反応サ
イトが確保されることになり、ガス拡散電極の分極特性
を向上させることができるものと思われる。また、この
場合には、ガス拡散に有効な構造を有する細孔構造が触
媒層内に構築され、長期にわたり電極反応を継続させて
も反応サイトへの安定した反応ガスの供給が可能なの
で、このような触媒層を備えるガス拡散電極は、高い分
極特性を長期にわたり安定して維持できるものと思われ
る。更に、このようなガス拡散電極を用いれば、高い出
力特性を得ることができ、然もその高い出力特性を起動
初期から長期にわたり安定して得ることのできる固体高
分子型燃料電池を構成することができる。
Through the pulverizing step, the large particles of the catalyst inside the resin-coated catalyst are also pulverized, and the surface of the pulverized resin-coated catalyst that is not coated with the resin is exposed. Although this catalyst surface has not been used effectively in the past, such a surface is exposed so that during the formation of the catalyst layer, the catalyst surface is coated with particles of another resin-coated catalyst. It is considered that the applied resin comes into contact and is effectively used. as a result,
Since the resin coverage of the catalyst in the catalyst layer becomes sufficiently large as compared with the conventional case, sufficient reaction sites corresponding to the amount of the catalyst can be secured, and the polarization characteristics of the gas diffusion electrode can be improved. It seems that you can do it. In this case, a pore structure having a structure effective for gas diffusion is built in the catalyst layer, and a stable reaction gas can be supplied to the reaction site even if the electrode reaction is continued for a long time. It is considered that a gas diffusion electrode provided with such a catalyst layer can stably maintain high polarization characteristics for a long period of time. Furthermore, if such a gas diffusion electrode is used, it is possible to obtain a high output characteristic, and to constitute a polymer electrolyte fuel cell capable of stably obtaining the high output characteristic for a long period from the initial start-up. Can be.

【0013】ここで、本発明において、樹脂被覆触媒の
粉砕を行なう際の温度は、含フッ素イオン交換樹脂が脆
性の固形物となって粉砕され易くなる温度であれば特に
限定されないが、液体窒素温度(−196℃)において
行なうことが好ましい。
In the present invention, the temperature at which the resin-coated catalyst is crushed is not particularly limited as long as the fluorinated ion-exchange resin becomes a brittle solid and is easily crushed. It is preferably carried out at a temperature (-196 ° C).

【0014】また、本発明は触媒と含フッ素イオン交換
樹脂とを含有する触媒層と、触媒層に隣接して配置され
たガス拡散層とを備えるガス拡散電極の製造方法であっ
て、触媒を粉砕することにより平均粒径を4μm以下と
し、かつ実質的に粒径50μmを超える粒子を含まない
ようにする粉砕工程と、樹脂が溶解又は分散可能な液体
中において、粉砕工程において粉砕された触媒と、樹脂
とを混合し、触媒と樹脂とを含む混合液を得る混合液調
製工程と、混合液を用いて塗工して触媒層を形成する触
媒層形成工程と、を含むことを特徴とするガス拡散電極
の製造方法及び該ガス拡散電極をアノードとカソードの
少なくとも一方として備える、アノードとカソードとそ
の間に配置される高分子電解質膜とを有する固体高分子
型燃料電池の製造方法を提供する。
The present invention also provides a method for producing a gas diffusion electrode comprising a catalyst layer containing a catalyst and a fluorinated ion exchange resin, and a gas diffusion layer disposed adjacent to the catalyst layer. A pulverizing step of pulverizing to make the average particle diameter 4 μm or less and substantially not containing particles having a particle diameter of more than 50 μm, and a catalyst pulverized in the pulverizing step in a liquid in which the resin can be dissolved or dispersed. And mixing a resin to obtain a mixed solution containing a catalyst and a resin, and a catalyst layer forming step of applying a mixed solution to form a catalyst layer, and For producing a gas diffusion electrode, and a method for producing a polymer electrolyte fuel cell having an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, comprising the gas diffusion electrode as at least one of an anode and a cathode Provide the law.

【0015】このように粒径が小さくなるように粉砕し
た触媒の凝集体を樹脂により被覆することにより、樹脂
と接触する触媒表面積を従来よりも増大させることがで
きる。従って、触媒層内の触媒に対する樹脂の被覆率が
従来に比較して十分に大きくなるので、触媒の量にみあ
う十分な反応サイトが確保されることになり、ガス拡散
電極の分極特性を向上させることができる。なお、先に
述べた同様の観点から、この場合にも粉砕工程において
触媒を粉砕する前に触媒を冷却することが好ましい。こ
れにより、触媒をより小さな粒径に粉砕し易くなる。
By covering the aggregate of the catalyst pulverized so as to reduce the particle diameter with a resin, the surface area of the catalyst in contact with the resin can be increased as compared with the conventional case. Accordingly, the resin coverage of the catalyst in the catalyst layer becomes sufficiently large as compared with the conventional case, so that a sufficient reaction site corresponding to the amount of the catalyst is secured, and the polarization characteristics of the gas diffusion electrode are improved. Can be done. In addition, from the same viewpoint as described above, in this case, it is preferable to cool the catalyst before pulverizing the catalyst in the pulverization step. This makes it easier to grind the catalyst to a smaller particle size.

【0016】更に、この場合にも、ガス拡散に有効な構
造を有する細孔構造が触媒層内に構築され、長期にわた
り電極反応を継続させても反応サイトへの安定した反応
ガスの供給が可能なので、このような触媒層を備えるガ
ス拡散電極は、高い分極特性を長期にわたり安定して維
持できる。更に、このようなガス拡散電極を用いれば、
高い出力特性を得ることができ、然もその高い出力特性
を起動初期から長期にわたり安定して得ることのできる
固体高分子型燃料電池を構成することができる。
Further, also in this case, a pore structure having a structure effective for gas diffusion is formed in the catalyst layer, so that a stable supply of the reaction gas to the reaction site is possible even if the electrode reaction is continued for a long time. Therefore, the gas diffusion electrode provided with such a catalyst layer can stably maintain high polarization characteristics for a long time. Furthermore, if such a gas diffusion electrode is used,
It is possible to configure a polymer electrolyte fuel cell that can obtain high output characteristics and can stably obtain the high output characteristics for a long period from the initial stage of startup.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明のガス拡散電極の製
造方法及び固体高分子型燃料電池の製造方法の好適な実
施形態について詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the method for manufacturing a gas diffusion electrode and the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described below in detail.

【0018】[第一実施形態]先ず、樹脂被覆触媒を冷
却して粉砕を行なう場合の好適な実施形態について説明
する。本実施形態のガス拡散電極の製造方法は、先に述
べたように、混合液調製工程と、液状成分除去工程と、
粉砕工程と、分散液調製工程と、触媒層形成工程とを含
んでいる。
[First Embodiment] First, a preferred embodiment in which the resin-coated catalyst is cooled and pulverized is described. The method for manufacturing the gas diffusion electrode of the present embodiment, as described above, a mixed liquid preparation step, a liquid component removal step,
The method includes a pulverizing step, a dispersion liquid preparing step, and a catalyst layer forming step.

【0019】先ず、混合液調製工程においては、含フッ
素イオン交換樹脂が溶解又は分散可能な液体中におい
て、この樹脂と触媒とを混合しこれらを含む混合液を調
製する。ここで、樹脂と触媒とを液体中へ投入する順序
は特に限定されない。例えば、上記液体に樹脂を溶解又
は分散させた後、この液に触媒を分散させる。このとき
液中では、触媒の凝集体からなる粒子の表面に樹脂が接
触し、徐々に吸着してゆくと考えられる。
First, in the mixed liquid preparation step, a resin and a catalyst are mixed in a liquid in which the fluorinated ion exchange resin can be dissolved or dispersed to prepare a mixed liquid containing these. Here, the order of charging the resin and the catalyst into the liquid is not particularly limited. For example, after dissolving or dispersing the resin in the liquid, the catalyst is dispersed in the liquid. At this time, in the liquid, it is considered that the resin comes into contact with the surface of the particles formed of the aggregate of the catalyst and gradually adsorbs.

【0020】ここで、本発明において、使用する触媒は
特に限定されるものではなく、例えば、貴金属触媒又は
貴金属合金触媒を使用してもよく、これらの貴金属触媒
又は貴金属合金触媒の粒子が担体に担持された金属担持
触媒等を使用してもよい。このような担体としては、例
えば、例えば、カーボンブラックや活性炭などを使用で
きる。
Here, in the present invention, the catalyst used is not particularly limited, and for example, a noble metal catalyst or a noble metal alloy catalyst may be used. A supported metal supported catalyst or the like may be used. As such a carrier, for example, carbon black, activated carbon, or the like can be used.

【0021】ただし、ガス拡散電極として高い分極特性
を得る観点から触媒を選択する場合、上記の触媒の中で
も、比表面積が300〜2000cm2のカーボンブラ
ック担体に白金族金属及び白金族合金からなる群から選
ばれる金属粒子が担持された金属担持触媒であることが
好ましい。ここで、カーボンブラック担体の比表面積が
300cm2未満であると触媒層内に含有される触媒の
量が不足し、十分な反応サイトを確保できなくなり、特
に高電流密度領域における分極特性が低下する傾向が大
きくなる。一方、カーボンブラック担体の比表面積が2
000cm2を超えると、触媒の細孔が小さくなりすぎ
てこれと被覆樹脂とを接触させたときに樹脂が十分に入
り込めなくなる部分ができ易くなる。
However, when a catalyst is selected from the viewpoint of obtaining high polarization characteristics as a gas diffusion electrode, among the above-mentioned catalysts, a group consisting of a platinum group metal and a platinum group alloy on a carbon black carrier having a specific surface area of 300 to 2000 cm 2. Preferably, the catalyst is a metal-supported catalyst on which metal particles selected from the group consisting of Here, when the specific surface area of the carbon black carrier is less than 300 cm 2 , the amount of the catalyst contained in the catalyst layer is insufficient, and a sufficient reaction site cannot be secured, and the polarization characteristics particularly in a high current density region are deteriorated. The tendency increases. On the other hand, the specific surface area of the carbon black carrier is 2
If it exceeds 000 cm 2 , the pores of the catalyst become too small, and when the catalyst is brought into contact with the coating resin, a portion where the resin cannot enter sufficiently is easily formed.

【0022】また、この場合、ガス拡散電極を固体高分
子型燃料電池の電極として用いる観点から、白金族金属
又は白金族合金としては白金又は白金合金が好ましい。
更に、金属粒子の担持量は、担持触媒全質量に対して1
0〜70%であることが好ましい。この担持量が10%
未満であると、触媒層中の触媒の量が不十分となり十分
な反応サイトを確保できなくなり、特に高電流密度領域
における分極特性が低下する傾向が大きくなる。一方、
この値が70%を超えると比表面積の大きな担体を使用
しても金属の担持量が高いので金属粒子間での凝集を起
し易く活性が低下する恐れがある。
In this case, from the viewpoint of using the gas diffusion electrode as an electrode of a polymer electrolyte fuel cell, platinum or a platinum alloy is preferable as the platinum group metal or platinum group alloy.
Further, the supported amount of the metal particles is 1 to the total weight of the supported catalyst.
Preferably it is 0-70%. This loading amount is 10%
If it is less than 3, the amount of the catalyst in the catalyst layer becomes insufficient, so that a sufficient reaction site cannot be secured, and the polarization characteristic particularly in a high current density region tends to decrease. on the other hand,
If this value exceeds 70%, even if a carrier having a large specific surface area is used, the amount of metal carried is high, so that aggregation between metal particles is likely to occur and the activity may be reduced.

【0023】更に、本発明における触媒層にそれぞれ含
有される含フッ素イオン交換樹脂は、スルホン酸基を有
するパーフルオロカーボン重合体(以下、スルホン酸型
パーフルオロカーボン重合体という)であることが好ま
しい。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体は、触
媒層内において長期間化学的に安定でかつ速やかなプロ
トン伝導を可能にする。
Further, the fluorinated ion exchange resin contained in each of the catalyst layers in the present invention is preferably a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group (hereinafter referred to as a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer). The sulfonic acid type perfluorocarbon polymer enables chemically stable and rapid proton conduction for a long time in the catalyst layer.

【0024】また、スルホン酸型パーフルオロカーボン
重合体は、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op
(CF2n−SO3Hで表されるフルオロビニル化合物
に基づく重合単位(式中、mは0〜3の整数、nは1〜
12の整数、pは0又は1であり、XはF又はCF3
ある)とテトラフルオロエチレンに基づく重合単位とか
らなる共重合体が好ましい。上記フルオロビニル化合物
の好ましい例としては、以下(i)〜(iii)の化合物が
挙げられる。ただし、下記式中、qは1〜8の整数、r
は1〜8の整数、tは1〜3の整数を示す。 CF2=CFO(CF2qSO3H …(i) CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2rSO3H …(ii) CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF22SO3H…(iii)
Further, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O p -
(CF 2 ) n —SO 3 H A polymerization unit based on a fluorovinyl compound represented by the formula (where m is an integer of 0 to 3, n is 1 to 3)
An integer of 12, p is 0 or 1, and X is F or CF 3 ) and a polymer unit based on tetrafluoroethylene is preferred. Preferred examples of the fluorovinyl compound include the following compounds (i) to (iii). However, in the following formula, q is an integer of 1 to 8, r
Represents an integer of 1 to 8, and t represents an integer of 1 to 3. CF 2 = CFO (CF 2) q SO 3 H ... (i) CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) r SO 3 H ... (ii) CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) T O (CF 2 ) 2 SO 3 H ... (iii)

【0025】なお、上記共重合体には、ヘキサフルオロ
プロピレン等の含フッ素オレフィン又はパーフルオロ
(アルキルビニルエーテル)に基づく重合単位が、テト
ラフルオロエチレンに基づく重合単位の25質量%以下
であればテトラフルオロエチレンに基づく重合単位と置
き換わって含まれていてもよい。
In the above-mentioned copolymer, if the polymerization units based on a fluorinated olefin such as hexafluoropropylene or perfluoro (alkyl vinyl ether) are 25% by mass or less of the polymerization units based on tetrafluoroethylene, It may be contained in place of a polymerization unit based on ethylene.

【0026】また、本発明における含フッ素イオン交換
樹脂のイオン交換容量(以下、ARとする)は、0.5
〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂(以下、meq./gと
する)であることが好ましい。含フッ素イオン交換樹脂
のARが0.5meq./g未満となると、反応サイト
が減少するため十分な分極特性を得ることが困難になる
傾向がある。一方、含フッ素イオン交換樹脂のAR
2.0meq./gを超えると、含フッ素イオン交換樹
脂中のイオン交換基の密度が増大し、触媒層におけるガ
ス拡散性或いは排水性が低下してフラッディングが発生
し易くなる。触媒層に含有されている含フッ素イオン交
換樹脂のARは、上記と同様の観点から、0.8〜1.
5meq./gであることがより好ましい。
The ion exchange capacity (hereinafter referred to as A R ) of the fluorinated ion exchange resin in the present invention is 0.5.
~ 2.0 meq / g dry resin (hereinafter referred to as meq./g). A R of the fluorinated ion exchange resin is 0.5 meq. If it is less than / g, the number of reaction sites decreases, and it tends to be difficult to obtain sufficient polarization characteristics. On the other hand, A R of the fluorinated ion exchange resin is 2.0 meq. If it exceeds / g, the density of ion-exchange groups in the fluorinated ion exchange resin increases, and the gas diffusion property or drainage property in the catalyst layer decreases, and flooding easily occurs. A R of fluorinated ion exchange resin contained in the catalyst layer, from the same viewpoint as above, 0.8.
5meq. / G is more preferable.

【0027】更に、本発明における触媒層に含有される
触媒及び含フッ素イオン交換樹脂の含有量については、
触媒と含フッ素イオン交換樹脂との比率(質量比)の範
囲が、触媒の質量:イオン交換樹脂の質量=40:60
〜95:5、特に、60:40〜80:20であること
が好ましい。従って、混合液工程においては、触媒と含
フッ素イオン交換樹脂とを、それぞれ上記の比率の範囲
に対応した量に調節して含フッ素イオン交換樹脂が溶解
又は分散可能な液体に投入するようにする。
Further, regarding the contents of the catalyst and the fluorinated ion exchange resin contained in the catalyst layer in the present invention,
The range of the ratio (mass ratio) between the catalyst and the fluorinated ion exchange resin is as follows: mass of the catalyst: mass of the ion exchange resin = 40: 60.
9595: 5, particularly preferably 60:40 to 80:20. Therefore, in the mixed solution process, the catalyst and the fluorinated ion exchange resin are each adjusted to an amount corresponding to the above range of the ratio, and the fluorinated ion exchange resin is introduced into the dissolvable or dispersible liquid. .

【0028】ここで、含フッ素イオン交換樹脂に対する
触媒の含有率が、触媒の質量:含フッ素イオン交換樹脂
の質量=40:60の比率より低いと、触媒量が不足す
るので反応サイトが少なくなる傾向がある。また、触媒
を被覆する含フッ素イオン交換樹脂の被覆層の厚みが厚
くなり樹脂中における反応ガスの拡散速度が小さくなる
傾向がある。更に、反応ガスの拡散に必要な細孔が樹脂
により塞がれてしまいいわゆるフラッディングの現象が
生じ易くなるおそれがある。一方、含フッ素イオン交換
樹脂に対する触媒の含有率が、触媒の質量:含フッ素イ
オン交換樹脂の質量=95:5の比率を超えると、触媒
に対して当該触媒を被覆するイオン交換樹脂の量が不足
して反応サイトが少なくなり分極特性が低下する傾向が
ある。また、含フッ素イオン交換樹脂は、触媒層のバイ
ンダ及び触媒層と高分子電解質膜との接着剤としても機
能するが、その機能が不十分となり触媒層構造を安定に
維持できなくなる傾向が大きくなる。なお、ここでいう
触媒は、担持触媒の場合にはその担体の質量も含むもの
とする。
Here, if the content of the catalyst with respect to the fluorinated ion exchange resin is lower than the ratio of the mass of the catalyst to the mass of the fluorinated ion exchange resin = 40: 60, the amount of the catalyst is insufficient and the number of reaction sites is reduced. Tend. Further, the thickness of the coating layer of the fluorinated ion exchange resin that coats the catalyst tends to increase, and the diffusion rate of the reaction gas in the resin tends to decrease. Further, pores required for diffusion of the reaction gas may be blocked by the resin, and a so-called flooding phenomenon may easily occur. On the other hand, when the content of the catalyst with respect to the fluorinated ion exchange resin exceeds the ratio of mass of the catalyst: mass of the fluorinated ion exchange resin = 95: 5, the amount of the ion exchange resin coating the catalyst with respect to the catalyst is reduced. Insufficiently, the number of reaction sites decreases, and the polarization characteristics tend to decrease. Further, the fluorinated ion exchange resin also functions as a binder of the catalyst layer and an adhesive between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, but the function thereof becomes insufficient and the tendency of the catalyst layer structure to be unable to be stably maintained increases. . In addition, in the case of a supported catalyst, the catalyst here includes the mass of the carrier.

【0029】また、混合液調製工程における触媒と含フ
ッ素イオン交換樹脂とを含む液中において、触媒と含フ
ッ素イオン交換樹脂とを合わせた固形物成分の濃度は、
混合液全質量に対して0.1〜30質量%であることが
好ましく、1〜20質量%であることがより好ましい。
固形物成分の濃度が0.1質量%未満であると、後述の
分散液調製工程において調製した分散液を、触媒層形成
工程において噴霧、塗布、濾過転写等の方法により所定
の部材に塗布して触媒層を形成する際に、これらの作業
の回数を多く繰り返さなければ所定の厚さのガス拡散電
極が得られず触媒層の生産効率が悪くなる傾向がある。
また、固形成分濃度が30質量%を超えると混合液の粘
度が高くなりすぎる恐れがある。
Further, in the liquid containing the catalyst and the fluorinated ion exchange resin in the mixed liquid preparation step, the concentration of the solid component obtained by combining the catalyst and the fluorinated ion exchange resin is as follows:
It is preferably from 0.1 to 30% by mass, more preferably from 1 to 20% by mass, based on the total mass of the mixture.
When the concentration of the solid component is less than 0.1% by mass, the dispersion prepared in the dispersion preparation step described below is applied to a predetermined member by a method such as spraying, coating, filtration and transfer in the catalyst layer forming step. If the number of these operations is not repeated when forming the catalyst layer by heating, a gas diffusion electrode having a predetermined thickness cannot be obtained, and the production efficiency of the catalyst layer tends to deteriorate.
If the solid component concentration exceeds 30% by mass, the viscosity of the mixed solution may be too high.

【0030】更に、本発明において、含フッ素イオン交
換樹脂が溶解又は分散可能な液体としては、炭素数1〜
6のアルコール、炭素数2〜6のエーテル、及び炭素数
2〜6のジアルキルスルホキシドからなる群から選ばれ
る少なくとも一種の化合物を使用することが好ましい。
更に、上記有機溶媒の好ましい具体例としては、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、1,4−ジオキ
サン、n−プロピルエーテル、ジメチルスルホキシド等
が挙げられる。
Furthermore, in the present invention, the liquid in which the fluorinated ion exchange resin can be dissolved or dispersed includes a liquid having 1 to 1 carbon atoms.
It is preferable to use at least one compound selected from the group consisting of an alcohol having 6 carbon atoms, an ether having 2 to 6 carbon atoms, and a dialkyl sulfoxide having 2 to 6 carbon atoms.
Further, preferred specific examples of the organic solvent include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 1,4-dioxane, n-propyl ether, dimethyl sulfoxide and the like.

【0031】次に、液状成分除去工程においては、樹脂
と触媒とを含む混合液から液状成分を除去することによ
り、樹脂と触媒とを含む固形物を得る。この固形物に含
まれる触媒の粒子には樹脂が少なくとも部分的に被覆し
ているものと考えられる。ここで、液状成分の除去は、
得られる樹脂被覆触媒の固形物に含まれる液状成分の含
有率が該固形物の総質量に対して5質量%以下となるま
で行なうことが好ましく、完全に除去することがより好
ましい。これにより、後述の分散液調製工程において樹
脂被覆触媒からの樹脂の剥離や溶出を効果的に防止する
ことができる。更に、触媒に対する樹脂の被覆をより強
固なものにする観点から、液状成分除去後において樹脂
被覆触媒を更に乾固することが好ましい。また、液状成
分除去の操作は、樹脂が熱劣化しない温度領域において
加熱することにより行なうことが好ましい。例えば、常
圧下のもとで加熱を行なう際には、180℃以下の温度
領域において行なうことが好ましい。また、エバポレー
タ等を用いて減圧下で加熱する場合には、40〜70℃
の温度領域において行なうことが好ましい。更に、溶媒
が可燃性成分を含んでいる場合には、溶媒除去の操作は
窒素等の不活性ガス雰囲気のもとで行なうようにするこ
とが好ましい。
Next, in the liquid component removing step, a solid containing the resin and the catalyst is obtained by removing the liquid component from the mixed solution containing the resin and the catalyst. It is considered that the particles of the catalyst contained in the solid material are at least partially coated with the resin. Here, the removal of the liquid component
It is preferably carried out until the content of the liquid component contained in the solid matter of the obtained resin-coated catalyst becomes 5% by mass or less based on the total mass of the solid matter, and it is more preferable to completely remove the solid matter. Thereby, in the dispersion liquid preparation step described later, peeling and elution of the resin from the resin-coated catalyst can be effectively prevented. Further, from the viewpoint of further strengthening the coating of the resin on the catalyst, it is preferable to further dry the resin-coated catalyst after removing the liquid component. Further, it is preferable that the operation of removing the liquid component is performed by heating in a temperature range where the resin is not thermally degraded. For example, when heating is performed under normal pressure, it is preferable to perform heating in a temperature range of 180 ° C. or lower. Moreover, when heating under reduced pressure using an evaporator etc., 40-70 degreeC
It is preferable to carry out in the temperature range of Further, when the solvent contains a flammable component, it is preferable that the operation of removing the solvent is performed under an atmosphere of an inert gas such as nitrogen.

【0032】次に、粉砕工程においては、先に述べたよ
うに冷却して樹脂と触媒とを含む脆性の固形物を得てこ
れを粉砕する。このとき、粉砕後に得られる粉末は、平
均粒径4μm以下とされ、かつ実質的に粒径50μmを
超える粒子を含まないようにされることが好ましい。こ
こで、本発明において「実質的に粒径50μmを超える
粒子を含まない」状態とは、樹脂被覆触媒の全粒子に対
する粒径50μmの粒子の割合が5%以下である状態を
示す。また、本発明における粉砕後に得られる樹脂被覆
触媒の微粒子の粒子径は、大塚電子製の粒度分布測定装
置(商品名:LPA3000/3100)を用いて自然
沈降法により測定された値を示す。
Next, in the pulverizing step, a brittle solid containing a resin and a catalyst is obtained by cooling as described above, and this is pulverized. At this time, it is preferable that the powder obtained after the pulverization has an average particle diameter of 4 μm or less and does not substantially contain particles having a particle diameter of more than 50 μm. Here, in the present invention, the state of “substantially not containing particles having a particle size of more than 50 μm” refers to a state in which the ratio of particles having a particle size of 50 μm to all particles of the resin-coated catalyst is 5% or less. The particle diameter of the fine particles of the resin-coated catalyst obtained after the pulverization in the present invention is a value measured by a natural sedimentation method using a particle size distribution analyzer (trade name: LPA3000 / 3100) manufactured by Otsuka Electronics.

【0033】ここで、粉砕後に得られる樹脂被覆触媒の
平均粒径が4μmを超えると、樹脂により被覆されない
触媒の量が増えるため、触媒層を形成した際の触媒利用
率が低下し易い。また、粉砕後に得られる樹脂被覆触媒
について、粒径50μmの粒子を実質的に含むと、後述
の分散液調製工程において分散媒中に樹脂被覆触媒を分
散させる際に、分散媒中における当該樹脂被覆触媒の分
散安定性が得られなくなる傾向が大きくなる。更に、凍
結粉砕後に得られる樹脂被覆触媒の粒子の平均粒径は
0.1〜3μmとすることがより好ましい。平均粒径が
0.1μm未満であると、後述の触媒層形成工程におい
て、触媒を分散させた分散液を塗工することにより触媒
層を形成した場合に層構造が緻密になりすぎてガス拡散
性が悪くなり、燃料電池を構成した場合の出力性能が低
下してしまう。
Here, when the average particle size of the resin-coated catalyst obtained after the pulverization exceeds 4 μm, the amount of the catalyst not coated with the resin increases, so that the catalyst utilization when the catalyst layer is formed tends to decrease. When the resin-coated catalyst obtained after the pulverization substantially contains particles having a particle size of 50 μm, when the resin-coated catalyst is dispersed in a dispersion medium in a dispersion liquid preparation step described below, the resin-coated catalyst in the dispersion medium may be used. The tendency for catalyst dispersion stability to be lost increases. Furthermore, the average particle size of the particles of the resin-coated catalyst obtained after freeze-pulverization is more preferably 0.1 to 3 μm. When the average particle size is less than 0.1 μm, in the catalyst layer forming step described below, when a catalyst layer is formed by applying a dispersion liquid in which a catalyst is dispersed, the layer structure becomes too dense and gas diffusion occurs. And the output performance when a fuel cell is configured is reduced.

【0034】次に、分散液調製工程においては、先に述
べたように粉砕工程において得られた樹脂被覆触媒を分
散媒中に分散させた分散液を調製する。ここで、分散媒
としては、樹脂被覆触媒中の含フッ素イオン交換樹脂の
再溶解又は剥離を防ぐ観点から、含フッ素イオン交換樹
脂を溶解しにくいものが好ましい。また、分散液中にお
ける樹脂被覆触媒の微粒子の良好な分散性を確保する観
点から、含フッ素イオン交換樹脂と混合することにより
含フッ素イオン交換樹脂が膨潤しやすい分散媒を使用す
ることが好ましい。このような分散媒としては、飽和炭
化水素、芳香族炭化水素、含フッ素アルコール、含フッ
素エーテル及び含フッ素アルカンからなる群から選ばれ
る少なくとも一種を使用することが好ましい。これらの
中でも、含フッ素アルコール、含フッ素エーテル及び含
フッ素アルカンからなる群から選ばれる少なくとも一種
を使用することがより好ましい。
Next, in the dispersion preparation step, a dispersion in which the resin-coated catalyst obtained in the pulverization step is dispersed in a dispersion medium as described above is prepared. Here, from the viewpoint of preventing the fluorine-containing ion-exchange resin in the resin-coated catalyst from being redissolved or peeling off, a dispersion medium that does not easily dissolve the fluorine-containing ion-exchange resin is preferable. Further, from the viewpoint of ensuring good dispersibility of the fine particles of the resin-coated catalyst in the dispersion, it is preferable to use a dispersion medium in which the fluorinated ion exchange resin is easily swollen by mixing with the fluorinated ion exchange resin. As such a dispersion medium, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of saturated hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, fluorinated alcohols, fluorinated ethers, and fluorinated alkanes. Among these, it is more preferable to use at least one selected from the group consisting of fluorinated alcohols, fluorinated ethers and fluorinated alkanes.

【0035】上記の飽和炭化水素としては、例えば、ヘ
キサン、ヘプタン、ノナン、デカン等の鎖状炭化水素等
が挙げられ、芳香族炭化水素としてはベンゼン、トルエ
ン、キシレン等が挙げられる。また、含フッ素アルコー
ルとしては、2,2,2−トリフルオロエタノール、
2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノー
ル、2,2,3,4,4,4−ヘキサフルオロ−1−ブ
タノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−
2−プロパノール等が挙げられる。更に、含フッ素アル
カンとしては、1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3
−ペンタフルオロプロパン、3,3−ジクロロ−1,
1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、1,1,
1,2,2,3,4,5,5,5−デカフルオロペンタ
ン、1,1,1−トリクロロ−2,2,3,3,3−ペ
ンタフルオロプロパン、ヘプタフルオロシクロプロパン
等が挙げられる。また、含フッ素エーテルとしては、
2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピルメチルエ
ーテル、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル
フルオロメチルエーテル、1,1,3,3,3−ペンタ
フルオロ−2−トリフルオロメチルプロピルメチルエー
テル、1,1,1,2,2,3,3,4,4−ノナフル
オロブチルメチルエーテル、1,1,1,2,2,3,
3,4,4−ノナフルオロブチルエチルエーテル等が挙
げられる。
Examples of the above-mentioned saturated hydrocarbon include chain hydrocarbons such as hexane, heptane, nonane and decane, and examples of the aromatic hydrocarbon include benzene, toluene and xylene. Further, as the fluorinated alcohol, 2,2,2-trifluoroethanol,
2,2,3,3,3-pentafluoro-1-propanol, 2,2,3,4,4,4-hexafluoro-1-butanol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro −
2-propanol and the like. Further, as the fluorine-containing alkane, 1,3-dichloro-1,1,2,2,3
-Pentafluoropropane, 3,3-dichloro-1,
1,1,2,2-pentafluoropropane, 1,1,
1,2,2,3,4,5,5,5-decafluoropentane, 1,1,1-trichloro-2,2,3,3,3-pentafluoropropane, heptafluorocyclopropane, and the like. . Also, as the fluorine-containing ether,
2,2,3,3,3-pentafluoropropyl methyl ether, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl fluoromethyl ether, 1,1,3,3,3-pentafluoro-2-trifluoro Methylpropyl methyl ether, 1,1,1,2,2,3,3,4,4-nonafluorobutyl methyl ether, 1,1,1,2,2,3,
3,4,4-nonafluorobutylethyl ether and the like.

【0036】ここで、上記の飽和炭化水素、芳香族炭化
水素、含フッ素アルコール、含フッ素エーテル及び含フ
ッ素アルカンの中でも、含フッ素イオン交換樹脂を膨潤
させやすいという観点から、2,2,3,3,3−ペン
タフルオロ−1−プロパノール、1,1,1,2,2,
3,4,5,5,5−デカフルオロペンタン、ヘプタフ
ルオロシクロペンタン、1,1,1,2,2,3,3,
4,4−ノナフルオロブチルメチルエーテル、1,1,
1,2,2,3,3,4,4−ノナフルオロブチルエチ
ルエーテル、3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−
ペンタフルオロプロパン又は1,3−ジクロロ−1,
1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン等を使用する
ことが特に好ましい。
Here, among the above-mentioned saturated hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, fluorinated alcohols, fluorinated ethers and fluorinated alkanes, from the viewpoint of swelling the fluorinated ion exchange resin, 2,2,3,3 3,3-pentafluoro-1-propanol, 1,1,1,2,2
3,4,5,5,5-decafluoropentane, heptafluorocyclopentane, 1,1,1,2,2,3,3
4,4-nonafluorobutyl methyl ether, 1,1,
1,2,2,3,3,4,4-nonafluorobutyl ethyl ether, 3,3-dichloro-1,1,1,2,2-
Pentafluoropropane or 1,3-dichloro-1,
It is particularly preferable to use 1,2,2,3-pentafluoropropane and the like.

【0037】更に、分散液の中には、必要に応じてポリ
テトラフルオロエチレン(以下、PTFEという)等の
撥水化剤を含有させてもよい。ただし、撥水化剤は絶縁
体であるためその量は少量であるほど望ましく、その添
加量は触媒と樹脂との質量の合計に対して0.01〜2
0質量%であることが好ましい。
Further, a water repellent such as polytetrafluoroethylene (hereinafter, referred to as PTFE) may be contained in the dispersion as required. However, since the water-repellent agent is an insulator, its amount is preferably as small as possible.
It is preferably 0% by mass.

【0038】また、樹脂被覆触媒及び撥水化剤等のその
他の添加物等を分散媒中に分散させにくい場合は、分散
剤等を更に使用してもよい。このような分散剤としては
通常使用される分散剤が使用でき、アミン塩、4級アン
モニウム塩、ピリジニウム塩、スルホニウム塩、ホスホ
ニウム塩、ポリエチレンポリアミン等のカチオン界面活
性剤、アミノ酸、ベタイン、アミノ硫酸エステル、スル
ホベタイン等の両性界面活性剤、アルキルポリオキシエ
チレン、多価アルコール等の非イオン界面活性剤等が挙
げられる。更に、分散液には、粘度を調節するための増
粘剤、希釈剤、アルミナ、シリカ等の増孔剤、水等の他
の成分を添加してもよい。
When it is difficult to disperse other additives such as a resin-coated catalyst and a water repellent in a dispersion medium, a dispersant may be further used. As such dispersants, commonly used dispersants can be used, and cationic surfactants such as amine salts, quaternary ammonium salts, pyridinium salts, sulfonium salts, phosphonium salts, and polyethylene polyamines, amino acids, betaines, amino sulfates And amphoteric surfactants such as sulfobetaine, and nonionic surfactants such as alkyl polyoxyethylene and polyhydric alcohol. Further, a thickener, a diluent, a pore-forming agent such as alumina and silica, and other components such as water may be added to the dispersion.

【0039】また、分散液中において、樹脂被覆触媒と
他の添加成分とを合わせた固形物成分の濃度は、混合液
全質量に対して0.1〜20質量%であることが好まし
く、1〜15質量%であることがより好ましい。固形物
成分の濃度が0.1質量%未満であると、分散液調製工
程において調製した分散液を、後述の触媒層形成工程に
おいて噴霧、塗布、濾過転写等の方法により所定の部材
に塗布して触媒層を形成する際に、これらの作業の回数
を多く繰り返さなければ所定の厚さのガス拡散電極が得
られず触媒層の生産効率が悪くなる傾向がある。また、
固形成分濃度が20質量%を超えると混合液の粘度が高
くなりすぎる恐れがある。
In the dispersion, the concentration of the solid component including the resin-coated catalyst and other additional components is preferably 0.1 to 20% by mass relative to the total mass of the mixture. It is more preferable that the content be 15 to 15% by mass. When the concentration of the solid component is less than 0.1% by mass, the dispersion prepared in the dispersion preparation step is applied to a predetermined member by a method such as spraying, coating, or filtration transfer in the catalyst layer forming step described below. If the number of these operations is not repeated when forming the catalyst layer by heating, a gas diffusion electrode having a predetermined thickness cannot be obtained, and the production efficiency of the catalyst layer tends to deteriorate. Also,
If the solid component concentration exceeds 20% by mass, the viscosity of the mixed solution may be too high.

【0040】更に、この分散液調製工程においては、分
散液中に分散される樹脂被覆触媒の粒子の粒径分布をみ
た場合、全粒子の粒径が1μm以内の範囲に分布してい
るように分散させることが好ましく、全粒子の粒径が
0.1〜0.8μmの範囲に分布しているように分散さ
せることがより好ましい。なお、本発明における分散液
調製工程において、分散液中に分散される樹脂被覆触媒
の粒子の粒径分布とは、大塚電子製の粒度分布測定装置
(商品名:LPA3000/3100)を用いて、分散
液を水で無限希釈したものをレーザー散乱法(動的光散
乱法)により測定した値を示す。従って、この値は、分
散液中の樹脂被覆触媒の粒子の粒径分布を直接測定した
ものではなく、分散液中の樹脂被覆触媒の粒子の粒径分
布の状態の程度を比較可能に間接的に観測するものであ
る。
Further, in this dispersion liquid preparation step, when the particle diameter distribution of the particles of the resin-coated catalyst dispersed in the dispersion liquid is observed, it is determined that the particle diameters of all the particles are distributed within a range of 1 μm or less. Preferably, the particles are dispersed, and more preferably, the particles are dispersed so that the particle diameter of all the particles is in the range of 0.1 to 0.8 μm. In the dispersion preparation step of the present invention, the particle size distribution of the particles of the resin-coated catalyst dispersed in the dispersion is measured using a particle size distribution analyzer (trade name: LPA3000 / 3100) manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd. The values obtained by infinitely diluting the dispersion with water are measured by a laser scattering method (dynamic light scattering method). Therefore, this value is not a direct measurement of the particle size distribution of the resin-coated catalyst particles in the dispersion, but rather an indirect comparison of the degree of the particle size distribution of the resin-coated catalyst particles in the dispersion. Is to be observed.

【0041】ここで、分散液中の樹脂被覆触媒に、その
粒径が1μmを超える粒子が含まれると、分散液中の樹
脂被覆触媒の微粒子の分散安定性が低下し易い。またこ
の場合、触媒層を形成した際に触媒の利用率が低下し易
い。また、分散液中の樹脂被覆触媒に、その粒径が0.
1μm未満である微粒子が含まれると、触媒層を形成し
た際に、樹脂被覆触媒の粒子間に形成されるガス拡散経
路となる細孔に当該微粒子が含まれるようになり、触媒
層のガス拡散性が低下し、電極特性が低下するおそれが
ある。
Here, if the resin-coated catalyst in the dispersion contains particles having a particle size exceeding 1 μm, the dispersion stability of the fine particles of the resin-coated catalyst in the dispersion is likely to be reduced. In this case, the utilization of the catalyst tends to decrease when the catalyst layer is formed. In addition, the particle diameter of the resin-coated catalyst in the dispersion is set to 0.1.
When the fine particles having a particle size of less than 1 μm are included, the fine particles are included in pores serving as gas diffusion paths formed between the particles of the resin-coated catalyst when the catalyst layer is formed, and the gas diffusion of the catalyst layer is performed. There is a possibility that the properties may be reduced and the electrode characteristics may be reduced.

【0042】次に、触媒層形成工程において、分散液調
製工程において調製した分散液を用いてガス拡散層、高
分子電解質膜又は支持板上に触媒層厚さが均一になるよ
うに形成する。このときガス拡散層、高分子電解質膜又
は支持板上には、はじめ有機溶媒等の揮発成分を含んだ
状態で触媒層が形成され、これに所定の熱処理を施すこ
とにより揮発成分が除去されて先に述べた構造を有する
触媒層が形成される。ここで、ガス拡散層、高分子電解
質膜又は支持板上に揮発成分を含む状態の触媒層を形成
する方法は特に限定されず、例えば、噴霧、塗布、濾
過、転写等の手法を用いてよいが、作業の簡便性の観点
から塗布による方法が好ましい。また、上記の熱処理の
方法も特に限定されず、例えば、大気中で焼成してもよ
く、更にその後に所定の圧力と温度のもとでホットプレ
スを施してもよい。
Next, in the catalyst layer forming step, using the dispersion prepared in the dispersion preparing step, a catalyst layer is formed on the gas diffusion layer, the polymer electrolyte membrane or the support plate so as to have a uniform thickness. At this time, a catalyst layer is first formed on the gas diffusion layer, the polymer electrolyte membrane or the support plate in a state containing a volatile component such as an organic solvent, and the volatile component is removed by performing a predetermined heat treatment on the catalyst layer. A catalyst layer having the structure described above is formed. Here, the method of forming the catalyst layer in a state containing a volatile component on the gas diffusion layer, the polymer electrolyte membrane, or the support plate is not particularly limited, and for example, a method such as spraying, coating, filtration, and transfer may be used. However, from the viewpoint of simplicity of operation, a method by coating is preferable. The method of the heat treatment is not particularly limited. For example, the heat treatment may be performed in the air, and then hot pressing may be performed under a predetermined pressure and temperature.

【0043】このようにして、触媒層形成工程において
ガス拡散層上に触媒層を形成することによりガス拡散電
極を作製することができる。なお、触媒層形成工程にお
いて触媒層を高分子電解質膜上に形成した場合には、ガ
ス拡散層を当該ガス拡散層と高分子電解質膜との間に触
媒層が配置されるようにガス拡散層を触媒層に隣接して
配置して触媒層が高分子電解質膜に接合されたガス拡散
電極を作製することができる。このとき、必要に応じて
ホットプレス等の熱処理を行なうことにより、ガス拡散
層と触媒層とを更に熱的に接合させてもよい。更に、触
媒層形成工程において触媒層形成工程において触媒層を
支持板上に形成した場合には、例えば、ガス拡散層を用
意し、当該ガス拡散層と支持板との間に触媒層が配置さ
れるようにガス拡散層を触媒層に隣接して配置し、後支
持板を剥離してガス拡散層上に転写してもよく、例え
ば、上記と同様にして先ず高分子電解質膜上に触媒層を
転写し、その後ガス拡散層を当該ガス拡散層と高分子電
解質膜との間に触媒層が配置されるように配置してもよ
い。
As described above, the gas diffusion electrode can be manufactured by forming the catalyst layer on the gas diffusion layer in the catalyst layer forming step. When the catalyst layer is formed on the polymer electrolyte membrane in the catalyst layer forming step, the gas diffusion layer is formed such that the catalyst layer is disposed between the gas diffusion layer and the polymer electrolyte membrane. Is disposed adjacent to the catalyst layer to produce a gas diffusion electrode in which the catalyst layer is bonded to the polymer electrolyte membrane. At this time, the gas diffusion layer and the catalyst layer may be further thermally bonded by performing heat treatment such as hot pressing as needed. Further, when the catalyst layer is formed on the support plate in the catalyst layer formation step in the catalyst layer formation step, for example, a gas diffusion layer is prepared, and the catalyst layer is disposed between the gas diffusion layer and the support plate. The gas diffusion layer may be disposed adjacent to the catalyst layer such that the support plate is peeled off and transferred onto the gas diffusion layer. For example, the catalyst layer is first formed on the polymer electrolyte membrane in the same manner as described above. Then, the gas diffusion layer may be arranged such that the catalyst layer is arranged between the gas diffusion layer and the polymer electrolyte membrane.

【0044】ここで、ガス拡散層の構成材料としては、
例えば、電子伝導性を有する多孔質体(例えば、カーボ
ンクロスやカーボンペーパー)が使用される。また、高
分子電解質膜としては、湿潤状態下で良好なイオン伝導
性を示すイオン交換膜であれば特に限定されない。高分
子電解質膜を構成する固体高分子材料としては、例え
ば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合
体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基
を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることが
できる。中でも、スルホン酸型パーフルオロカーボン重
合体が好ましい。そして、この高分子電解質膜は、触媒
層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂と同じ樹脂がらな
っていてもよく、異なる樹脂からなっていてもよい。ま
た、支持板としては、例えば、PTFEやポリエチレン
テレフタレートなどから形成されたものを用いてもよ
い。更に、形成される触媒層の層厚は、通常のガス拡散
電極と同等であればよく、1〜200μmであることが
好ましく、10〜100μmであることがより好まし
い。
Here, as a constituent material of the gas diffusion layer,
For example, a porous body having electron conductivity (for example, carbon cloth or carbon paper) is used. Further, the polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is an ion exchange membrane showing good ion conductivity under a wet state. As a solid polymer material constituting the polymer electrolyte membrane, for example, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, or the like can be used. Among them, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer is preferable. The polymer electrolyte membrane may be made of the same resin as the fluorinated ion exchange resin contained in the catalyst layer, or may be made of a different resin. Further, as the support plate, for example, a plate formed of PTFE, polyethylene terephthalate, or the like may be used. Further, the thickness of the formed catalyst layer may be the same as that of a normal gas diffusion electrode, and is preferably 1 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm.

【0045】次に、上述の方法により作製したガス拡散
電極を、アノード及びカソードの少なくとも一方として
用いて固体高分子型燃料電池を作製する。ここで、固体
高分子型燃料電池においては、通常、アノードの水素酸
化反応の活性化過電圧に比較してカソードの酸素還元反
応の活性化過電圧が非常に大きいので、カソードの触媒
層内において十分な反応サイトを確保し、カソードの分
極特性を向上させることは、電池の出力特性を向上させ
る上で効果的である。そのため、特に上記ガス拡散電極
をカソードとして使用することが好ましい。
Next, a polymer electrolyte fuel cell is manufactured by using the gas diffusion electrode manufactured by the above method as at least one of an anode and a cathode. Here, in the polymer electrolyte fuel cell, the activation overvoltage of the oxygen reduction reaction of the cathode is usually very large as compared with the activation overvoltage of the hydrogen oxidation reaction of the anode. Ensuring the reaction site and improving the polarization characteristics of the cathode are effective in improving the output characteristics of the battery. Therefore, it is particularly preferable to use the gas diffusion electrode as a cathode.

【0046】そして、この場合、上記ガス拡散電極を固
体高分子型燃料電池のアノードとしても使用することが
更に好ましい。これによりカソードに加えてアノードの
反応サイトも増大することが可能となり、電池出力をよ
り向上させ、かつ、長期にわたる作動を行う場合もその
高い電池出力を保持することが可能なガス拡散性の向上
をより確実に図ることができる。
In this case, it is more preferable to use the gas diffusion electrode as an anode of a polymer electrolyte fuel cell. This makes it possible to increase the number of reaction sites on the anode in addition to the cathode, thereby improving the battery output and improving the gas diffusivity that can maintain the high battery output even when operating for a long time. Can be achieved more reliably.

【0047】固体高分子型燃料電池の製造方法はアノー
ドとなるガス拡散電極とカソードとなるガス拡散電極と
の間に高分子電解質膜が配置される構成とすれば特に限
定されない。なお、先に述べたように、必要に応じて熱
処理によりアノード及びカソードの触媒層と高分子電解
質膜との接合、又は、アノード及びカソードの触媒層と
ガス拡散層との接合を行い、単位セルをいわゆる電極・
膜接合体として作製してもよい。上記の熱処理による接
合は、例えば、ホットプレスやロールプレスにより行っ
てもよい。このとき、特開平7−220741号公報等
に開示されているように、特殊な接着剤を用いて接合さ
せてもよい。
The method for manufacturing the polymer electrolyte fuel cell is not particularly limited as long as the polymer electrolyte membrane is disposed between the gas diffusion electrode serving as the anode and the gas diffusion electrode serving as the cathode. As described above, if necessary, the anode and cathode catalyst layers and the polymer electrolyte membrane are joined by heat treatment, or the anode and cathode catalyst layers and the gas diffusion layer are joined, and the unit cell is heated. The so-called electrode
It may be manufactured as a membrane assembly. The joining by the above heat treatment may be performed by, for example, a hot press or a roll press. At this time, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-220741, the bonding may be performed using a special adhesive.

【0048】[第二実施形態]次に、樹脂を被覆する前
の触媒を粉砕する場合の好適な実施形態について説明す
る。本実施形態のガス拡散電極の製造方法は、先に述べ
たように、主として粉砕工程と、混合液調製工程と、触
媒層形成工程とを含む。
[Second Embodiment] Next, a preferred embodiment in the case where a catalyst before coating with a resin is pulverized will be described. As described above, the method for manufacturing a gas diffusion electrode of the present embodiment mainly includes a pulverizing step, a mixed liquid preparation step, and a catalyst layer forming step.

【0049】先ず、粉砕工程においては、触媒を粉砕す
ることにより得られる粉砕後の触媒についてその平均粒
径を4μm以下とし、かつ実質的に粒径50μmを超え
る粒子を含まないようにする。この粉砕工程における作
業及びその作業を進める上での諸条件は、樹脂被覆触媒
の代りに樹脂を被覆する以前の触媒を用いていること以
外は第一実施形態における粉砕工程と同様である。ま
た、先に述べたようにこの粉砕工程において触媒を粉砕
する前に触媒を冷却することが好ましい。
First, in the pulverizing step, the average particle diameter of the pulverized catalyst obtained by pulverizing the catalyst is set to 4 μm or less, and substantially no particles exceeding 50 μm are contained. The operation in the pulverizing step and the various conditions for advancing the operation are the same as in the pulverizing step in the first embodiment except that a catalyst before coating with a resin is used instead of the resin-coated catalyst. Further, as described above, it is preferable to cool the catalyst before the catalyst is pulverized in the pulverization step.

【0050】ここで、粉砕後に得られる触媒の平均粒径
が4μmを超えると、後述の混合液調製工程において樹
脂により被覆されない触媒の量が増えるため、触媒層を
形成した際の触媒利用率が低くなり易い。また、粉砕後
に得られる触媒について、粒径50μmの粒子が実質的
に含まれると、後述の混合液調製工程において液体中に
触媒が安定して分散しにくくなる。また、粉砕後に得ら
れる触媒の粒子の平均粒径は0.1〜3μmとすること
がより好ましい。平均粒径が0.1μm未満であると、
後述の混合液調製工程において液体中に触媒を分散させ
る際に、触媒の粒子への樹脂の被覆の進行と同時に、触
媒の粒子同士の凝集の進行もより進行し易くなり、触媒
層を形成したときの触媒利用率が低下し易い。また、こ
の場合には、触媒層内に形成される細孔に触媒の微粒子
が含まれて、触媒層のガス拡散性が低下するおそれがあ
る。
Here, if the average particle size of the catalyst obtained after the pulverization exceeds 4 μm, the amount of the catalyst that is not covered with the resin in the mixed liquid preparation step described later increases, so that the catalyst utilization when forming the catalyst layer is reduced. Easy to get low. Further, when the catalyst obtained after the pulverization substantially contains particles having a particle diameter of 50 μm, the catalyst is difficult to be stably dispersed in the liquid in a mixed liquid preparation step described later. The average particle size of the catalyst particles obtained after the pulverization is more preferably 0.1 to 3 μm. When the average particle size is less than 0.1 μm,
When dispersing the catalyst in the liquid in the mixed liquid preparation step described below, simultaneously with the progress of the coating of the resin on the catalyst particles, the progress of agglomeration of the catalyst particles also more easily progressed, forming a catalyst layer. The catalyst utilization at the time tends to decrease. In this case, the fine particles of the catalyst are contained in the pores formed in the catalyst layer, and the gas diffusibility of the catalyst layer may be reduced.

【0051】次に、混合液調製工程においては、樹脂が
溶解又は分散可能な液体中において、粉砕工程において
得られた粉砕後の触媒と、樹脂とを混合する。この混合
液調製工程における作業及びその作業を進める上での諸
条件は、粉砕後の触媒を用いていること以外は第一実施
形態における混合液調製工程と同様である。
Next, in the mixed liquid preparation step, the resin after the pulverization obtained in the pulverization step and the resin are mixed in a liquid in which the resin can be dissolved or dispersed. The operation in the mixed liquid preparation step and the various conditions for advancing the operation are the same as in the mixed liquid preparation step in the first embodiment except that the crushed catalyst is used.

【0052】次に、触媒層形成工程においては、上記の
混合液を用いて触媒層を形成する。具体的には、この混
合液を第一実施形態における分散液調製工程において使
用した分散媒と混合し、触媒層形成用の塗工液を調製す
る。この際に、この塗工液には先に述べた撥水化剤等の
添加物を更に加えてもよい。ここで、本実施形態の触媒
層形成工程においては、第一実施形態における凍結工程
の場合と同様に、樹脂が溶解又は分散可能な溶媒を除去
することが好ましく、更に溶媒除去後に樹脂被覆触媒を
乾固することがより好ましいが、溶媒を除去することな
く触媒と樹脂を含む液の状態のまま保持させておき、こ
の液を分散媒中に直接投入して用いてもよい。前記樹脂
被覆触媒を分散媒中に分散させた分散液を調製する。こ
のように溶媒を除去する場合の作業及びその作業を進め
る上での諸条件は、分散媒中に投入される樹脂被覆触媒
の製造課程が異なること以外は第一実施形態における分
散液調製工程と同様である。また、この触媒層形成工程
におけるその他の作業及びその作業を進める上での諸条
件も、使用する分散媒中に投入される樹脂被覆触媒の製
造課程が異なること以外は第一実施形態における触媒層
形成工程と同様である。
Next, in the catalyst layer forming step, a catalyst layer is formed using the above-mentioned mixed solution. Specifically, this mixed liquid is mixed with the dispersion medium used in the dispersion liquid preparation step in the first embodiment to prepare a coating liquid for forming a catalyst layer. At this time, additives such as the above-described water repellent may be further added to the coating liquid. Here, in the catalyst layer forming step of the present embodiment, it is preferable to remove the solvent in which the resin can be dissolved or dispersed, as in the case of the freezing step in the first embodiment. It is more preferable to dry the solvent, but it is also possible to keep the state of the liquid containing the catalyst and the resin without removing the solvent, and to directly use this liquid in the dispersion medium. A dispersion in which the resin-coated catalyst is dispersed in a dispersion medium is prepared. The operation for removing the solvent in this manner and the conditions for proceeding with the operation are the same as the dispersion preparation step in the first embodiment except that the production process of the resin-coated catalyst charged into the dispersion medium is different. The same is true. Also, other operations in the catalyst layer forming step and various conditions for advancing the operations are the same as those in the first embodiment except that the production process of the resin-coated catalyst charged in the dispersion medium to be used is different. This is the same as the formation process.

【0053】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるも
のではない。例えば、上記の本発明の第一実施形態にお
いて、分散液調製工程に移行する前の混合液調製工程、
液状成分除去工程及び粉砕工程の3つの工程は、これら
を必要に応じて連続的に複数回、繰り返して行なっても
よい。
Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the first embodiment of the present invention, a mixed liquid preparation step before shifting to a dispersion liquid preparation step,
The three steps of the liquid component removing step and the pulverizing step may be continuously and repeatedly performed as necessary.

【0054】また、上記の本発明の第二実施形態におい
ても、触媒層形成工程において混合液から液状成分を除
去する場合には、液状成分を除去した後に得られる樹脂
と触媒とを含む固形物を更に粉砕して樹脂被覆触媒の粉
末を得てもよい。更に、第二実施形態において混合液か
ら液状成分を除去する場合には、得られる樹脂と触媒と
を含む固形物を使用して、粉砕工程及び混合液調製工程
を複数回繰り返して行なってもよい。ただし、このよう
に粉砕工程と樹脂被覆工程とを繰り返し行なう場合に
も、最後の樹脂被覆工程においては液状成分を除去する
ことなく触媒と樹脂を含む液の状態のまま保持させてお
き、後述の分散液調製工程において、この液を分散媒中
に直接投入して用いてもよい。
Also, in the second embodiment of the present invention, when the liquid component is removed from the mixed solution in the catalyst layer forming step, the solid material containing the resin and the catalyst obtained after removing the liquid component is removed. May be further pulverized to obtain a resin-coated catalyst powder. Further, in the case where the liquid component is removed from the mixed solution in the second embodiment, the pulverizing step and the mixed liquid preparation step may be repeated a plurality of times using a solid containing the obtained resin and catalyst. . However, even when the pulverizing step and the resin coating step are repeatedly performed in this manner, in the final resin coating step, the liquid state including the catalyst and the resin is maintained without removing the liquid component, and described later. In the dispersion liquid preparation step, this liquid may be directly introduced into the dispersion medium and used.

【0055】更に、上記の本発明の実施形態において
は、アノード反応ガスとして水素を主成分とするガスを
用いる場合の固体高分子型燃料電池の製造方法について
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
例えば、アノード反応ガスとしてメタノールガスをアノ
ードに直接導入する構成の固体高分子型燃料電池に適用
してもよい。
Further, in the above-described embodiment of the present invention, a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell in the case where a gas containing hydrogen as a main component is used as an anode reaction gas has been described, but the present invention is not limited to this. Is not
For example, the present invention may be applied to a polymer electrolyte fuel cell having a configuration in which methanol gas is directly introduced into the anode as an anode reaction gas.

【0056】[0056]

【実施例】以下、実施例及び比較例を挙げて本発明のガ
ス拡散電極の製造方法及び固体高分子型燃料電池の製造
方法について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの
実施例に限定されるものではない。
EXAMPLES Hereinafter, the method for producing a gas diffusion electrode and the method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Not something.

【0057】(実施例1)実施例1の単位セルは、以下
に説明する手順により作製した。先ず、カーボンブラッ
ク粉末に白金を50質量%担持した白金担持触媒(田中
貴金属社製、商品名:TECIOE50E)3.0g
を、凍結粉砕機(米SPEX Industries Inc.製、商品名:
フリーザーミル6700)を用いて液体窒素中で10分
間粉砕した。これにより得られたと粉砕後の触媒の粒度
分布を、大塚電子製の粒度分布測定装置(商品名:LP
A3000/3100)を用いて先に述べた方法により
測定したところ、平均粒径は2.5μmであり、全粒子
に対する粒径50μmの粒子の割合は1%であった。
(Example 1) The unit cell of Example 1 was manufactured by the procedure described below. First, 3.0 g of a platinum-supported catalyst (trade name: TECIOE50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) in which 50% by weight of platinum was supported on carbon black powder.
With a freeze grinder (made by US SPEX Industries Inc., trade name:
The mixture was ground in liquid nitrogen for 10 minutes using a freezer mill 6700). The particle size distribution of the obtained and pulverized catalyst was measured using a particle size distribution analyzer (trade name: LP, manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.).
A3000 / 3100), the average particle size was 2.5 μm, and the ratio of particles having a particle size of 50 μm to all particles was 1%.

【0058】次に、粉砕後の触媒2.6gをエタノール
25g中に十分に分散させた。そして、これにテトラフ
ルオロエチレンに基づく重合単位とCF2=CFOCF2
CF(CF3)OCF2CF2SO3Hに基づく重合単位と
からなる共重合体(AR=1.1meq./g)の9.
0質量%エタノール溶液12.4gを添加して触媒と共
重合体とを含む混合液(以下、混合液1という)を調製
し十分に撹拌した。
Next, 2.6 g of the crushed catalyst was sufficiently dispersed in 25 g of ethanol. Then, a polymerized unit based on tetrafluoroethylene and CF 2 CFCFOCF 2 are added thereto.
8. A copolymer (A R = 1.1 meq./g) comprising a polymerized unit based on CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 SO 3 H
A mixed solution containing a catalyst and a copolymer (hereinafter, referred to as a mixed solution 1) was prepared by adding 12.4 g of a 0% by mass ethanol solution, and sufficiently stirred.

【0059】次に、混合液1を湯浴の温度を50℃とし
たエバポレータで処理して液状成分を除去し、固形物を
得た。次に、この固形物3.7gを2,2,3,3,3
−ペンタフルオロ−1−プロパノール33.3g中に添
加し、十分に混合し、樹脂被覆触媒の分散液(以下、分
散液1という)を得た。ここで、分散液中に分散される
樹脂被覆触媒の微粒子の粒径分布を、大塚電子製の粒度
分布測定装置(商品名:LPA3000/3100)を
用いて、先に述べた方法により測定したところ、全粒子
の粒径は0.1〜0.5μmの範囲内に分布していた。
Next, the liquid mixture 1 was treated with an evaporator in which the temperature of a hot water bath was set at 50 ° C. to remove liquid components and obtain solids. Next, 3.7 g of this solid material was added to 2,2,3,3,3
-Pentafluoro-1-propanol was added to 33.3 g and mixed well to obtain a dispersion of the resin-coated catalyst (hereinafter referred to as dispersion 1). Here, the particle size distribution of the fine particles of the resin-coated catalyst dispersed in the dispersion was measured using the particle size distribution analyzer (trade name: LPA3000 / 3100) manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd. by the method described above. The particle size of all the particles was distributed in the range of 0.1 to 0.5 μm.

【0060】次に、ガス拡散層として、撥水性カーボン
クロス(繊維織布)を撥水性カーボン粉末層(カーボン
ブラックとPTFEの混合物)で目詰めした厚さ300
μmのものを用意した。また、高分子電解質膜として、
スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体からなるイオ
ン交換膜(商品名:フレミオンS、旭硝子社製、AR
1.0meq./g、乾燥膜厚50μm)を用意した。
Next, as a gas diffusion layer, a water-repellent carbon cloth (fiber woven fabric) was filled with a water-repellent carbon powder layer (a mixture of carbon black and PTFE) to a thickness of 300.
μm was prepared. Also, as a polymer electrolyte membrane,
Ion exchange membrane made of a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer (trade name: Flemion S, manufactured by Asahi Glass Co., A R =
1.0 meq. / G, dry film thickness 50 μm).

【0061】次に、上記分散液を上記高分子電解質膜の
両面に層厚が30μm、白金の含有量が0.3mg/c
2、となるようにアプリケータで1回塗布し、次い
で、大気中、120℃で1時間乾燥させた。乾燥終了
後、この高分子電解質膜と触媒層との接合体の両側にガ
ス拡散層をその撥水性カーボン粉末層が触媒層の面に接
するようにして配置し、更に、温度160℃、圧力3M
Paの条件の下で5分間ホットプレスを施した。次に、
作製した電極・膜接合体を有効電極面積が10cm 2
なるように切り出し、電極・膜接合体を作製した。
Next, the above-mentioned dispersion liquid was added to the above-mentioned polymer electrolyte membrane.
Layer thickness 30 μm on both sides, platinum content 0.3 mg / c
mTwo, Apply once with an applicator so that
And dried at 120 ° C. for 1 hour in the air. Finish drying
Later, gas is applied to both sides of the joined body of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer.
The water-repellent carbon powder layer is in contact with the catalyst diffusion layer
At a temperature of 160 ° C. and a pressure of 3M.
Hot pressing was performed for 5 minutes under the condition of Pa. next,
The prepared electrode / membrane assembly has an effective electrode area of 10 cm. TwoWhen
An electrode-membrane assembly was produced.

【0062】(実施例2)先ず、実施例1と同様の触媒
2.6gを粉砕せずに用いた以外は実施例1における混
合液1の調製と同様にして混合液2を調製した。次に、
混合液2を湯浴の温度を50℃としたエバポレータで処
理して液状成分を除去し、固形物3.7gを得て、これ
を実施例1と同様の条件において粉砕した。粉砕後の粉
末の粒度分布について実施例1と同様に測定した。その
結果を表1に示す。そしてこれ以後の手順は、実施例1
と同様にして表1に示す粒径分布を有する分散液を調製
し、更に電極・膜接合体を得た。
Example 2 First, a mixture 2 was prepared in the same manner as in preparation of the mixture 1 in Example 1, except that 2.6 g of the same catalyst as in Example 1 was used without pulverization. next,
The liquid mixture 2 was treated with an evaporator at a water bath temperature of 50 ° C. to remove the liquid components to obtain 3.7 g of a solid, which was pulverized under the same conditions as in Example 1. The particle size distribution of the pulverized powder was measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results. Then, the procedure thereafter is described in Example 1.
A dispersion having a particle size distribution shown in Table 1 was prepared in the same manner as described above, and an electrode / membrane assembly was further obtained.

【0063】(実施例3)先ず、カーボンブラック粉末
に白金を40質量%担持した白金担持触媒(田中貴金属
社製、商品名:TECIOE40E)2.6gを、エタ
ノール25g中に十分に分散させた。次に、これにテト
ラフルオロエチレンに基づく重合単位とCF2=CFO
CF2CF(CF3)OCF2CF2SO3Hに基づく重合
単位とからなる共重合体(AR=1.1meq./g)
の9.0質量%エタノール溶液6.2gを添加して触媒
と上記共重合体とを含む混合液(以下、混合液3とい
う)を調製し、この混合液を十分に撹拌した。
(Example 3) First, 2.6 g of a platinum-supported catalyst (trade name: TECIOE40E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) in which 40% by weight of platinum was supported on carbon black powder was sufficiently dispersed in 25 g of ethanol. Next, polymerized units based on tetrafluoroethylene and CF 2 CFCFO
Copolymer consisting of CF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 SO 3 H and polymerized units (A R = 1.1 meq./g)
Then, 6.2 g of a 9.0% by mass ethanol solution was added to prepare a mixed solution containing the catalyst and the copolymer (hereinafter, referred to as a mixed solution 3), and the mixed solution was sufficiently stirred.

【0064】次に、混合液3を湯浴の温度を50℃とし
たエバポレータで処理して液状成分を除去して固形物
3.1gを得た。そして、これを実施例1と同様に粉砕
した。粉砕後の粉末の粒度分布について実施例1と同様
に測定した。その結果を表1に示す。
Next, the mixed solution 3 was treated with an evaporator in which the temperature of a hot water bath was set at 50 ° C. to remove liquid components to obtain 3.1 g of a solid. This was ground in the same manner as in Example 1. The particle size distribution of the pulverized powder was measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

【0065】次に、粉砕後の粉末を、上記共重合体(A
R=1.1meq./g)の9.0質量%エタノール溶
液6.2g中に添加して粉砕後の樹脂被覆触媒と上記共
重合体とを含む混合液(以下、混合液4という)を調製
し、この混合液4を十分に撹拌して粉砕後の樹脂被覆触
媒を更に上記共重合体により被覆させた。
Next, the pulverized powder was mixed with the copolymer (A)
R = 1.1 meq. / G) in 6.2 g of a 9.0% by mass ethanol solution to prepare a mixed solution (hereinafter, referred to as a mixed solution 4) containing the resin-coated catalyst after pulverization and the above copolymer. 4 was sufficiently stirred, and the pulverized resin-coated catalyst was further coated with the above copolymer.

【0066】次に、混合液4を湯浴の温度を50℃とし
たエバポレータで処理して溶媒を除去し、固形物3.1
gを得た。そしてこれ以後の手順は、実施例1と同様に
して表1に示す粒径分布を有する分散液2を調製し、更
に電極・膜接合体を得た。
Next, the mixed solution 4 was treated with an evaporator in which the temperature of a hot water bath was set at 50 ° C. to remove the solvent, and the solid substance 3.1 was obtained.
g was obtained. The subsequent procedure was the same as in Example 1 to prepare a dispersion 2 having a particle size distribution shown in Table 1, and further obtained an electrode-membrane assembly.

【0067】(比較例1)実施例1と同様の触媒2.6
gを粉砕せずに用いた以外は、実施例1と同様にして混
合液及び分散液を調製し、実施例1と同様にして電極・
膜接合体を得た。なお、比較例1については、粉砕しな
い状態の触媒の平均粒子径及び全粒子に対する粒径50
μmを超える粒子の割合を表1に示す。
(Comparative Example 1) The same catalyst 2.6 as in Example 1
g and pulverized mixture were prepared in the same manner as in Example 1 except that the mixture was used without pulverization.
A membrane assembly was obtained. In Comparative Example 1, the average particle diameter of the catalyst in a non-pulverized state and a particle diameter of 50
Table 1 shows the proportion of particles exceeding μm.

【0068】[電池特性試験]上記の実施例1〜実施例3
及び比較例1の各単位セル(電極・膜接合体)にガス流
路の形成されたセパレータを装着して測定セルとし、電
子負荷と直流電源(高砂製作所社製,FK400L及び
EX750L)を用いて測定セルの電流電圧特性試験を
行った。測定条件は、水素導入口圧力;0.2MPa、
空気導入口圧力;0.2MPa、測定セルの作動温度;
70℃とし、作動前の開回路電圧を測定し、その後、端
子間電圧を0.6Vに保持した場合における各測定セル
の出力電流密度(A/cm2)を経時的に測定した。な
お、各測定セルの出力電流密度は、起動後10時間、5
00時間、1000時間の値を測定した。また、この作
動条件において水素利用率が70%、空気利用率が40
%となように水素ガス及び空気の流量を調節した。
[Battery Characteristics Test] Examples 1 to 3 above
A separator having a gas flow path was attached to each unit cell (electrode / membrane assembly) of Comparative Example 1 to form a measurement cell, and an electronic load and a DC power supply (FK400L and EX750L, manufactured by Takasago Seisakusho) were used. A current-voltage characteristic test of the measurement cell was performed. Measurement conditions were: hydrogen inlet pressure; 0.2 MPa,
Air inlet pressure; 0.2 MPa; operating temperature of measuring cell;
At 70 ° C., the open-circuit voltage before operation was measured, and then the output current density (A / cm 2 ) of each measurement cell when the voltage between terminals was maintained at 0.6 V was measured over time. The output current density of each measuring cell was 5
The values at 00 hours and 1000 hours were measured. Under these operating conditions, the hydrogen utilization rate is 70% and the air utilization rate is 40%.
% And the flow rates of hydrogen gas and air were adjusted.

【0069】[電極の白金利用率測定試験]上記の電池特
性試験に用いた実施例1〜実施例3及び比較例1の各単
位セル(電極・膜接合体)を備える各測定セルを用い、
以下に示す手順で各測定セルのアノード及びカソードの
サイクリックボルタモグラムを測定し、これに基づいて
実施例1〜実施例3及び比較例1の各単位セルのアノー
ド及びカソードの白金利用率を測定した。その結果を表
1に示す。
[Platinum Utilization Measurement Test of Electrode] Using each measurement cell including each unit cell (electrode / membrane assembly) of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 used in the above battery characteristic test,
The cyclic voltammogram of the anode and the cathode of each measurement cell was measured by the procedure shown below, and the platinum utilization of the anode and the cathode of each unit cell of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was measured based on this. . Table 1 shows the results.

【0070】先ず、測定セルの温度を80℃に保持する
とともに、各電極の触媒層と高分子電解質膜との含水率
を各測定セルが定常作動して発電しているときと同等の
水準となるように調節した。次に、アノードとカソード
のうち白金利用率を評価する方の電極を作用極、もう一
方の電極を対極とした。そして、作用極に窒素ガスを導
入し、一方の対極には水素ガスを導入し、対極を水素参
照極と兼用して使用した。
First, the temperature of the measuring cell was maintained at 80 ° C., and the water content of the catalyst layer of each electrode and the polymer electrolyte membrane was set to a level equivalent to that when each measuring cell was operating at a steady state and generating power. Adjusted to be. Next, of the anode and the cathode, the electrode for evaluating the platinum utilization was used as a working electrode, and the other electrode was used as a counter electrode. Then, nitrogen gas was introduced into the working electrode, hydrogen gas was introduced into one counter electrode, and the counter electrode was used also as a hydrogen reference electrode.

【0071】上記の2極系のサイクリックボルタンメト
リーによる測定は、関数発生器を接続したポテンシオス
タットに作用極と対極とを接続して行なった。具体的に
は、参照極に対する作用極の電位を70mVから120
0mVの範囲で掃引し、得られたサイクリックボルタモ
グラムの水素吸着ピークに基づく電気量Qから電池作動
中に利用されているとみなすことが可能な活性な白金の
表面積SHを求めた。このSHは水素吸着の面積と電位掃
引速度から、白金表面に吸着する水素の電気量Qを求
め、下記式(1)を用いて求めた。下記式(1)中、
0.21×10-3の値は、多結晶白金の表面1cm2
たりに水素が吸脱着する際に流れる電気量に相当する。
一方、白金担持触媒のCO.MSA値(CO吸着法によ
るPt表面積)を用いて白金の全表面積SAを見積も
り、下記式(2)を用いて白金利用率Uを求めた。 SH=Q/(0.21×10-3) …(1) U=100×SH/SA …(2)
The measurement by cyclic voltammetry of the above-mentioned bipolar system was performed by connecting a working electrode and a counter electrode to a potentiostat connected to a function generator. Specifically, the potential of the working electrode with respect to the reference electrode is changed from 70 mV to 120 mV.
Swept in a range of 0 mV, it was determined the surface area S H of the resulting cyclic voltammogram of active platinum which can be regarded as the quantity of electricity Q based on hydrogen adsorption peak is utilized during cell operation. The SH was obtained from the area of hydrogen adsorption and the potential sweep rate to determine the quantity of electricity Q of hydrogen adsorbed on the platinum surface, using the following equation (1). In the following equation (1),
The value of 0.21 × 10 −3 corresponds to the amount of electricity flowing when hydrogen is adsorbed and desorbed per 1 cm 2 of the surface of polycrystalline platinum.
On the other hand, CO. The total surface area S A of platinum was estimated using the MSA value (Pt surface area by the CO adsorption method), and the platinum utilization factor U was obtained using the following equation (2). S H = Q / (0.21 × 10 −3 ) (1) U = 100 × S H / S A (2)

【0072】[0072]

【表1】 [Table 1]

【表2】 [Table 2]

【0073】[0073]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極の触媒層内に含有される触媒の量にみあった十分な
反応サイトを長期間安定に確保することが可能となるの
で、優れた分極特性を長期にわたり安定して得ることの
できるガス拡散電極の製造方法及びそのガス拡散電極を
備えた優れた出力特性を有する固体高分子型燃料電池の
製造方法を提供することができる。
As described above, according to the present invention,
Gas diffusion that can stably obtain excellent polarization characteristics over a long period of time because it is possible to stably secure sufficient reaction sites for the amount of catalyst contained in the catalyst layer of the electrode for a long period of time. It is possible to provide a method for manufacturing an electrode and a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell having excellent output characteristics provided with the gas diffusion electrode.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 触媒と含フッ素イオン交換樹脂とを含有
する触媒層と、前記触媒層に隣接して配置されたガス拡
散層とを備えるガス拡散電極の製造方法であって、 前記樹脂が溶解又は分散可能な液体中において、前記触
媒と前記樹脂とを混合し、前記触媒と前記樹脂とを含む
混合液を得る混合液調製工程と、 前記混合液中の液状成分を除去して得られる前記触媒と
前記樹脂とを含む固形物を得る液状成分除去工程と、 前記固形物を冷却して脆性の固形物とし、該固形物を粉
砕して粉末を得る粉砕工程と、 前記粉末を分散媒中に分散させて分散液を調製する分散
液調製工程と、 前記分散液を塗工して触媒層を形成する触媒層形成工程
と、を含むことを特徴とするガス拡散電極の製造方法。
1. A method for manufacturing a gas diffusion electrode, comprising: a catalyst layer containing a catalyst and a fluorine-containing ion exchange resin; and a gas diffusion layer disposed adjacent to the catalyst layer, wherein the resin is dissolved. Or in a dispersible liquid, mixing the catalyst and the resin, a mixed liquid preparation step of obtaining a mixed liquid containing the catalyst and the resin, and the liquid component obtained by removing the liquid component in the mixed liquid A liquid component removing step of obtaining a solid containing a catalyst and the resin, a cooling step of cooling the solid to a brittle solid, and a pulverizing step of pulverizing the solid to obtain a powder; A method for producing a gas diffusion electrode, comprising: a dispersion liquid preparing step of preparing a dispersion liquid by dispersing the dispersion liquid into a catalyst layer; and a catalyst layer forming step of applying the dispersion liquid to form a catalyst layer.
【請求項2】 前記粉砕工程において、得られる前記粉
末は、平均粒径4μm以下とされ、かつ実質的に粒径5
0μmを超える粒子を含まないようにされることを特徴
とする請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法。
2. The powder obtained in the pulverizing step has an average particle size of 4 μm or less and substantially has a particle size of 5 μm.
The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 1, wherein the method does not include particles exceeding 0 μm.
【請求項3】 触媒と含フッ素イオン交換樹脂とを含有
する触媒層と、前記触媒層に隣接して配置されたガス拡
散層とを備えるガス拡散電極の製造方法であって、 前記触媒を粉砕することにより平均粒径を4μm以下と
し、かつ実質的に粒径50μmを超える粒子を含まない
ようにする粉砕工程と、 前記樹脂が溶解又は分散可能な液体中において、前記粉
砕工程において粉砕された前記触媒と、前記樹脂とを混
合し、前記触媒と前記樹脂とを含む混合液を得る混合液
調製工程と、 前記混合液を用いて塗工して触媒層を形成する触媒層形
成工程と、を含むことを特徴とするガス拡散電極の製造
方法。
3. A method for producing a gas diffusion electrode, comprising: a catalyst layer containing a catalyst and a fluorinated ion exchange resin; and a gas diffusion layer disposed adjacent to the catalyst layer, wherein the catalyst is pulverized. And a pulverizing step of reducing the average particle diameter to 4 μm or less, and substantially not including particles having a particle diameter of more than 50 μm, in a liquid in which the resin can be dissolved or dispersed, and pulverized in the pulverizing step. A mixed solution preparation step of mixing the catalyst and the resin to obtain a mixed solution containing the catalyst and the resin; a catalyst layer forming step of applying the mixed solution to form a catalyst layer; A method for producing a gas diffusion electrode, comprising:
【請求項4】 前記触媒は、比表面積が300〜200
0cm2のカーボンブラック担体に白金族金属及び白金
族合金からなる群から選ばれる金属粒子が担持された金
属担持触媒であることを特徴とする請求項1〜3の何れ
かに記載のガス拡散電極の製造方法。
4. The catalyst has a specific surface area of 300 to 200.
The gas diffusion electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal diffusion catalyst is a metal-supported catalyst in which metal particles selected from the group consisting of a platinum group metal and a platinum group alloy are supported on a carbon black carrier of 0 cm 2. Manufacturing method.
【請求項5】 前記樹脂が、下記式(A)で表されるパ
ーフルオロビニル化合物に基づく重合単位と、テトラフ
ルオロエチレンに基づく重合単位とからなる共重合体で
あることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のガ
ス拡散電極の製造方法。 CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2n−SO3H …(A) [式(A)中、mは0〜3の整数を示し、nは1〜12
の整数を示し、pは0又は1を示し、Xはフッ素原子又
はトリフルオロメチル基を示す。]
5. The resin according to claim 1, wherein the resin is a copolymer comprising a polymerization unit based on a perfluorovinyl compound represented by the following formula (A) and a polymerization unit based on tetrafluoroethylene. The method for producing a gas diffusion electrode according to any one of claims 1 to 4. CF 2 = CF- (OCF 2 CFX ) m -O p - in (CF 2) n -SO 3 H ... (A) [ Formula (A), m represents an integer of 0 to 3, n is from 1 to 12
And p represents 0 or 1, and X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group. ]
【請求項6】 ガス拡散電極からなるアノード及びカソ
ードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置され
た高分子電解質膜とを有する固体高分子型燃料電池の製
造方法であって、 前記アノードと前記カソードの少なくとも一方を請求項
1〜5の何れかに記載のガス拡散電極の製造方法により
製造することを特徴とする固体高分子型燃料電池の製造
方法。
6. A method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, comprising: an anode and a cathode each comprising a gas diffusion electrode; and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. A method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, wherein at least one of the cathodes is manufactured by the method for manufacturing a gas diffusion electrode according to claim 1.
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