JP2005108827A - Ink for catalyst layer formation and electrode using the same and membrane electrode junction - Google Patents

Ink for catalyst layer formation and electrode using the same and membrane electrode junction Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen ion conductive polymer electrolyte fuel cell capable of raising battery voltage by improving gaseous diffusion property of a catalyst layer and maintaining the high battery voltage over a long time. <P>SOLUTION: In this ink for catalyst layer formation including, at least, polymer electrolyte having positive ion conductivity, catalyst carrying particles consisting of conductive carbon particles carrying electrode catalyst, and dispersion medium, an average radius of inertia of the polyelectrolyte is set to 150-300 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高分子電解質型燃料電池の製造に好適に採用可能な触媒層形成用インクに関する。さらに、本発明は、上記触媒層形成用インクを用いて得られるガス拡散電極、膜電極接合体、及びこれを備える高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to an ink for forming a catalyst layer that can be suitably used for the production of a polymer electrolyte fuel cell. Furthermore, the present invention relates to a gas diffusion electrode, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell provided with the gas diffusion electrode obtained by using the catalyst layer forming ink.

高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させて、電気と熱とを同時に発生させるものである。このような高分子電解質型燃料電池の一般的な基本構成を図8に模式的に示す。
図8に示す燃料電池2において、陽イオン(水素イオン)を選択的に輸送する陽イオン(水素イオン)伝導性高分子電解質膜100の両面には、白金などの貴金属からなる粒子状の電極触媒を担持した導電性炭素粒子、を主成分とする触媒層110aがホットプレスなどにより密着して配置されている。さらに、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層110bが、ホットプレスなどにより、触媒層110aの外面に密着して配置されている。この触媒層110aとガス拡散層110bとから、ガス拡散電極110が構成される。
ガス拡散電極110の外側には、導電性セパレータ板120a、120bが配置されている。導電性セパレータ板120a、120bは、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜100とその両面に配置されたガス拡散電極110とから形成される膜電極接合体(MEA)を機械的に固定するとともに、隣接するMEA同士を互いに電気的に直列に接続する。この導電性セパレータ板120a、120bは、ガス拡散電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路130a、130bを有する。
A polymer electrolyte fuel cell generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air. A general basic configuration of such a polymer electrolyte fuel cell is schematically shown in FIG.
In the fuel cell 2 shown in FIG. 8, a particulate electrode catalyst made of a noble metal such as platinum is formed on both surfaces of a cation (hydrogen ion) conductive polymer electrolyte membrane 100 that selectively transports cations (hydrogen ions). A catalyst layer 110a mainly composed of conductive carbon particles supporting the carbon is disposed in close contact with a hot press or the like. Further, a gas diffusion layer 110b having both gas permeability and conductivity is disposed in close contact with the outer surface of the catalyst layer 110a by hot pressing or the like. The catalyst layer 110a and the gas diffusion layer 110b constitute a gas diffusion electrode 110.
Conductive separator plates 120a and 120b are disposed outside the gas diffusion electrode 110. The conductive separator plates 120a and 120b mechanically fix a membrane electrode assembly (MEA) formed of the polymer electrolyte membrane 100 having hydrogen ion conductivity and the gas diffusion electrodes 110 disposed on both sides thereof. Adjacent MEAs are electrically connected in series with each other. The conductive separator plates 120a and 120b have gas flow paths 130a and 130b for supplying a reaction gas to the gas diffusion electrode and carrying away a gas generated by the reaction or an excess gas.

触媒層110aは、一般に、白金などの貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、の混合物を、薄く成形することによって形成される。水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸が一般的に使用されている。
触媒層110aの形成法をより具体的に説明すると、まず、例えば白金などの貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、要すれば撥水剤あるいは撥水剤で被覆した導電性炭素粉末と、エタノールなどのアルコール系分散媒に水素イオン伝導性を有する高分子電解質を分散させた溶液と、を混合する。次に、この混合物に、イソプロピルアルコールまたはブチルアルコールなどの比較的高沸点の有機溶媒を添加し、触媒層形成用インクを調製する。
次に、この触媒層形成用インクをスクリーン印刷法、スプレー塗工法、ドクターブレード法などを用いて、高分子電解質膜100またはガス拡散層110bに塗布することによって、触媒層110aを形成する。
また、ポリプロピレンなどの高分子材料で構成される支持体シート上に、触媒層形成用インクを塗布・乾燥して、触媒層110aを形成してもよい。この場合、触媒層110aが配された支持体シートを、高分子電解質膜100に熱圧着し、触媒層110aを転写することによって、触媒層110aを高分子電解質膜100上に形成することもできる。
MEAは、高分子電解質膜100、触媒層110aおよびガス拡散層110bを積層して、ホットプレスにて熱圧着することによって作製することができる。
The catalyst layer 110a is generally formed by thinly forming a mixture of conductive carbon particles carrying an electrode catalyst made of a noble metal such as platinum, a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and a dispersion medium. The As a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, perfluorocarbon sulfonic acid is generally used.
The method for forming the catalyst layer 110a will be described more specifically. First, conductive carbon particles carrying an electrode catalyst made of a noble metal such as platinum, and conductive carbon coated with a water repellent or water repellent if necessary. The powder is mixed with a solution in which a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity is dispersed in an alcohol-based dispersion medium such as ethanol. Next, an organic solvent having a relatively high boiling point such as isopropyl alcohol or butyl alcohol is added to the mixture to prepare a catalyst layer forming ink.
Next, the catalyst layer 110a is formed by applying the ink for forming the catalyst layer to the polymer electrolyte membrane 100 or the gas diffusion layer 110b using a screen printing method, a spray coating method, a doctor blade method, or the like.
Alternatively, the catalyst layer 110a may be formed by applying and drying a catalyst layer forming ink on a support sheet made of a polymer material such as polypropylene. In this case, the catalyst layer 110a can be formed on the polymer electrolyte membrane 100 by thermocompression bonding the support sheet on which the catalyst layer 110a is arranged to the polymer electrolyte membrane 100 and transferring the catalyst layer 110a. .
The MEA can be produced by laminating the polymer electrolyte membrane 100, the catalyst layer 110a, and the gas diffusion layer 110b and thermocompression bonding with a hot press.

ところで、触媒層110aにおいては、反応ガスの供給路となる空隙と、水素イオン伝導性高分子電解質と、電子伝導体としての電極触媒とが形成する三相界面の反応面積の大きさが、電池の放電性能を左右する最も重要な因子のひとつである。この三相界面が大きく長時間安定であるほど、耐久性の高い燃料電池であると言える。
なかでも、三相界面の一つを構成する水素イオン伝導性を有する高分子電解質による水素イオンの伝導パス(プロトンネットワーク)を十分に確保することが、電極触媒との接触面積を増大させて、反応サイトを増大させるという理由から、重要となる。
例えば、特許文献1においては、導電性炭素粒子の細孔中にある白金をも水素イオン伝導性を有する高分子電解質(含フッ素カーボンスルホン酸イオン交換樹脂)で被覆できるようにすることを意図し、触媒層形成用インクに含まれる含フッ素カーボンスルホン酸イオン交換樹脂(高分子電解質)の分子量を小さくする技術(具体的には、イオン交換樹脂の前駆体の溶融押し出し温度を80〜170℃に調整する技術)が提案されている。より具体的には、高分子電解質を構成するポリテトラフルオロエチレン(PTFE)型の主鎖骨格を短くする試みが提案されている。
また、特許文献2においては、分散媒によって触媒層形成用インクの形態(状態)を制御する試み、例えば、高分子電解質をコロイド化して白金を担持した導電性炭素粒子に吸着させる方法が提案されている。
特開2000−188110号公報 特開平08−264190号公報
By the way, in the catalyst layer 110a, the size of the reaction area of the three-phase interface formed by the gap serving as the supply path for the reaction gas, the hydrogen ion conductive polymer electrolyte, and the electrode catalyst as the electron conductor is It is one of the most important factors that influence the discharge performance. The larger the three-phase interface is, the longer it is stable, the more durable the fuel cell.
Above all, ensuring a sufficient hydrogen ion conduction path (proton network) by the polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity that constitutes one of the three-phase interfaces increases the contact area with the electrode catalyst, This is important because it increases the number of reaction sites.
For example, Patent Document 1 intends to allow platinum in the pores of conductive carbon particles to be coated with a polymer electrolyte (fluorine-containing carbon sulfonate ion exchange resin) having hydrogen ion conductivity. , Technology for reducing the molecular weight of the fluorine-containing carbon sulfonate ion exchange resin (polymer electrolyte) contained in the catalyst layer forming ink (specifically, the melt extrusion temperature of the precursor of the ion exchange resin is set to 80 to 170 ° C.) Technology to adjust) has been proposed. More specifically, attempts have been proposed to shorten the polytetrafluoroethylene (PTFE) type main chain skeleton constituting the polymer electrolyte.
Further, Patent Document 2 proposes an attempt to control the form (state) of the ink for forming a catalyst layer with a dispersion medium, for example, a method in which a polymer electrolyte is colloided and adsorbed on conductive carbon particles carrying platinum. ing.
JP 2000-188110 A JP 08-264190 A

しかしながら、上述の特許文献1及び2をはじめとする従来技術であっても、水素イオン伝導性を有する高分子電解質により、導電性炭素粒子の細孔内にある白金も被覆することができる可能性があるが、本来ガスが供給される触媒層内の空隙(ガス供給経路)にも、高分子電解質が多く存在するようになったり、触媒層形成用インクの塗工・乾燥工程によって得られる触媒層の厚み方向に高分子電解質が偏在したりすることがあった。このような状態の触媒層を用いて作製される電極は、サイクリックボルタンメトリーなどを用いて測定される静的な電気化学反応面積は増加するが、実際の発電に採用される電流領域(ガス拡散律速領域)における電圧向上は少なくなる。このことは、触媒層を含む電極におけるガス拡散性の低下をもたらし、フラッディングが生じやすくなる原因となる。
特に、上述の状態の触媒層を含む電極を備える燃料電池の場合、電池作動初期には、三相界面が良好に形成されていたとしても、時間が経つにつれて、フラッディングが発生し、電圧が低下してしまうこともあった。
However, even in the prior art including the above-mentioned Patent Documents 1 and 2, there is a possibility that platinum in the pores of the conductive carbon particles can be coated with the polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity. However, a large amount of polymer electrolyte is also present in the voids (gas supply path) in the catalyst layer to which the gas is originally supplied, or a catalyst obtained by applying and drying the catalyst layer forming ink. In some cases, the polymer electrolyte was unevenly distributed in the thickness direction of the layer. Electrodes produced using the catalyst layer in this state increase the static electrochemical reaction area measured using cyclic voltammetry, but the current region (gas diffusion used in actual power generation) The voltage improvement in the rate limiting region) is reduced. This causes a decrease in gas diffusibility in the electrode including the catalyst layer, and causes flooding to occur easily.
In particular, in the case of a fuel cell including an electrode including a catalyst layer in the above-described state, even if a three-phase interface is well formed at the initial stage of cell operation, flooding occurs and voltage decreases with time. Sometimes it happened.

次に、図面を用いて、上述の触媒層中において高分子電解質が偏在することについて更に詳しく説明する。ここで、図9(a)及び(b)は、従来の触媒層を模式的に示した断面図である。
従来の触媒層形成用インクには、図9(a)及び(b)に示されるように、貴金属からなる電極触媒210を担持した導電性炭素粒子220と、分子鎖が短い水素イオン伝導性高分子電解質230とが使用されている。
例えば、転写法によって触媒層を作製する場合、樹脂製の支持体シート240上に触媒層形成用インクを塗布すると、触媒層形成用インクが乾燥する間に、水素イオン伝導性を有する高分子電解質230が支持体シート240側に偏在する。そのため、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜100に転写された触媒層110aは、ガス拡散層側(高分子電解質膜100とは反対側)に高分子電解質230が偏在した状態になり、電極のガス拡散性および耐フラッディング性が低くなる。
Next, the uneven distribution of the polymer electrolyte in the catalyst layer will be described in more detail with reference to the drawings. Here, FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views schematically showing a conventional catalyst layer.
As shown in FIGS. 9A and 9B, the conventional catalyst layer forming ink includes conductive carbon particles 220 carrying an electrode catalyst 210 made of a noble metal, a high molecular ion conductivity with a short molecular chain. A molecular electrolyte 230 is used.
For example, when a catalyst layer is produced by a transfer method, when a catalyst layer forming ink is applied onto a resin support sheet 240, a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity is produced while the catalyst layer forming ink is dried. 230 is unevenly distributed on the support sheet 240 side. Therefore, the catalyst layer 110a transferred to the polymer electrolyte membrane 100 having hydrogen ion conductivity is in a state in which the polymer electrolyte 230 is unevenly distributed on the gas diffusion layer side (the side opposite to the polymer electrolyte membrane 100). The gas diffusibility and anti-flooding resistance of the resin become low.

また、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜100に触媒層110aを直接形成する場合でも、水素イオン伝導性高分子電解質膜近傍に、多くの水素イオン伝導性高分子電解質が存在するため、触媒層は、電気化学的反応に寄与しにくくなる。したがって、アノードではCO被毒による電圧低下が大きくなり、カソードでは高電流密度域での電圧低下が大きくなる。さらに、このような燃料電池は、特に、高加湿作動時におけるフラッディングによる電圧低下が大きくなる。
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、十分なガス拡散性を有する触媒層を備え、長時間にわたってフラッディングの発生を十分に防止しつつ高い電池電圧を維持することのできる高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に得ることのできる触媒層形成用インクを提供することを目的とする。また、本発明は、長時間にわたってフラッディングの発生を十分に防止しつつ高い電池電圧を維持することのできる高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に得ることのできるガス拡散電極および膜電極接合体を得ることを目的とする。さらに、本発明は、長時間にわたってフラッディングの発生を十分に防止しつつ高い電池電圧を維持することのできる高分子電解質型燃料電池を得ることを目的とする。
In addition, even when the catalyst layer 110a is directly formed on the polymer electrolyte membrane 100 having hydrogen ion conductivity, since many hydrogen ion conductive polymer electrolytes exist in the vicinity of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, The layer is less likely to contribute to the electrochemical reaction. Therefore, the voltage drop due to CO poisoning is large at the anode, and the voltage drop in the high current density region is large at the cathode. Further, such a fuel cell has a large voltage drop due to flooding, particularly during a high humidification operation.
The present invention has been made in view of the above problems, and includes a catalyst layer having sufficient gas diffusibility, and can maintain a high battery voltage while sufficiently preventing occurrence of flooding over a long period of time. It is an object of the present invention to provide a catalyst layer forming ink capable of easily and reliably obtaining a molecular electrolyte fuel cell. The present invention also provides a gas diffusion electrode and a membrane electrode assembly capable of easily and reliably obtaining a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining a high cell voltage while sufficiently preventing the occurrence of flooding over a long period of time. The purpose is to obtain. Furthermore, an object of the present invention is to obtain a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining a high battery voltage while sufficiently preventing the occurrence of flooding over a long period of time.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、触媒層形成用インク中における高分子電解質の状態が、これを用いて形成される触媒層中における高分子電解質の分布状態(良好な三相界面の構築に有効な高分子電解質の分布状態)に大きな影響を与える一つの要因になっていることを見出した。
更に、本発明者らは、触媒層形成用インク中における高分子電解質の平均慣性半径(以下、必要に応じて「平均慣性半径1」という)、又は、触媒層形成用インクに使用可能な分散媒中に分散した場合における高分子電解質の平均慣性半径(以下、必要に応じて「平均慣性半径2」という)が、上述の触媒層形成用インク中における高分子電解質の状態を示す指標として使用することが有効であることを見出した。
そして、本発明者らは、触媒層形成用インクに含有させる高分子電解質として特定の範囲の分子量を有する高分子電解質を選択するよりも、むしろ、上述の高分子電解質の平均慣性半径1、又は、高分子電解質の平均慣性半径2が、特定の範囲となる条件を満たす高分子電解質を触媒層形成用インクに含有させることが、これを用いて得られる触媒層中における高分子電解質の分布状態を良好な状態(高分子電解質の偏在を十分に低減された状態)とし、特に耐フラッディング性に優れた良好なガス拡散性を有する触媒層を容易かつ確実に形成する上で極めて有効であることを見出した。
更に、本発明者らは、従来の触媒層形成用インク中に含まれる高分子電解質よりも比較的大きな平均慣性半径(平均慣性半径1又は平均慣性半径2)を有する高分子電解質を用いて触媒層形成用インクを構成し、これを用いて触媒層を形成することが、上述の目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the state of the polymer electrolyte in the ink for forming the catalyst layer is the distribution state of the polymer electrolyte in the catalyst layer formed using this. It has been found that this is one factor that greatly affects (the distribution state of the polymer electrolyte effective for the construction of a good three-phase interface).
Furthermore, the present inventors have used an average inertia radius of the polymer electrolyte in the catalyst layer forming ink (hereinafter referred to as “average inertia radius 1” if necessary) or a dispersion usable in the catalyst layer forming ink. The average inertia radius of the polymer electrolyte when dispersed in the medium (hereinafter referred to as “average inertia radius 2” if necessary) is used as an index indicating the state of the polymer electrolyte in the above-described catalyst layer forming ink. I found it effective.
The inventors of the present invention rather than selecting a polymer electrolyte having a specific range of molecular weight as the polymer electrolyte to be contained in the catalyst layer forming ink, rather, the average inertia radius 1 of the polymer electrolyte described above, or The distribution state of the polymer electrolyte in the catalyst layer obtained by using the ink for forming the catalyst layer by adding the polymer electrolyte satisfying the condition that the average inertia radius 2 of the polymer electrolyte is in a specific range. Is in a good state (a state where the uneven distribution of the polymer electrolyte is sufficiently reduced), and is extremely effective for easily and reliably forming a catalyst layer having a good gas diffusibility particularly excellent in flooding resistance. I found.
Furthermore, the present inventors have prepared a catalyst using a polymer electrolyte having a relatively large average inertia radius (average inertia radius 1 or average inertia radius 2) than the polymer electrolyte contained in the conventional catalyst layer forming ink. It has been found that it is extremely effective to constitute a layer forming ink and use this to form a catalyst layer to achieve the above object, and the present invention has been achieved.

すなわち、上記課題を解決すべく、本発明は、陽イオン伝導性を有する高分子電解質と、電極触媒が担持された導電性炭素粒子からなる触媒担持粒子と、分散媒と、を少なくとも含み、
高分子電解質の平均慣性半径が150〜300nmであること、
を特徴とする触媒層形成用インクを提供する。
That is, in order to solve the above problems, the present invention includes at least a polymer electrolyte having cation conductivity, catalyst-carrying particles composed of conductive carbon particles on which an electrode catalyst is supported, and a dispersion medium,
The average inertia radius of the polymer electrolyte is 150 to 300 nm,
An ink for forming a catalyst layer is provided.

上述のように、触媒層形成用インクに平均慣性半径が150〜300nmの高分子電解質を用いて触媒層を形成することにより、高分子電解質の偏在が少なくガス拡散性に優れた触媒層を容易かつ確実に得ることができ、高分子電解質による導電ネットワークを充分に確保しつつ電極触媒と反応ガスと高分子電解質とにより形成される三相界面を良好な状態で形成することができる。
また、この触媒層を用いることによって、長時間にわたって高い電池電圧を維持することのできるガス拡散電極、膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
As described above, by forming a catalyst layer using a polymer electrolyte having an average radius of inertia of 150 to 300 nm for the ink for forming the catalyst layer, it is easy to form a catalyst layer with less unevenness of the polymer electrolyte and excellent gas diffusibility. In addition, the three-phase interface formed by the electrode catalyst, the reaction gas, and the polymer electrolyte can be formed in a good state while sufficiently securing a conductive network by the polymer electrolyte.
Further, by using this catalyst layer, it is possible to obtain a gas diffusion electrode, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell that can maintain a high battery voltage for a long time.

ここで、陽イオン伝導性(水素イオン伝導性)を有する高分子電解質の「慣性半径」とは、触媒層形成用インク又は分散媒中に存在する高分子鎖の重心からの広がりを表し、「平均慣性半径」とはその相加平均値を示す。同じ高分子鎖であっても、分散媒の種類によりその慣性半径は変化し得る。しかし、本発明においては、水素イオン伝導性高分子電解質分散液に、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子を添加して触媒層形成用インクが調製されるとき、他の分散媒を添加することがないため、分散液における慣性半径2と触媒層形成用インクにおける慣性半径1とはほぼ同じであると考えられる。
平均慣性半径(1、2)が150nm未満である場合、触媒層形成用インクを用いて形成した触媒層において、高分子電解質の偏在化が生じる。そのため、触媒層のガス拡散性および電池電圧が低くなる。一方、平均慣性半径(1、2)が300nmを超えると、高分子電解質分散液に、電極触媒を担持した導電性炭素粒子とを混合したときに、高分子電解質が導電性炭素粒子の細孔に入ることができず、細孔内の電極触媒を高分子電解質で被覆することができなくなる。このため、三相界面の反応面積が小さくなり、電池電圧が低くなる。
Here, the “inertia radius” of the polymer electrolyte having cation conductivity (hydrogen ion conductivity) represents the spread from the center of gravity of the polymer chain present in the catalyst layer forming ink or dispersion medium, The “average inertia radius” indicates the arithmetic average value. Even for the same polymer chain, the radius of inertia can vary depending on the type of dispersion medium. However, in the present invention, when an ink for forming a catalyst layer is prepared by adding conductive carbon particles supporting an electrode catalyst made of a noble metal to a hydrogen ion conductive polymer electrolyte dispersion, another dispersion medium is added. Since it is not added, it is considered that the inertial radius 2 in the dispersion and the inertial radius 1 in the catalyst layer forming ink are substantially the same.
When the average inertia radius (1, 2) is less than 150 nm, the polymer electrolyte is unevenly distributed in the catalyst layer formed using the catalyst layer forming ink. Therefore, the gas diffusibility and battery voltage of the catalyst layer are lowered. On the other hand, when the average inertia radius (1, 2) exceeds 300 nm, when the polymer electrolyte dispersion is mixed with the conductive carbon particles supporting the electrode catalyst, the polymer electrolyte becomes pores of the conductive carbon particles. The electrode catalyst in the pores cannot be covered with the polymer electrolyte. For this reason, the reaction area of a three-phase interface becomes small, and a battery voltage becomes low.

慣性半径は、当該分野で公知の方法を用いて求めることができる。本発明においては、0.1〜1質量%の範囲の高分子電解質濃度の高分子電解質分散液をサンプルとして調製し、高分子電解質分散液中の高分子電解質の分子から発射される散乱光強度および角度依存性を静的光散乱法により測定することにより、慣性半径を得る。
なお、本発明において、「高分子電解質分散液」とは、高分子電解質が分散された状態の液の他に、高分子電解質が一部溶解し、他の一部が溶解せずに分散されている状態の液も含む。
また、本発明において、「分散媒」とは、以下の液体をいう。すなわち、使用される高分子電解質を分散可能な液体であってもよく、高分子電解質を溶解可能な液体であってもよく、高分子電解質を一部溶解可能で、他の一部は分散可能な液体であってもよい。
The inertia radius can be obtained using a method known in the art. In the present invention, a polymer electrolyte dispersion having a polymer electrolyte concentration in the range of 0.1 to 1% by mass is prepared as a sample, and the intensity of scattered light emitted from the polymer electrolyte molecules in the polymer electrolyte dispersion And the radius of inertia is obtained by measuring the angle dependence by the static light scattering method.
In the present invention, the “polyelectrolyte dispersion liquid” means a polymer electrolyte partly dissolved in addition to the liquid in which the polymer electrolyte is dispersed, and the other part is dispersed without being dissolved. Including the liquid in the state.
In the present invention, the “dispersion medium” refers to the following liquid. In other words, it may be a liquid that can disperse the polymer electrolyte used, or it may be a liquid that can dissolve the polymer electrolyte. A part of the polymer electrolyte can be dissolved and the other part can be dispersed. It may be a liquid.

また、本発明は、陽イオン伝導性を有する高分子電解質と、電極触媒が担持された導電性炭素微粒子からなる触媒担持粒子と、分散媒と、を少なくとも含み、先に述べた本発明の触媒層形成用インクで形成された触媒層を有すること、
を特徴とするガス拡散電極を提供する。
The present invention also includes at least the catalyst of the present invention as described above, comprising at least a polymer electrolyte having cation conductivity, catalyst-carrying particles made of conductive carbon fine particles carrying an electrode catalyst, and a dispersion medium. Having a catalyst layer formed with a layer forming ink;
A gas diffusion electrode is provided.

上述の本発明のガス拡散電極は、先に述べた本発明の触媒層形成用インクを用いて形成された触媒層を有しているため、長時間にわたって高い電池電圧を維持することのできる膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池を実現することができる。
ここで、本発明において、「ガス拡散電極」とは、(I)触媒層のみからなるものであってもよく、(II)ガス拡散層上に触媒層を形成したもの、つまりガス拡散層と触媒層との組合せであってもよい。
The gas diffusion electrode of the present invention described above has a catalyst layer formed using the above-described ink for forming a catalyst layer of the present invention, and therefore can maintain a high battery voltage for a long time. An electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell can be realized.
Here, in the present invention, the “gas diffusion electrode” may consist of (I) a catalyst layer alone, (II) a catalyst layer formed on the gas diffusion layer, that is, a gas diffusion layer and A combination with a catalyst layer may also be used.

更に、本発明は、第1の触媒層を有する第1の電極と、第2の触媒層を有する第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に配置される水素イオン伝導性高分子電解質膜と、を含む膜電極接合体であって、
第1の触媒層および第2の触媒層の少なくとも一方が、陽イオン伝導性を有する高分子電解質と、電極触媒が担持された導電性炭素微粒子からなる触媒担持粒子と、分散媒と、を少なくとも含み、先に述べた本発明の触媒層形成用インクで形成されていること、
を特徴とする膜電極接合体を提供する。
Furthermore, the present invention provides a first electrode having a first catalyst layer, a second electrode having a second catalyst layer, and hydrogen ions disposed between the first electrode and the second electrode. A membrane electrode assembly comprising a conductive polymer electrolyte membrane,
At least one of the first catalyst layer and the second catalyst layer comprises at least a polymer electrolyte having cation conductivity, catalyst-carrying particles made of conductive carbon fine particles carrying an electrode catalyst, and a dispersion medium. Including the catalyst layer forming ink of the present invention described above,
A membrane electrode assembly is provided.

上述の本発明の膜電極接合体は、先に述べた本発明の触媒層形成用インクを用いて形成された触媒層およびガス拡散電極を有しているため、長時間にわたって高い電池電圧を維持することのできる高分子電解質型燃料電池を実現することができる。
なお、第1の電極および第2の電極は、一方がアノードであり他方がカソードである。
The membrane electrode assembly of the present invention described above has a catalyst layer and a gas diffusion electrode formed using the above-described ink for forming a catalyst layer of the present invention, and thus maintains a high battery voltage for a long time. It is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell that can be used.
Note that one of the first electrode and the second electrode is an anode and the other is a cathode.

更に、本発明は、上述の膜電極接合体と、前記膜電極接合体に反応ガスを供給するためのガス流路を有する一対の導電性セパレータ板と、を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。   Furthermore, the present invention provides a polymer electrolyte comprising the membrane electrode assembly described above and a pair of conductive separator plates having a gas flow path for supplying a reaction gas to the membrane electrode assembly. A fuel cell is provided.

上述の本発明の高分子電解質型燃料電池は、先に述べた本発明の膜電極接合体を有しているため、長時間にわたって高い電池電圧を維持することができる。   Since the above-described polymer electrolyte fuel cell of the present invention has the membrane electrode assembly of the present invention described above, a high battery voltage can be maintained for a long time.

本発明の触媒層形成用インクによれば、高分子電解質の偏在が少なくガス拡散性に優れた触媒層を得ることができ、電極触媒と反応ガスと高分子電解質との間の三相界面を良好な状態にすることができるとともに、高分子電解質による導電ネットワークを充分に確保することができる。また、この触媒層を用いることによって、長時間にわたって高い電池電圧を維持することのできるガス拡散電極、膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
また、本発明のガス拡散電極によれば、上記の触媒層形成用インクを用いて形成した触媒層を有するため、高分子電解質の偏在が少なくガス拡散性に優れ、長時間にわたって高い電池電圧を維持することのできる膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
更に、本発明の膜電極接合体によれば、上述の本発明のガス拡散電極を備えているので、長時間にわたって高い電池電圧を維持することができる。
また、本発明の高分子電解質型燃料電池は、上述の本発明の膜電極接合体を備えているので、長時間にわたって高い電池電圧を維持することができる。
According to the ink for forming a catalyst layer of the present invention, a catalyst layer with little uneven distribution of a polymer electrolyte and excellent gas diffusibility can be obtained, and a three-phase interface between an electrode catalyst, a reaction gas, and a polymer electrolyte is formed. While being able to make it a favorable state, the conductive network by a polymer electrolyte can fully be ensured. Further, by using this catalyst layer, it is possible to obtain a gas diffusion electrode, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell that can maintain a high battery voltage for a long time.
In addition, according to the gas diffusion electrode of the present invention, since it has a catalyst layer formed using the above catalyst layer forming ink, there is little uneven distribution of the polymer electrolyte, it has excellent gas diffusibility, and a high battery voltage over a long period of time. A membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell that can be maintained can be obtained.
Furthermore, according to the membrane electrode assembly of the present invention, since the gas diffusion electrode of the present invention is provided, a high battery voltage can be maintained for a long time.
In addition, since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the membrane electrode assembly of the present invention described above, a high battery voltage can be maintained for a long time.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図1は、本発明の高分子電解質型燃料電池の好適な一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。ここで、図1に示す高分子電解質型燃料電池1は、本発明の触媒層形成用インクの好適な一実施形態を用いて形成されるガス拡散電極(本発明のガス拡散電極の好適な一実施形態)及び、当該ガス拡散電極を備える膜電極接合体(本発明の膜電極接合体の好適な一実施形態)を備えている。
図1に示す高分子電解質型燃料電池1は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜10と、触媒層11aおよびガス拡散層11bを有するガス拡散電極11と、それぞれガス流路13aおよび13bをそれぞれ有する導電性セパレータ板12aおよび12bと、ガスケット14と、シーリング部材15と、導電性セパレータ板12aおよび12bの間に形成された冷却水流路16と、から構成されている。
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜10の両面には、白金などの貴金属からなる粒子状の電極触媒を担持した導電性炭素粒子を主成分とする触媒層11aがホットプレスなどの公知の製造技術により密着された状態で配置されている。さらに、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層11bが、ホットプレスなどの公知の製造技術により、触媒層11aの外面に密着された状態で配置されている。この触媒層11aとガス拡散層11bとから、ガス拡散電極(アノードまたはカソード)11が構成されている。さらに、高分子電解質膜10と、一対のガス拡散電極11とから、膜電極接合体が構成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a preferred embodiment of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. Here, the polymer electrolyte fuel cell 1 shown in FIG. 1 is a gas diffusion electrode formed using a preferred embodiment of the catalyst layer forming ink of the present invention (a suitable one of the gas diffusion electrodes of the present invention). Embodiment) and a membrane electrode assembly (a preferred embodiment of the membrane electrode assembly of the present invention) provided with the gas diffusion electrode.
A polymer electrolyte fuel cell 1 shown in FIG. 1 includes a polymer electrolyte membrane 10 having hydrogen ion conductivity, a gas diffusion electrode 11 having a catalyst layer 11a and a gas diffusion layer 11b, and gas flow paths 13a and 13b, respectively. The conductive separator plates 12a and 12b, the gasket 14, the sealing member 15, and the cooling water flow path 16 formed between the conductive separator plates 12a and 12b, respectively, are included.
On both surfaces of the polymer electrolyte membrane 10 having hydrogen ion conductivity, a catalyst layer 11a mainly composed of conductive carbon particles carrying a particulate electrode catalyst made of a noble metal such as platinum is publicly known such as hot press. Arranged in close contact with technology. Further, the gas diffusion layer 11b having both gas permeability and conductivity is disposed in close contact with the outer surface of the catalyst layer 11a by a known manufacturing technique such as hot pressing. A gas diffusion electrode (anode or cathode) 11 is composed of the catalyst layer 11a and the gas diffusion layer 11b. Further, a membrane electrode assembly is constituted by the polymer electrolyte membrane 10 and the pair of gas diffusion electrodes 11.

ガス拡散電極11の外側には、導電性セパレータ板12a、12bが配置されている。導電性セパレータ板12a、12bは、膜電極接合体MEAを機械的に固定するとともに、隣接するMEA同士を互いに電気的に直列に接続する。この導電性セパレータ板12a、12bは、ガス拡散電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路13a、13bを有する。
また、水漏れを防止するためのシーリング部材15が、冷却水流路16を有する一対のセパレータ板12a、12bの間に配置される。
高分子電解質膜10は、アノード側の触媒層中で生成するプロトンを膜厚方向に沿ってカソード側の触媒層へ選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜10は、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素が混じり合わないようにするための隔膜としての機能も有する。
セパレータ板12a、12bの材質としては、金属製、カーボン製、黒鉛と樹脂を混合した材料などがあり、幅広く使用することができる。
また、ガス拡散層を構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができる。例えばカーボンクロスやカーボンペーパを用いることができる。
Conductive separator plates 12 a and 12 b are disposed outside the gas diffusion electrode 11. The conductive separator plates 12a and 12b mechanically fix the membrane electrode assembly MEA and electrically connect adjacent MEAs to each other in series. The conductive separator plates 12a and 12b have gas flow paths 13a and 13b for supplying a reaction gas to the gas diffusion electrode and carrying away a gas generated by the reaction or an excess gas.
A sealing member 15 for preventing water leakage is disposed between the pair of separator plates 12 a and 12 b having the cooling water flow path 16.
The polymer electrolyte membrane 10 has a function of selectively transmitting protons generated in the catalyst layer on the anode side to the catalyst layer on the cathode side along the film thickness direction. Further, the polymer electrolyte membrane 10 also has a function as a diaphragm for preventing hydrogen supplied to the anode and oxygen supplied to the cathode from being mixed.
Examples of the material of the separator plates 12a and 12b include metal, carbon, and a material in which graphite and a resin are mixed, and can be used widely.
Moreover, it does not specifically limit as a material which comprises a gas diffusion layer, A well-known thing can be used in the said field | area. For example, carbon cloth or carbon paper can be used.

次に、上述の触媒層11aの形成に使用される触媒層形成用インク(本発明の触媒層形成用インク)の好適な一実施形態について説明する。
この触媒層形成用インクは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含むものである。そして、高分子電解質の平均慣性半径(1、2)が150〜300nmである。
高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、およびスルホンイミド基を有するものなどが好ましく挙げられる。水素イオン伝導性の観点から、スルホン酸基を有するものが特に好ましい。
Next, a preferred embodiment of the catalyst layer forming ink (the catalyst layer forming ink of the present invention) used for forming the catalyst layer 11a will be described.
This ink for forming a catalyst layer contains conductive carbon particles carrying an electrode catalyst made of a noble metal, a polymer electrolyte having cation (hydrogen ion) conductivity, and a dispersion medium. The average inertia radius (1, 2) of the polymer electrolyte is 150 to 300 nm.
Preferred examples of the polymer electrolyte include those having sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphonic acid groups, and sulfonimide groups as cation exchange groups. From the viewpoint of hydrogen ion conductivity, those having a sulfonic acid group are particularly preferred.

スルホン酸基を有する高分子電解質としては、イオン交換容量が0.5〜1.5ミリ当量/g乾燥樹脂であるものことが好ましい。高分子電解質のイオン交換容量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂未満であると、得られた触媒層の抵抗値が発電時に上昇するおそれがあるので好ましくなく、イオン交換容量が1.5ミリ当量/g乾燥樹脂超であると、得られた触媒層の含水率が増大し、膨潤しやすくなり、細孔が閉塞するおそれがあるので好ましくない。イオン交換容量は0.8〜1.2ミリ当量/g乾燥樹脂が特に好ましい。   The polymer electrolyte having a sulfonic acid group preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity of the polymer electrolyte is less than 0.5 meq / g dry resin, the resistance value of the obtained catalyst layer may increase during power generation, which is not preferable. The ion exchange capacity is 1.5 mm. If it is more than equivalent / g dry resin, the water content of the obtained catalyst layer is increased, the resin layer tends to swell, and the pores may be blocked, which is not preferable. The ion exchange capacity is particularly preferably 0.8 to 1.2 meq / g dry resin.

高分子電解質としては、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO3Hで表されるパーフルオロビニル化合物(mは0〜3の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、pは0または1を示し、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基を示す。)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を含む共重合体であることが好ましい。 As the polymer electrolyte, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O p - (CF 2) a perfluorovinyl compound represented by n -SO 3 H (m is an integer of 0 to 3, n Represents an integer of 1 to 12, p represents 0 or 1, and X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group.) And a copolymer comprising a polymer unit based on tetrafluoroethylene. Preferably there is.

上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式(3)〜(5)で表される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。   Preferable examples of the fluorovinyl compound include compounds represented by the following formulas (3) to (5). However, in the following formula, q is an integer of 1 to 8, r is an integer of 1 to 8, and t is an integer of 1 to 3.

CF2=CFO(CF2q−SO3H ・・・(3)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2r−SO3H ・・・(4)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF22−SO3H ・・・(5)
CF 2 = CFO (CF 2) q -SO 3 H ··· (3)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) r —SO 3 H (4)
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 -SO 3 H ··· (5)

なお、高分子電解質としては、具体的には、Aldrich社製の「ナフィオン」(商品名)や旭硝子(株)製の「フレミオン」(商品名)などが挙げられる。また、高分子電解質膜の構成材料として、上述した高分子電解質を用いてもよい。
ここで、上述のように、触媒層形成用インクに含まれる高分子電解質の平均慣性半径は150〜300nmである。平均慣性半径がこの範囲にあることにより、高分子電解質の偏在が少なくガス拡散性に優れた触媒層11aを容易かつ確実に得ることができ、電極触媒と反応ガスと高分子電解質との間の三相界面を良好な状態にすることができるとともに、高分子電解質による導電ネットワークを充分に確保することができる。
また、この触媒層11aを用いることによって、長時間にわたって高い電池電圧を維持することのできるガス拡散電極11、膜電極接合体MEAおよび高分子電解質型燃料電池1を得ることができる。
Specific examples of the polymer electrolyte include “Nafion” (trade name) manufactured by Aldrich, “Flemion” (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and the like. Moreover, you may use the polymer electrolyte mentioned above as a constituent material of a polymer electrolyte membrane.
Here, as described above, the average inertia radius of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer forming ink is 150 to 300 nm. When the average inertial radius is within this range, the catalyst layer 11a with less uneven distribution of the polymer electrolyte and excellent gas diffusibility can be obtained easily and reliably, and between the electrode catalyst, the reaction gas, and the polymer electrolyte. The three-phase interface can be in a good state, and a conductive network by the polymer electrolyte can be sufficiently secured.
Moreover, by using this catalyst layer 11a, the gas diffusion electrode 11, the membrane electrode assembly MEA, and the polymer electrolyte fuel cell 1 that can maintain a high battery voltage for a long time can be obtained.

平均慣性半径が150nm未満である場合、触媒層形成用インクを用いて形成した触媒層において、高分子電解質の偏在化が生じるため、触媒層のガス拡散性および電池電圧が低くなる。
一方、平均慣性半径が300nmを超えると、高分子電解質分散液に、電極触媒を担持した導電性炭素粒子とを混合したときに、高分子電解質が導電性炭素粒子の細孔に入ることができず、細孔内の電極触媒を高分子電解質で被覆することができなくなる。このため、三相界面の反応面積が小さくなり、電池電圧が低くなる。
When the average inertial radius is less than 150 nm, the polymer layer is unevenly distributed in the catalyst layer formed using the catalyst layer forming ink, so that the gas diffusibility of the catalyst layer and the battery voltage are lowered.
On the other hand, when the average inertia radius exceeds 300 nm, the polymer electrolyte can enter the pores of the conductive carbon particles when the polymer electrolyte dispersion is mixed with the conductive carbon particles supporting the electrode catalyst. Therefore, the electrode catalyst in the pores cannot be coated with the polymer electrolyte. For this reason, the reaction area of a three-phase interface becomes small, and a battery voltage becomes low.

上述の平均慣性半径(1、2)の条件を満たす高分子電解質としては、200,000〜300,000の平均分子量を有するものであるのが好ましい。このような範囲の分子量を有する高分子電解質は、従来の燃料電池の触媒層に使用されている高分子電解質と比較して大きな慣性半径を有する。
このため、触媒層を形成するために触媒層形成用インクを塗工・乾燥する工程において、図2に示すように、高分子電解質23の偏在が発生しない。ここで、図2は、本発明の触媒層形成用インクを用いて形成される触媒層を模式的に示す断面図である。
The polymer electrolyte satisfying the above-described average inertia radius (1, 2) preferably has an average molecular weight of 200,000 to 300,000. A polymer electrolyte having a molecular weight in such a range has a larger radius of inertia than a polymer electrolyte used in a catalyst layer of a conventional fuel cell.
Therefore, uneven distribution of the polymer electrolyte 23 does not occur in the step of applying and drying the catalyst layer forming ink to form the catalyst layer, as shown in FIG. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a catalyst layer formed using the ink for forming a catalyst layer of the present invention.

本発明において使用される電極触媒は、導電性炭素粒子(粉末)に担持されて用いられ、金属粒子からなる。当該金属粒子としては、特に限定されず種々の金属を使用することができる。例えば、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびスズよりなる群から選択される1種以上のものが好ましい。なかでも、貴金属や白金との合金が好ましく、白金とルテニウムの合金が、触媒の活性が安定することから特に好ましい。   The electrode catalyst used in the present invention is used by being supported on conductive carbon particles (powder) and is composed of metal particles. The metal particles are not particularly limited, and various metals can be used. For example, one selected from the group consisting of platinum, gold, silver, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, chromium, iron, titanium, manganese, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc and tin The above is preferable. Among them, an alloy of noble metal or platinum is preferable, and an alloy of platinum and ruthenium is particularly preferable because the activity of the catalyst is stabilized.

導電性炭素粒子は比表面積が50〜1500m2/gであることが好ましい。比表面積50m2/g未満であると、電極触媒の担持率を上げることが難しく、得られた触媒層の出力特性が低下するおそれのあることから好ましくなく、比表面積が1500m2/g超であると、細孔が微細すぎるために高分子電解質による被覆が難しくなり、得られた触媒層の出力特性が低下するおそれがあることから好ましくない。比表面積は200〜900m2/gが特に好ましい。 The conductive carbon particles preferably have a specific surface area of 50 to 1500 m 2 / g. When the specific surface area is less than 50 m 2 / g, it is difficult to increase the loading ratio of the electrode catalyst, and the output characteristics of the obtained catalyst layer may be deteriorated, which is not preferable. The specific surface area exceeds 1500 m 2 / g. In some cases, the pores are too fine, making it difficult to coat with a polymer electrolyte, and the output characteristics of the resulting catalyst layer may be reduced, which is not preferable. The specific surface area is particularly preferably 200 to 900 m 2 / g.

さらに、電極触媒の粒子は平均粒径1〜5nmであることがより好ましい。平均粒径1nm未満の電極触媒は工業的に調製が困難であるため好ましくなく、また、5nm超であると、電極触媒質量あたりの活性が低くなるため、燃料電池のコストアップにつながり好ましくない。   Furthermore, it is more preferable that the electrode catalyst particles have an average particle diameter of 1 to 5 nm. Electrocatalysts having an average particle size of less than 1 nm are not preferred because they are difficult to prepare industrially, and if it exceeds 5 nm, the activity per mass of the electrode catalyst is lowered, which leads to an increase in the cost of the fuel cell.

更に、導電性炭素粒子は平均粒径0.1〜1.0μmであることが好ましい。0.1μm未満であると、得られた触媒層が緻密な構造となりガス拡散性が低く、フラッディングを生じ易いため好ましくなく、1.0μm超であると、高分子電解質によって電極触媒を被覆しにくくなり被覆面積が減少して触媒層の性能が低下するため好ましくない。   Furthermore, the conductive carbon particles preferably have an average particle size of 0.1 to 1.0 μm. If it is less than 0.1 μm, the resulting catalyst layer has a dense structure and low gas diffusibility, and is prone to flooding. This is not preferable, and if it exceeds 1.0 μm, it is difficult to coat the electrode catalyst with the polymer electrolyte. Since the covering area decreases and the performance of the catalyst layer decreases, it is not preferable.

本発明の触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、高分子電解質を溶解または分散可能(高分子電解質が一部溶解した分散状態も含む)であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。
分散媒は、水、メタノール、プロパノール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、sec−ブチルアルコールおよびtert―ブチルアルコールのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。これらの水およびアルコールは単独でも使用してもよく、2種以上混合してもよい。アルコールは、分子内にOH基を1つ有する直鎖のものが特に好ましく、エタノールが特に好ましい。このアルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。
As the dispersion medium used for preparing the ink for forming the catalyst layer of the present invention, a liquid containing alcohol that can dissolve or disperse the polymer electrolyte (including a dispersed state in which the polymer electrolyte is partially dissolved) is used. Is preferred.
The dispersion medium preferably contains at least one of water, methanol, propanol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, sec-butyl alcohol and tert-butyl alcohol. These water and alcohol may be used alone or in combination of two or more. The alcohol is particularly preferably a straight chain having one OH group in the molecule, and ethanol is particularly preferable. This alcohol includes those having an ether bond such as ethylene glycol monomethyl ether.

また、触媒層形成用インクは、固形分濃度0.1〜20質量%であることが好ましい。固形分濃度が0.1質量%未満であると、触媒層形成用インクの噴霧または塗布により触媒層を作製するにあたり、何回も繰り返し噴霧または塗布しなければ所定の厚さの触媒層が得られず生産効率が悪くなる。また、固形分濃度が20質量%超であると、混合液の粘度が高くなり、得られる触媒層が不均一となるおそれがある。固形分濃度で1〜10質量%であることが特に好ましい。   The catalyst layer forming ink preferably has a solid content concentration of 0.1 to 20% by mass. When the solid content concentration is less than 0.1% by mass, a catalyst layer having a predetermined thickness can be obtained unless the catalyst layer is repeatedly sprayed or applied many times when the catalyst layer is prepared by spraying or applying the ink for forming the catalyst layer. The production efficiency is worsened. On the other hand, if the solid content concentration is more than 20% by mass, the viscosity of the mixed solution becomes high and the resulting catalyst layer may be non-uniform. The solid content concentration is particularly preferably 1 to 10% by mass.

また、本発明では、固形分換算で、電極触媒と高分子電解質との質量比が、50:50〜85:15となるように触媒層形成用インクを調製することが好ましい。これにより、高分子電解質が効率よく電極触媒を被覆することができ、膜電極接合体を作製した場合に、三相界面を増大させることができるからである。また、この質量比において50:50より電極触媒の量が少ないと、担体である導電性炭素粒子の細孔が高分子電解質でつぶれてしまい、反応場が少なくなるため高分子電解質型燃料電池としての性能が低下するおそれがある。さらに、この質量比において85:15より触媒の量が多いと、高分子電解質による電極触媒の被覆が不充分になるおそれがあり、高分子電解質型燃料電池としての性能が低下するおそれがある。電極触媒と高分子電解質との質量比は、60:40〜80:20となるように調製することが特に好ましい。   In the present invention, it is preferable to prepare the ink for forming the catalyst layer so that the mass ratio of the electrode catalyst to the polymer electrolyte is 50:50 to 85:15 in terms of solid content. Thereby, the polymer electrolyte can efficiently coat the electrode catalyst, and the three-phase interface can be increased when a membrane electrode assembly is produced. In addition, when the amount of the electrode catalyst is less than 50:50 at this mass ratio, the pores of the conductive carbon particles as the support are crushed by the polymer electrolyte, and the reaction field is reduced. Therefore, as a polymer electrolyte fuel cell There is a risk of performance degradation. Furthermore, when the amount of the catalyst is larger than 85:15 in this mass ratio, the electrode catalyst may be insufficiently covered with the polymer electrolyte, and the performance as a polymer electrolyte fuel cell may be deteriorated. It is particularly preferable that the mass ratio of the electrode catalyst and the polymer electrolyte is adjusted to be 60:40 to 80:20.

更に、本発明の触媒層形成用インクは、1.5〜2.3Paの範囲のCasson降伏値を有することが好ましい。Casson降伏値がこの範囲にあれば、触媒層形成用インクを塗工・乾燥する工程において、高分子電解質の偏在が発生しにくく、また、触媒層形成用インクが塗工に適した粘度を有する。また、この触媒層形成用インクを用いれば、図2に示すように、高分子電解質23の偏在がない構造を有する触媒層を実現することができる。
Casson降伏値が、1.5未満では、塗工は可能であるが乾燥工程において高分子電解質の偏在が起こり易く、2.3を超えると、塗工が非常に困難になる傾向にある。
Furthermore, the catalyst layer forming ink of the present invention preferably has a Casson yield value in the range of 1.5 to 2.3 Pa. If the Casson yield value is within this range, the polymer electrolyte is less likely to be unevenly distributed in the step of applying and drying the catalyst layer forming ink, and the catalyst layer forming ink has a viscosity suitable for coating. . Further, when this catalyst layer forming ink is used, as shown in FIG. 2, a catalyst layer having a structure in which the polymer electrolyte 23 is not unevenly distributed can be realized.
If the Casson yield value is less than 1.5, coating is possible, but uneven distribution of the polymer electrolyte is likely to occur in the drying step, and if it exceeds 2.3, coating tends to be very difficult.

ここで、Casson降伏値について説明する。Casson降伏値とは、E型粘度計と呼ばれるコーンプレート型の回転粘度計により、測定・算出される触媒層形成用インクの特性値である。このCasson降伏値は、数式(6)のCasson式を用いて求めることができる。
また、下記数式(6)のCasson式は、下記(7)と下記(8)とが直線関係にあることを示している。下記数式(6)のCasson式で表される直線を外挿して、下記(7)の軸を切る点が、下記(9)であり、これを二乗することによってCasson降伏値が得られる。
Here, the Casson yield value will be described. The Casson yield value is a characteristic value of the catalyst layer forming ink that is measured and calculated by a cone plate type rotational viscometer called an E type viscometer. The Casson yield value can be obtained using the Casson formula of Formula (6).
The Casson formula of the following formula (6) indicates that the following (7) and the following (8) are in a linear relationship. The point that extrapolates the straight line represented by the Casson equation of the following mathematical formula (6) and cuts the axis of the following (7) is the following (9), and the Casson yield value is obtained by squaring this.

Figure 2005108827
Figure 2005108827

本発明の触媒層形成用インクは、上述した慣性半径の条件を満たす高分子電解質を用いること以外は、従来公知の方法に基づいて調製することができる。具体的には、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用したり、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押出すことで分散液にせん断力を付与する方法などが挙げられる。   The ink for forming a catalyst layer of the present invention can be prepared based on a conventionally known method except that a polymer electrolyte that satisfies the above-described condition of the radius of inertia is used. Specifically, the dispersion liquid is pushed from a narrow part by applying high pressure such as using a stirrer such as a homogenizer or homomixer, using a high-speed rotating jet flow method, or a high-pressure emulsifier. The method of giving a shearing force to a dispersion liquid by taking out is mentioned.

上述のようにして得られる本発明の触媒層形成用インクは、孔径0.2μmのメンブレンフィルターを用いて濾過した場合において、当該メンブレンフィルター上に捕捉される高分子電解質の捕捉割合A(%)が、下記式(1)および下記式(2)の条件を同時に満たすこと、が好ましい。
50≦A≦90・・・(1)
A=(1−C/B)×100・・・(2)
[式(2)中、Bは、触媒層形成用インクにおける高分子電解質の質量/(触媒層形成用インクにおける高分子電解質の質量+触媒層形成用インクにおける分散媒の質量)、Cは、濾過後に得られる濾液中の高分子電解質の質量/濾液の質量)、を示す。]
When the ink for forming a catalyst layer of the present invention obtained as described above is filtered using a membrane filter having a pore size of 0.2 μm, the capture ratio A (%) of the polymer electrolyte trapped on the membrane filter However, it is preferable that the conditions of following formula (1) and following formula (2) are satisfy | filled simultaneously.
50 ≦ A ≦ 90 (1)
A = (1-C / B) × 100 (2)
[In the formula (2), B is the mass of the polymer electrolyte in the catalyst layer forming ink / (the mass of the polymer electrolyte in the catalyst layer forming ink + the mass of the dispersion medium in the catalyst layer forming ink), C is The mass of the polymer electrolyte in the filtrate obtained after filtration / the mass of the filtrate). ]

上記のように、本発明の触媒層形成用インクを、調製後に孔径0.2μmのメンブレンフィルターを用いて濾過した場合において、当該メンブレンフィルター上に捕捉される前記高分子電解質の捕捉割合A(%)を上述の式(1)の条件を満たすように調節すること{即ち、Aが50以上90以下}により、触媒層形成用インクに含まれる高分子電解質が少なくとも0.2μm(200nm)の好ましい平均慣性半径(1)を有することを事後的に確認することができる。したがって、上記の条件を満たす本発明の触媒層形成用インクを用いれば、高分子電解質の偏在が少なくガス拡散性に優れた触媒層を形成することができ、長時間にわたって高い電池電圧を維持することのできるガス拡散電極、膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池を得ることができる。   As described above, when the ink for forming a catalyst layer of the present invention is filtered using a membrane filter having a pore diameter of 0.2 μm after preparation, the capture ratio A (% of the polymer electrolyte captured on the membrane filter) ) Is adjusted so as to satisfy the condition of the above-mentioned formula (1) {ie, A is 50 or more and 90 or less}, the polymer electrolyte contained in the catalyst layer forming ink is preferably at least 0.2 μm (200 nm). It can be confirmed afterwards that it has an average radius of inertia (1). Therefore, if the catalyst layer forming ink of the present invention satisfying the above conditions is used, a catalyst layer with less uneven distribution of the polymer electrolyte and excellent gas diffusibility can be formed, and a high battery voltage can be maintained for a long time. A gas diffusion electrode, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell can be obtained.

ここで、Bは、{触媒層形成用インクにおける高分子電解質の質量/(触媒層形成用インクにおける高分子電解質の質量+触媒層形成用インクにおける分散媒の質量)}で表される。この値は、触媒層形成用インクの構成要素の組成比から求めることができる。
また、Cは、(濾過後に得られる濾液中の高分子電解質の質量/濾液の質量)で表される。この値は、例えば、濾液を乾燥することによって分散媒を除去し、高分子電解質の質量を測定すること等により求めることができる。なお、乾燥は、高分子電解質が分解せず、かつ分散媒が十分に除去される条件を実験的に求めて行う。また、濾液には触媒担持粒子が含まれないように濾過の条件を調節する。
Here, B is represented by {mass of polymer electrolyte in catalyst layer forming ink / (mass of polymer electrolyte in catalyst layer forming ink + mass of dispersion medium in catalyst layer forming ink)}. This value can be obtained from the composition ratio of the constituent elements of the catalyst layer forming ink.
C is represented by (mass of polymer electrolyte in filtrate obtained after filtration / mass of filtrate). This value can be determined, for example, by removing the dispersion medium by drying the filtrate and measuring the mass of the polymer electrolyte. The drying is performed by experimentally obtaining conditions under which the polymer electrolyte is not decomposed and the dispersion medium is sufficiently removed. The filtration conditions are adjusted so that the filtrate does not contain catalyst-carrying particles.

ここで、式(1)の値A{=(1−C/B)×100}が50未満であると、触媒層形成用インクに含まれる高分子電解質の平均慣性半径(1)が小さいこととなり、高分子電解質が偏在し、ガス拡散性に優れた触媒層が得られにくく、90超であると、高分子電解質の平均慣性半径が大きすぎるため、導電性炭素粒子の細孔内に高分子電解質が入ることができず、反応面積が低下するため好ましくない。
なお、上記式(2)の値A{=(1−C/B)×100}を求める際には、B及びCの値は、それぞれの単位が同一となるようにそろえた値を使用する。
Here, when the value A {= (1−C / B) × 100} in the formula (1) is less than 50, the average inertia radius (1) of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer forming ink is small. Thus, it is difficult to obtain a catalyst layer having an unevenly distributed polymer electrolyte and excellent gas diffusibility, and if it exceeds 90, the average inertia radius of the polymer electrolyte is too large. Since molecular electrolyte cannot enter and the reaction area decreases, it is not preferable.
When obtaining the value A {= (1−C / B) × 100} of the above formula (2), the values of B and C are used so that the respective units are the same. .

更に、本発明の触媒層形成用インクは、孔径1.0μmのメンブレンフィルターを用いて濾過した場合において、濾液を希釈して分析した、濾液に含まれる高分子電解質の平均慣性半径(2)が150〜300nmであること、を満たすことが好ましい。   Furthermore, when the ink for forming a catalyst layer of the present invention is filtered using a membrane filter having a pore size of 1.0 μm, the average inertia radius (2) of the polymer electrolyte contained in the filtrate is analyzed by diluting the filtrate. It is preferable that it is 150-300 nm.

上述のように、本発明の触媒層形成用インクを、調製後に孔径1.0μmのメンブレンフィルターを用いて濾過した場合において、濾液を希釈して分析した、濾液に含まれる高分子電解質の平均慣性半径が150〜300nmであれば、触媒層形成用インクに含まれる高分子電解質が好ましい平均慣性半径を有することを事後的に確認することができる。そして、上記の条件を満たす本発明の触媒層形成用インクを用いれば、高分子電解質の偏在が少なくガス拡散性に優れた触媒層を形成することができ、長時間にわたって高い電池電圧を維持することのできるガス拡散電極、膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池を得ることができる。   As described above, when the catalyst layer forming ink of the present invention was filtered using a membrane filter having a pore size of 1.0 μm after preparation, the filtrate was diluted and analyzed, and the average inertia of the polymer electrolyte contained in the filtrate was analyzed. If the radius is 150 to 300 nm, it can be confirmed later that the polymer electrolyte contained in the catalyst layer forming ink has a preferred average radius of inertia. If the ink for forming a catalyst layer of the present invention that satisfies the above conditions is used, a catalyst layer with little uneven distribution of polymer electrolyte and excellent gas diffusibility can be formed, and a high battery voltage can be maintained for a long time. A gas diffusion electrode, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell can be obtained.

ここで、調製後の触媒層形成用インクを孔径1.0μmのメンブレンフィルターを用いて濾過して得られる濾液は、上述のように、高分子電解質の濃度が0.1〜1質量%となるように希釈し、希釈後の濾液中の高分子電解質の分子から発射される散乱光強度および角度依存性を静的光散乱法により測定することにより求める。   Here, the filtrate obtained by filtering the prepared catalyst layer forming ink using a membrane filter having a pore diameter of 1.0 μm has a concentration of the polymer electrolyte of 0.1 to 1% by mass as described above. Then, the scattered light intensity and angle dependence emitted from the polyelectrolyte molecules in the diluted filtrate are measured by the static light scattering method.

次に、本発明の触媒層形成用インクを用いて触媒層を形成する際には、支持体シート上に触媒層を形成する。具体的には、触媒層形成用インクを支持体シート上に噴霧または塗布により塗工し、支持体シート上の触媒層形成用インクからなる液膜を乾燥させることにより触媒層を形成すればよい。   Next, when the catalyst layer is formed using the catalyst layer forming ink of the present invention, the catalyst layer is formed on the support sheet. Specifically, the catalyst layer may be formed by spraying or coating the catalyst layer forming ink on the support sheet and drying the liquid film formed of the catalyst layer forming ink on the support sheet. .

ここで、本発明のガス拡散電極は、(I)触媒層のみからなるものであってもよく、(II)ガス拡散層上に触媒層を形成したもの、つまりガス拡散層と触媒層との組合せであってもよい。
(I)の場合、支持体シートから剥離して得られる触媒層のみを製品(ガス拡散電極)として製造してもよく、支持体シート上に触媒層を剥離可能に形成したものを製品として製造してもよい。この支持体シートとしては、後述するように、触媒層形成用の混合液に対する溶解性を有しない合成樹脂製のシート、合成樹脂からなる層、金属からなる層を積層した構造を有するラミネートフィルム、金属性シート、セラミックスからなるシート、無機有機複合材料からなるシート、および高分子電解質膜などが挙げられる。
Here, the gas diffusion electrode of the present invention may be composed of only (I) the catalyst layer, and (II) one in which the catalyst layer is formed on the gas diffusion layer, that is, the gas diffusion layer and the catalyst layer. It may be a combination.
In the case of (I), only the catalyst layer obtained by peeling from the support sheet may be produced as a product (gas diffusion electrode), or a product in which the catalyst layer is formed to be peelable on the support sheet is produced as a product. May be. As this support sheet, as will be described later, a synthetic resin sheet having no solubility in the mixed solution for forming the catalyst layer, a laminate film having a structure in which a layer made of a synthetic resin, a layer made of a metal is laminated, Examples thereof include metallic sheets, ceramic sheets, inorganic organic composite sheets, and polymer electrolyte membranes.

また、(II)の場合には、ガス拡散層と触媒層との間に撥水層などの他の層が1以上配置されたものであってもよい。さらに、触媒層のガス拡散層と反対側の面に上記支持体シートを剥離可能に接合したものを製品として製造してもよい。   In the case of (II), one or more other layers such as a water repellent layer may be disposed between the gas diffusion layer and the catalyst layer. Further, a product in which the support sheet is releasably bonded to the surface of the catalyst layer opposite to the gas diffusion layer may be manufactured as a product.

支持体シートとしては、(i)高分子電解質膜、(ii)ガス拡散性および電子伝導性を有する多孔体からなるガス拡散層、または(iii)混合液に溶解しない特性を有する合成樹脂製のシート、合成樹脂からなる層、金属からなる層を積層した構造を有するラミネートフィルム、金属製シート、セラミックスからなるシート、および無機有機複合材料からなるシートのうちのうちのいずれか一つが挙げられる。
上記合成樹脂としては、例えばポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体、およびポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。
The support sheet is made of (i) a polymer electrolyte membrane, (ii) a gas diffusion layer made of a porous material having gas diffusibility and electronic conductivity, or (iii) a synthetic resin having a property of not dissolving in a mixed solution. Examples thereof include any one of a sheet, a layer made of a synthetic resin, a laminate film having a structure in which a layer made of a metal is laminated, a metal sheet, a sheet made of ceramic, and a sheet made of an inorganic-organic composite material.
Examples of the synthetic resin include polypropylene, polyethylene terephthalate, ethylene / tetrafluoroethylene copolymer, and polytetrafluoroethylene.

触媒層を形成する際の混合液の塗工方法としては、アプリケータ、バーコータ、ダイコータ、スプレーなどを使用する方法や、スクリーン印刷法、グラビア印刷法などを適用することができる。   As a coating method of the mixed solution when forming the catalyst layer, a method using an applicator, a bar coater, a die coater, a spray, or the like, a screen printing method, a gravure printing method, or the like can be applied.

本発明の効果をより確実に得る観点から、膜電極接合体の2つの触媒層は、それぞれ独立に厚さが3〜50μmであることが好ましい。厚さ3μm未満であると、均一な触媒層の形成が困難になり、触媒量の不足による耐久性が低下するので好ましくなく、厚さが30μmを超えると、触媒層において供給されるガスが拡散しづらくなり、反応が進みづらくなるので好ましくない。本発明の効果をより確実に得る観点から、膜電極接合体の2つの触媒層は、それぞれ独立に厚さが5〜20μmであることが特に好ましい。   From the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention, it is preferable that the two catalyst layers of the membrane electrode assembly have a thickness of 3 to 50 μm independently. If the thickness is less than 3 μm, it is difficult to form a uniform catalyst layer, and the durability due to insufficient catalyst amount is reduced, which is not preferable. If the thickness exceeds 30 μm, the gas supplied in the catalyst layer is diffused. This is not preferable because the reaction becomes difficult to proceed. From the viewpoint of obtaining the effects of the present invention more reliably, it is particularly preferable that the two catalyst layers of the membrane electrode assembly have a thickness of 5 to 20 μm independently.

上述のような触媒層形成工程によって得られた触媒層は、ガス拡散電極、膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池の製造に好適に用いることができる。
その際、支持体シートとして上記(i)の高分子電解質膜を用いた場合には、その両面に触媒層を形成して膜電極接合体を得、その後に、全体をカーボンペーパー、カーボンクロスまたはカーボンフェルトなどのガス拡散層で挟持し、ホットプレスなどで公知の技術により接合すればよい。
The catalyst layer obtained by the catalyst layer forming step as described above can be suitably used for the production of gas diffusion electrodes, membrane electrode assemblies, and polymer electrolyte fuel cells.
At that time, when the polymer electrolyte membrane of (i) above was used as the support sheet, a catalyst layer was formed on both sides to obtain a membrane electrode assembly, and then the whole was made of carbon paper, carbon cloth or It may be sandwiched between gas diffusion layers such as carbon felt and bonded by a known technique by hot pressing or the like.

また、支持体シートとして上記(ii)のガス拡散層を用いた場合には、触媒層付きガス拡散層2枚で、触媒層が高分子電解質膜に面するように当該高分子電解質膜を挟持し、ホットプレスなどで公知の技術により接合すればよい。
さらに、上記(iii)の支持体シート上に触媒層を形成した場合には、触媒層付き支持体シートを高分子電解質膜およびガス拡散層のうちのうちの少なくとも1つに接触させ、支持体シートを剥離することによって触媒層を転写し、公知の技術により接合すればよい。
When the gas diffusion layer (ii) is used as a support sheet, the polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion layers with a catalyst layer so that the catalyst layer faces the polymer electrolyte membrane. And what is necessary is just to join by a well-known technique with a hot press etc. FIG.
Furthermore, when the catalyst layer is formed on the support sheet of (iii) above, the support sheet with the catalyst layer is brought into contact with at least one of the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer, and the support The catalyst layer may be transferred by peeling the sheet and bonded by a known technique.

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

《実施例1〜3》
(a)触媒層形成用インクの調製
導電性炭素粒子(平均粒径:0.1〜1.0μm、田中貴金属工業(株)製のTEC10E50E)と電極触媒である白金との質量比が1:1である触媒担持粒子を、水素イオン伝導性の高分子電解質のエタノール分散液に、高分子電解質と導電性炭素との質量比が1:1となるように分散させ、カソード側の触媒層形成用インクを得た。
ここで、高分子電解質分散液における高分子電解質の濃度は、10質量%であった。また、水素イオン伝導性の高分子電解質としては、表1のA〜Cに示されるエタノール100%中の平均慣性半径(2)および分子量を有するパーフルオロカーボンスルホン酸(EW1100)を用いた。
<< Examples 1-3 >>
(A) Preparation of catalyst layer forming ink The mass ratio of conductive carbon particles (average particle size: 0.1 to 1.0 μm, TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and platinum as an electrode catalyst is 1: 1 is dispersed in a hydrogen ion conductive polymer electrolyte ethanol dispersion so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the conductive carbon is 1: 1, thereby forming a catalyst layer on the cathode side. Ink was obtained.
Here, the concentration of the polymer electrolyte in the polymer electrolyte dispersion was 10% by mass. Further, as the hydrogen ion conductive polymer electrolyte, perfluorocarbon sulfonic acid (EW1100) having an average radius of inertia (2) and a molecular weight in 100% ethanol shown in A to C of Table 1 was used.

電極触媒として白金代わりに白金ルテニウムを担持した導電性炭素粒子(平均粒径:0.1〜1.0μm、田中貴金属工業(株)製のTEC61E54E)を用いたこと以外は、上記カソード側の触媒層形成用インクと同様にして、アノード側の触媒層形成用インクを得た。
このとき、同じ電池に使用されるカソード側の触媒層形成用インクとアノード側の触媒層形成用インクとに含まれるパーフルオロカーボンスルホン酸の平均慣性半径は、同じにした。
The catalyst on the cathode side except that conductive carbon particles (average particle size: 0.1 to 1.0 μm, TEC61E54E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) carrying platinum ruthenium instead of platinum were used as the electrode catalyst. In the same manner as the layer forming ink, an anode side catalyst layer forming ink was obtained.
At this time, the average inertia radii of the perfluorocarbon sulfonic acids contained in the cathode side catalyst layer forming ink and the anode side catalyst layer forming ink used in the same battery were the same.

Figure 2005108827
Figure 2005108827

平均慣性半径の異なるパーフルオロカーボンスルホン酸を含む触媒層形成用インクについて、Casson降伏値を求めた。ここで、使用した回転粘度計のコーン径は、35mm、コーン角度2°であり、せん断速度は0.1〜100S-1の範囲で測定した。測定温度は25℃であった。また、各々の触媒層形成用インクの各成分の割合はすべて同じとし、触媒担持粒子16.6質量%、高分子電解質8.3質量%、エタノール75.1質量%とした。
各々の触媒層形成用インクについて、上述のCasson式を用いて計算したCasson降伏値を表1に示す。
The Casson yield value was calculated | required about the ink for catalyst layer formation containing the perfluorocarbon sulfonic acid from which an average inertia radius differs. Here, the cone diameter of the rotational viscometer used was 35 mm, the cone angle was 2 °, and the shear rate was measured in the range of 0.1 to 100 S −1 . The measurement temperature was 25 ° C. The ratio of each component of each ink for forming the catalyst layer was the same, and the catalyst-supporting particles were 16.6% by mass, the polymer electrolyte was 8.3% by mass, and the ethanol was 75.1% by mass.
Table 1 shows the Casson yield values calculated using the above-mentioned Casson equation for each catalyst layer forming ink.

次に、上記の触媒層形成用インクを調製した後、孔径0.2μmのメンブレンフィルター(アドバンテック東洋(株)製のセルロース混合エステルタイプメンブレンフィルター)を用いて濾過し、前記メンブレンフィルター上に捕捉される高分子電解質の捕捉割合A(%)を、下記式(2)に基づいて求めた。
A=(1−C/B)×100・・・(2)
なお、B値{=触媒層形成用インクにおける高分子電解質の質量/(触媒層形成用インクにおける高分子電解質の質量+触媒層形成用インクにおける分散媒の質量)は、濾過前の触媒層形成用インクに含まれる高分子電解質および分散媒の質量を測定して求めた。また、C値{=濾過後に得られる濾液中の高分子電解質の質量/濾液の質量)}は、濾液および濾液中の高分子電解質の質量を測定して求めた。
Next, after preparing the above ink for forming a catalyst layer, it is filtered using a membrane filter having a pore size of 0.2 μm (cellulose mixed ester type membrane filter manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd.) and captured on the membrane filter. The polymer electrolyte capture ratio A (%) was determined based on the following formula (2).
A = (1-C / B) × 100 (2)
The B value {= the mass of the polymer electrolyte in the ink for forming the catalyst layer / (the mass of the polymer electrolyte in the ink for forming the catalyst layer + the mass of the dispersion medium in the ink for forming the catalyst layer) is the formation of the catalyst layer before filtration. It was determined by measuring the mass of the polymer electrolyte and the dispersion medium contained in the ink for use. The C value {= the mass of the polymer electrolyte in the filtrate obtained after filtration / the mass of the filtrate)} was determined by measuring the mass of the filtrate and the polymer electrolyte in the filtrate.

また、上記の触媒層形成用インクについて、孔径1.0μmのメンブレンフィルター(アドバンテック東洋(株)製のセルロース混合エステルタイプメンブレンフィルター)を用いて濾過して濾液を得、エタノールで高分子電解質の濃度が0.1〜1質量%となるように希釈し、上述のようにして平均慣性半径を求めたところ、触媒層形成用インクの調製に用いた高分子電解質分散液において測定した平均慣性半径とほぼ同じであった。   Further, the catalyst layer forming ink is filtered using a membrane filter having a pore size of 1.0 μm (cellulose mixed ester type membrane filter manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd.) to obtain a filtrate, and the concentration of the polymer electrolyte with ethanol Was diluted to 0.1 to 1% by mass, and the average inertial radius was determined as described above. The average inertial radius measured in the polymer electrolyte dispersion used for the preparation of the catalyst layer forming ink was It was almost the same.

(b)ガス拡散電極および膜電極接合体(MEA)の作製
カソード側の触媒層形成用インクを、支持体シート(厚さ50μmのポリプロピレンシート)に、白金質量が0.35mg/cm2となるようにバーコーターで塗工し、室温で乾燥して、支持体シート上にカソード側の触媒層を形成した。
次に、このカソード側の触媒層付き支持体シートを、打ち抜き型で、所定のサイズ(60mm角)に切断した。この切断した支持体シート上に形成された触媒層を、水素イオン伝導性高分子電解質膜(ゴア社製のGore select膜)の一方の面に、130℃、50kg/cm2で熱転写した。
(B) Production of Gas Diffusion Electrode and Membrane Electrode Assembly (MEA) The cathode side catalyst layer forming ink is placed on a support sheet (50 μm thick polypropylene sheet) with a platinum mass of 0.35 mg / cm 2. Thus, the coating was carried out with a bar coater and dried at room temperature to form a cathode-side catalyst layer on the support sheet.
Next, the support sheet with the catalyst layer on the cathode side was cut into a predetermined size (60 mm square) with a punching die. The catalyst layer formed on the cut support sheet was thermally transferred at 130 ° C. and 50 kg / cm 2 to one surface of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (Gore select membrane manufactured by Gore).

同様に、アノード側の触媒層形成用インクを、支持体シート(厚さ50μmのポリプロピレンシート)に、白金ルテニウム質量が0.35mg/cm2となるようにバーコーターで塗工し、室温で乾燥して、支持体シート上にアノード側の触媒層を形成した。
次に、このアノード側の触媒層付き支持体シートを、打ち抜き型で、所定のサイズ(60mm角)に切断した。この切断した支持体シート上に形成された触媒層を、上記水素イオン伝導性高分子電解質膜の他方の面に、130℃、50kg/cm2で熱転写した。
Similarly, the ink for forming the catalyst layer on the anode side was applied to a support sheet (a polypropylene sheet having a thickness of 50 μm) with a bar coater so that the mass of platinum ruthenium was 0.35 mg / cm 2 and dried at room temperature. Then, the anode-side catalyst layer was formed on the support sheet.
Next, the support sheet with the catalyst layer on the anode side was cut into a predetermined size (60 mm square) with a punching die. The catalyst layer formed on the cut support sheet was thermally transferred to the other surface of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane at 130 ° C. and 50 kg / cm 2 .

次いで、厚さ400μmのカーボンクロス(日本カーボン(株)製のGF−20−31E)をフッ素樹脂含有の水性分散液(ダイキン工業(株)製のネオフロンND1)に含浸し、室温で乾燥して撥水処理を施した。
続いて、蒸留水と界面活性剤であるTriton X−100とを混合した分散液に、導電性炭素粒子を分散して得られた混合液に、フッ素樹脂を含有する水性分散液(ダイキン工業(株)製のポリフロンD1)を添加し、プラネタリーミキサーにて攪拌混合し、撥水層用インクを調製した。ここで得た撥水層用インクは、73質量%の蒸留水、2質量%のTriton X−100、21質量%の導電性炭素粒子、および4質量%のフッ素樹脂を含有する水性分散液(ポリフロンD1)で構成されていた。
Next, a 400 μm-thick carbon cloth (GF-20-31E manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) was impregnated in a fluororesin-containing aqueous dispersion (Neoflon ND1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and dried at room temperature. Water repellent treatment was applied.
Subsequently, a dispersion obtained by dispersing conductive carbon particles in a dispersion obtained by mixing distilled water and Triton X-100 as a surfactant is mixed with an aqueous dispersion containing a fluororesin (Daikin Industries ( Co., Ltd. Polyflon D1) was added and stirred and mixed with a planetary mixer to prepare a water repellent layer ink. The water repellent layer ink obtained here was an aqueous dispersion containing 73% by weight distilled water, 2% by weight Triton X-100, 21% by weight conductive carbon particles, and 4% by weight fluororesin ( Polyflon D1).

上記のように撥水処理を施したカーボンクロスの一方の面に、ドクターブレード法を用いて、撥水層用インクを、インク固形分塗布質量が4mg/cm2となるように塗布し、室温で乾燥した。乾燥後、380℃で10分間焼成し、撥水層を形成した。
このようにして得た撥水層付きカーボンクロスを、ガス拡散層として用いるために、所定のサイズ(60mm角)の打ち抜き型で打ち抜いた。このように打ち抜いて得たガス拡散層を、水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面の触媒層の上に、それぞれ撥水層を内側に向けて前記触媒層に面するように配置した。
The water repellent layer ink was applied to one surface of the carbon cloth subjected to the water repellent treatment as described above using a doctor blade method so that the ink solid content application mass was 4 mg / cm 2. And dried. After drying, it was baked at 380 ° C. for 10 minutes to form a water repellent layer.
The carbon cloth with a water repellent layer thus obtained was punched with a punching die of a predetermined size (60 mm square) in order to use it as a gas diffusion layer. The gas diffusion layers obtained by punching in this way were arranged on the catalyst layers on both sides of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane so that the water-repellent layers faced inward with the water-repellent layers facing inward.

更に、触媒層とガス拡散層とからなるガス拡散電極の周縁部に、シリコーンゴム/ポリエチレンテレフタレート/シリコーンゴムの3層構造を有する複合ガスケットを位置合わせして配置した。
そして、高分子電解質膜、2つの触媒層、2つのガス拡散層およびガスケットを、130℃、50kgf/cm2で10分間熱圧着し、膜電極接合体(MEA)を得た。平均慣性半径が異なるパーフルオロカーボンスルホン酸を含むMEAを用いて構成した単電池を、それぞれ電池A、BおよびCとした。
Furthermore, a composite gasket having a three-layer structure of silicone rubber / polyethylene terephthalate / silicone rubber was positioned and arranged at the peripheral edge of a gas diffusion electrode composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer.
The polymer electrolyte membrane, the two catalyst layers, the two gas diffusion layers, and the gasket were thermocompression bonded at 130 ° C. and 50 kgf / cm 2 for 10 minutes to obtain a membrane electrode assembly (MEA). Cells A, B, and C were respectively constituted by using MEAs containing perfluorocarbon sulfonic acids having different average radii of inertia.

《比較例1および2》
また、水素イオン伝導性高分子電解質を表1のD〜Eに示す分子量および平均慣性半径にしたこと以外は、実施例1と同様にして、MEAならびに比較電池1および2を得た。
<< Comparative Examples 1 and 2 >>
Further, MEA and comparative batteries 1 and 2 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the hydrogen ion conductive polymer electrolyte was changed to the molecular weight and average inertia radius shown in D to E of Table 1.

[評価]
以上のようにして作製した、電池A〜Cおよび比較電池1〜2を、以下のようにして、評価した。
[Evaluation]
The batteries A to C and the comparative batteries 1 and 2 produced as described above were evaluated as follows.

(1)触媒層における高分子電解質の断面方向分布測定
まず、上記実施例および比較例において、支持体(ポリプロピレンシート)に塗工・乾燥して形成された触媒層の断面方向における伝導性高分子電解質の分布を、EPMA(エレクトロン・プローブ・マイクロアナライザー)を用いて調べた。
測定結果から、支持体シート側および触媒層表面側における、導電性炭素粒子に対する高分子電解質(パーフルオロカーボンスルホン酸)の質量比率(高分子電解質/導電性炭素粒子)を計算した。得られた結果を図3に示す。図3は、実施例および比較例の電池における触媒層の断面方向の高分子電解質の分布を表すグラフである。
(1) Measurement of cross-sectional direction distribution of polymer electrolyte in catalyst layer First, in the above examples and comparative examples, conductive polymer in the cross-sectional direction of the catalyst layer formed by coating and drying on a support (polypropylene sheet). The distribution of the electrolyte was examined using an EPMA (Electron Probe Microanalyzer).
From the measurement results, the mass ratio (polymer electrolyte / conductive carbon particles) of the polymer electrolyte (perfluorocarbon sulfonic acid) to the conductive carbon particles on the support sheet side and the catalyst layer surface side was calculated. The obtained results are shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing the distribution of the polymer electrolyte in the cross-sectional direction of the catalyst layer in the batteries of Examples and Comparative Examples.

高分子電解質の平均慣性半径が大きく、また触媒層形成用インクのCasson降伏値が大きくなるにしたがい、触媒層の断面方向における水素イオン伝導性高分子電解質の分布が均一化された。つまり、触媒層形成用インクの高分子電解質/導電性炭素粒子比率(=1.0)に近づいた。
これは、水素イオン伝導性高分子電解質の平均慣性半径を大きくすることにより、触媒層形成用インクの塗工後の流動を抑制することができたためと考えられる。
As the average inertia radius of the polymer electrolyte is large and the Casson yield value of the ink for forming the catalyst layer is increased, the distribution of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte in the cross-sectional direction of the catalyst layer is made uniform. That is, it approached the polymer electrolyte / conductive carbon particle ratio (= 1.0) of the catalyst layer forming ink.
This is presumably because the flow after application of the ink for forming the catalyst layer could be suppressed by increasing the average inertia radius of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte.

(2)電池初期特性
電池温度を70℃として、電池A〜Cおよび比較電池1〜2について、初期I−V特性を測定した。このとき、露点が70℃となるように加湿した水素(H2)を1気圧でアノードに供給し、露点が70℃となるように加湿した空気を常圧でカソードに供給した。また、水素利用率を70%、酸素利用率を50%とした。得られた結果を図4に示す。
図4は、実施例および比較例の電池にH2および空気を供給している時の初期I−V特性をである。ここで、グラフaは電池Aを示し、グラフbは電池Bを示し、グラフcは電池Cを示し、グラフdは比較電池1を示し、グラフeは比較電池2を示す(図5〜図7においても同様)。
(2) Battery initial characteristics Initial battery IV characteristics were measured for batteries A to C and comparative batteries 1 and 2 at a battery temperature of 70 ° C. At this time, hydrogen (H 2 ) humidified so that the dew point was 70 ° C. was supplied to the anode at 1 atm, and air humidified so that the dew point was 70 ° C. was supplied to the cathode at normal pressure. The hydrogen utilization rate was set to 70% and the oxygen utilization rate was set to 50%. The obtained results are shown in FIG.
FIG. 4 shows initial IV characteristics when H 2 and air are supplied to the batteries of the example and the comparative example. Here, graph a shows battery A, graph b shows battery B, graph c shows battery C, graph d shows comparative battery 1, and graph e shows comparative battery 2 (FIGS. 5 to 7). The same applies to the above).

図4より、比較電池1〜2と比較して、電池A〜Cの電池電圧が高いことがわかる。特に高電流密度域において電池A〜Cの電池電圧と比較電池1〜2の電池電圧との差が大きくなっていることから、触媒層の断面方向における水素イオン伝導性高分子電解質の偏在が改善され、カソードにおけるガス拡散性が向上されたためであると考えられる。
また、比較電池2においては、水素イオン伝導性高分子電解質の平均慣性半径が大きすぎるため、導電性炭素粒子の細孔内に高分子電解質が入ることができず、このため、触媒層内の反応面積が低下して、全電流密度において、電池電圧が低くなったと考えられる。
FIG. 4 shows that the battery voltages of the batteries A to C are higher than those of the comparative batteries 1 and 2. In particular, since the difference between the battery voltages of the batteries A to C and the battery voltages of the comparative batteries 1 and 2 is large in the high current density region, the uneven distribution of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte in the cross-sectional direction of the catalyst layer is improved. This is considered to be because the gas diffusibility at the cathode was improved.
Moreover, in the comparative battery 2, since the average inertia radius of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is too large, the polymer electrolyte cannot enter into the pores of the conductive carbon particles, and therefore, in the catalyst layer, It is considered that the reaction area was lowered and the battery voltage was lowered at the total current density.

次に、H2の代わりに改質模擬ガス(SRG)(H2:70%、CO2:20%、CO:20ppm)を用いて、電池温度70℃において、上記と同様に、電池A〜Cおよび比較電池1〜2の初期I−V特性を測定した。ここでは、露点が70℃となるように加湿した改質模擬ガスを1気圧でアノードに供給し、露点が70℃となるように加湿した空気を常圧でカソードに供給した。このときの水素利用率を70%とし、酸素利用率を50%とした。得られた結果を図5に示す。図5は、実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池のSRG/空気供給時の初期I−V特性を示す。
さらに、水素による発電電圧とSRGによる発電電圧との電圧差ΔVを図6に示す。図6は、実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池の、水素を使用した場合の電圧とSRGを使用した場合の電圧との差ΔVを示す。
Next, instead of H 2 , reformed simulation gas (SRG) (H 2 : 70%, CO 2 : 20%, CO: 20 ppm) was used at a battery temperature of 70 ° C. in the same manner as described above. The initial IV characteristics of C and comparative batteries 1 and 2 were measured. Here, the reformed simulation gas humidified so that the dew point was 70 ° C. was supplied to the anode at 1 atmosphere, and air humidified so that the dew point was 70 ° C. was supplied to the cathode at normal pressure. The hydrogen utilization rate at this time was 70%, and the oxygen utilization rate was 50%. The obtained results are shown in FIG. FIG. 5 shows initial IV characteristics at the time of SRG / air supply of the polymer electrolyte fuel cells of Examples and Comparative Examples.
Further, FIG. 6 shows a voltage difference ΔV between the generated voltage by hydrogen and the generated voltage by SRG. FIG. 6 shows the difference ΔV between the voltage when hydrogen is used and the voltage when SRG is used in the polymer electrolyte fuel cells of Examples and Comparative Examples.

図5より、比較電池1〜2の電池電圧と比較して、電池A〜Cの電池電圧の方が高いことがわかる。これも、燃料ガスとして水素を使用した場合と同様に、触媒層の断面方向における水素イオン伝導性高分子電解質の偏在が改善され、カソードにおけるガス拡散性が向上されたためであると考えられる。
また、図6より、SRGを使用することによる電圧低下は、電池A〜Cでは小さいことがわかる。この結果から、アノードにおいても、ガス拡散性が向上しており、耐CO被毒が改善されているものと考えられる。
FIG. 5 shows that the battery voltages of the batteries A to C are higher than the battery voltages of the comparative batteries 1 and 2. This is also considered to be because the uneven distribution of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte in the cross-sectional direction of the catalyst layer was improved and the gas diffusibility at the cathode was improved, as in the case of using hydrogen as the fuel gas.
Moreover, it turns out that the voltage drop by using SRG is small in battery AC from FIG. From this result, it is considered that the gas diffusibility is also improved in the anode, and the CO poisoning resistance is improved.

(3)電池耐久性
電流密度が0.2A/cm2である場合の耐久試験を行った。このとき、露点が70℃となるように加湿した改質模擬ガス(SRG)(H2:70%、CO2:20%、CO:20ppm)を1気圧でアノードに供給し、露点が70℃となるように加湿した空気を常圧でカソードに供給した。このときの水素利用率を70%とし、酸素利用率を50%とした。得られた結果を図7に示す。図7は、実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池における、定電流密度(0.2A/cm2)での電圧の経時変化を示すグラフである。
(3) Battery durability A durability test was conducted when the current density was 0.2 A / cm 2 . At this time, the modified simulated gas (SRG) (H 2 : 70%, CO 2 : 20%, CO: 20 ppm) humidified so that the dew point is 70 ° C. is supplied to the anode at 1 atm, and the dew point is 70 ° C. Humid air was supplied to the cathode at normal pressure. The hydrogen utilization rate at this time was 70%, and the oxygen utilization rate was 50%. The obtained results are shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing the change with time of voltage at a constant current density (0.2 A / cm 2 ) in the polymer electrolyte fuel cells of Examples and Comparative Examples.

図7から、比較電池1〜2においては、時間の経過につれて、電圧低下の割合が大きくなっていることがわかる。しかし、電池A〜Cは、長時間経過後も、初期の高電圧を維持している。この結果から、本発明の触媒層を用いた燃料電池が、長時間にわたり安定した電圧を維持できることがわかる。   From FIG. 7, it can be seen that, in the comparative batteries 1 and 2, the rate of voltage drop increases with time. However, the batteries A to C maintain the initial high voltage even after a long time has elapsed. This result shows that the fuel cell using the catalyst layer of the present invention can maintain a stable voltage for a long time.

本発明の触媒層形成用インクを用いれば、長時間にわたり安定した高い電圧を維持できる燃料電池を提供することができる。この燃料電池は、高分子電解質を用いた自動車用燃料電池、高分子電解質型燃料電池を用いた家庭用コージェネレーションシステム等に好適に用いることができる。   By using the catalyst layer forming ink of the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of maintaining a stable high voltage for a long time. This fuel cell can be suitably used for an automobile fuel cell using a polymer electrolyte, a home cogeneration system using a polymer electrolyte fuel cell, and the like.

本発明の高分子電解質型燃料電池の好適な一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of suitable one Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 本発明の触媒層形成用インクを用いて形成される触媒層を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the catalyst layer formed using the ink for catalyst layer formation of this invention. 実施例および比較例の電池における触媒層の断面方向の水素イオン伝導性高分子電解質の分布を表すグラフである。It is a graph showing distribution of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte of the cross-sectional direction of the catalyst layer in the battery of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池のH2/空気供給時の初期I−V特性を示すグラフである。It is a graph showing the initial the I-V characteristic at the time of H 2 / air supply of polymer electrolyte fuel cells of Examples and Comparative Examples. 実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池のSRG/空気供給時の初期I−V特性を示すグラフである。It is a graph which shows the initial IV characteristic at the time of SRG / air supply of the polymer electrolyte fuel cell of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池の、水素を使用した場合の電圧とSRGを使用した場合の電圧との差ΔVを示すグラフである。It is a graph which shows the difference (DELTA) V of the voltage when using hydrogen and the voltage when using SRG of the polymer electrolyte fuel cell of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池における、定電流密度(0.2A/cm2)での電圧の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of the voltage in the constant current density (0.2 A / cm < 2 >) in the polymer electrolyte fuel cell of an Example and a comparative example. 従来の高分子電解質型燃料電池の一例の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of an example of the conventional polymer electrolyte fuel cell. 従来の触媒層を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional catalyst layer typically.

符号の説明Explanation of symbols

10 高分子電解質膜
11 ガス拡散電極
11a 触媒層
11b ガス拡散層
12 導電性セパレータ板
13 ガス流路
14 ガスケット
15 シーリング部材
16 冷却水流路
210 電極触媒
220 導電性炭素粒子
230 高分子電解質
240 支持体シート
250 高分子電解質膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polymer electrolyte membrane 11 Gas diffusion electrode 11a Catalyst layer 11b Gas diffusion layer 12 Conductive separator plate 13 Gas flow path 14 Gasket 15 Sealing member 16 Cooling water flow path 210 Electrode catalyst 220 Conductive carbon particle 230 Polymer electrolyte 240 Support sheet 250 Polymer electrolyte membrane

Claims (9)

陽イオン伝導性を有する高分子電解質と、電極触媒が担持された導電性炭素粒子からなる触媒担持粒子と、分散媒と、を少なくとも含み、
前記高分子電解質の平均慣性半径が150〜300nmであること、
を特徴とする触媒層形成用インク。
A polymer electrolyte having cationic conductivity, catalyst-carrying particles made of conductive carbon particles carrying an electrode catalyst, and a dispersion medium,
The average inertia radius of the polymer electrolyte is 150 to 300 nm;
An ink for forming a catalyst layer.
Casson降伏値が1.5〜2.3Paであること、を特徴とする請求項1記載の触媒層形成用インク。   The ink for forming a catalyst layer according to claim 1, wherein the Casson yield value is 1.5 to 2.3 Pa. 前記触媒担持粒子の平均粒径が0.1〜1.0μmであること、を特徴とする請求項1記載の触媒層形成用インク。   The catalyst layer forming ink according to claim 1, wherein an average particle diameter of the catalyst-carrying particles is 0.1 to 1.0 μm. 孔径0.2μmのメンブレンフィルターを用いて濾過した場合において、前記メンブレンフィルター上に捕捉される前記高分子電解質の捕捉割合A(%)が、下記式(1)および下記式(2)の条件を同時に満たすこと、
を特徴とする請求項1〜3のうちのいずれかに記載の触媒層形成用インク。
50≦A≦90・・・(1)
A=(1−C/B)×100・・・(2)
[式(2)中、Bは、前記高分子電解質の質量/(前記高分子電解質の質量+前記分散媒の質量)、Cは、前記高分子電解質の質量/前記濾過後に得られる濾液の質量)、を示す。]
When filtration is performed using a membrane filter having a pore diameter of 0.2 μm, the capture ratio A (%) of the polymer electrolyte trapped on the membrane filter satisfies the conditions of the following formula (1) and the following formula (2). Charging at the same time,
The ink for forming a catalyst layer according to any one of claims 1 to 3.
50 ≦ A ≦ 90 (1)
A = (1-C / B) × 100 (2)
[In Formula (2), B is the mass of the polymer electrolyte / (the mass of the polymer electrolyte + the mass of the dispersion medium), and C is the mass of the polymer electrolyte / the mass of the filtrate obtained after the filtration. ). ]
孔径1.0μmのメンブレンフィルターを用いて濾過した場合において、濾液を希釈して分析した、前記濾液に含まれる前記高分子電解質の平均慣性半径が150〜300nmであること、
を特徴とする請求項1〜4のうちのいずれかに記載の触媒層形成用インク。
When filtered using a membrane filter having a pore diameter of 1.0 μm, the filtrate was diluted and analyzed, and the average inertia radius of the polymer electrolyte contained in the filtrate was 150 to 300 nm.
The ink for forming a catalyst layer according to any one of claims 1 to 4.
前記分散媒が、水、メタノール、プロパノール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、sec−ブチルアルコールおよびtert―ブチルアルコールからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいること、
を特徴とする請求項1〜5のうちのいずれかに記載の触媒層形成用インク。
The dispersion medium contains at least one selected from the group consisting of water, methanol, propanol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, sec-butyl alcohol and tert-butyl alcohol;
The ink for forming a catalyst layer according to any one of claims 1 to 5.
陽イオン伝導性を有する高分子電解質と、電極触媒が担持された導電性炭素微粒子からなる触媒担持粒子と、分散媒と、を少なくとも含み、請求項1〜6のうちのいずれかに記載の触媒層形成用インクで形成された触媒層を有すること、
を特徴とするガス拡散電極。
The catalyst according to any one of claims 1 to 6, comprising at least a polymer electrolyte having cation conductivity, catalyst-carrying particles composed of conductive carbon fine particles carrying an electrode catalyst, and a dispersion medium. Having a catalyst layer formed with a layer forming ink;
A gas diffusion electrode characterized by.
第1の触媒層を有する第1の電極と、第2の触媒層を有する第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置される高分子電解質膜と、を含む膜電極接合体であって、
前記第1の触媒層および前記第2の触媒層の少なくとも一方が、陽イオン伝導性を有する高分子電解質と、電極触媒が担持された導電性炭素微粒子からなる触媒担持粒子と、分散媒と、を少なくとも含み、請求項1〜6のうちのいずれかに記載の媒層形成用インクで形成されていること、
を特徴とする膜電極接合体。
A first electrode having a first catalyst layer; a second electrode having a second catalyst layer; a polymer electrolyte membrane disposed between the first electrode and the second electrode; A membrane electrode assembly comprising:
At least one of the first catalyst layer and the second catalyst layer is a polymer electrolyte having cation conductivity, catalyst-carrying particles made of conductive carbon fine particles carrying an electrode catalyst, a dispersion medium, Is formed with the medium layer forming ink according to any one of claims 1 to 6,
A membrane electrode assembly characterized by the above.
請求項8記載の膜電極接合体と、前記膜電極接合体に反応ガスを供給するためのガス流路を有する一対の導電性セパレータ板と、を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。   9. A polymer electrolyte fuel cell comprising: the membrane electrode assembly according to claim 8; and a pair of conductive separator plates having a gas flow path for supplying a reaction gas to the membrane electrode assembly. .
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