JP2005235444A - Membrane-electrode junction and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the durability of the membrane-electrode junction of a solid polymer fuel cell. <P>SOLUTION: Membrane-electrode junctions are manufactured by spray coating electrolyte films with catalytic ink consisting of a catalyst material, a support, and a solvent. In the manufacturing, spray coating of the catalytic ink is conducted by using the catalytic ink so that the particles of the catalytic ink are adjusted to a predetermined particle size or less (preferably 1 μm or less). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は固体高分子型燃料電池の膜電極接合体およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

固体高分子型燃料電池の電極として膜電極接合体が用いられる。膜電極接合体は、触媒物質(例えば、金や白金)を担持した担持体(例えば、カーボン粒子)(以下、これを本発明では「触媒インク粒子」という)を水性溶媒あるいは有機溶媒中に分散させた触媒インクを、電解質膜に直接塗布し乾燥させるか、触媒インクを転写体に一旦塗布し乾燥させた後、電解質膜に対してホットプレス(熱転写)して形成される。特許文献1(特開2001−68119号公報)には、触媒インクの塗布をスプレー塗布によって行うことが記載されている。   A membrane electrode assembly is used as an electrode of a polymer electrolyte fuel cell. A membrane / electrode assembly is a carrier (eg, carbon particles) carrying a catalyst material (eg, gold or platinum) (hereinafter referred to as “catalyst ink particles” in the present invention) dispersed in an aqueous or organic solvent. The formed catalyst ink is directly applied to the electrolyte membrane and dried, or the catalyst ink is once applied to the transfer body and dried, and then hot pressed (thermal transfer) to the electrolyte membrane. Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-68119) describes that the catalyst ink is applied by spray application.

特許文献2(特開平11−16584号公報)には、上記のような膜電極接合体において、触媒インクである触媒層の表面の凹凸によって電解質膜が突き破られてピンホールが発生し、膜電極接合体の性能低下や寿命の短縮を引き起こすことがあり、それを回避するために、触媒層と電解質膜との間に、電解質材料からなる電解質層をさらに形成することが記載されている。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-16484), in the membrane electrode assembly as described above, the electrolyte membrane is pierced by the irregularities on the surface of the catalyst layer, which is a catalyst ink, and a pinhole is generated. It is described that an electrolyte layer made of an electrolyte material is further formed between the catalyst layer and the electrolyte membrane in order to avoid the performance degradation and shortening of the life of the electrode assembly, which may be avoided.

特開2001−68119号公報JP 2001-68119 A 特開平11−16584号公報JP-A-11-16684

従来用いられている触媒インクを用いて電解質膜上に触媒層を形成した場合、触媒層の表面に存在する微細な凹凸によって電解質膜が損傷を受け、膜電極接合体の性能低下や寿命の短縮化を引き起こすことは知られている。例えば、触媒層を塗布した転写体を電解質膜にホットプレスにより転写する方式で膜電極接合体を製造する場合、触媒層の表面に存在する微細な凹凸(突起物)が転写時に電解質膜に食い込み、電解質膜に傷や亀裂を生じさせる。そして、それが経時的に成長してリーク不良を増大し、膜電極接合体の性能低下や寿命の短縮化を引き起こす。スプレー塗工やインクジェット塗工により電解質膜に直接触媒インクを塗布する場合にも、触媒層の電解質膜と反対側に形成された凹凸が、拡散層の接合・圧着時に拡散層により押し出され電解質膜に傷や亀裂を発生させる。   When a catalyst layer is formed on an electrolyte membrane using a catalyst ink that has been used in the past, the electrolyte membrane is damaged by the fine irregularities present on the surface of the catalyst layer, and the performance and life of the membrane / electrode assembly are reduced. It is known to cause crystallization. For example, when a membrane electrode assembly is manufactured by transferring a transfer body coated with a catalyst layer to an electrolyte membrane by hot pressing, fine irregularities (projections) existing on the surface of the catalyst layer bite into the electrolyte membrane during transfer. It causes scratches and cracks in the electrolyte membrane. And it grows with time and leak defects increase, leading to performance degradation and shortening of life of the membrane electrode assembly. Even when the catalyst ink is applied directly to the electrolyte membrane by spray coating or ink jet coating, the unevenness formed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte membrane is extruded by the diffusion layer when the diffusion layer is joined and pressed. Cause scratches and cracks.

従来、このような凹凸の発生は忌避できないものとしてそれを受容するか、特許文献2に記載のような付加的手段を施して、損傷を回避することが行われている。境界層として電解質層をさらに形成することはわずかとはいえ膜電極接合体の厚みを増す原因となると共に工程数も多くなり、実用的な解決策ではない。   Conventionally, the occurrence of such irregularities is accepted as unavoidable, or additional measures as described in Patent Document 2 are applied to avoid damage. Further forming an electrolyte layer as a boundary layer, although slightly, increases the thickness of the membrane electrode assembly and increases the number of processes, and is not a practical solution.

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、触媒インクで形成される触媒層の表面に存在することが当然とされていた微細な凹凸をなくして塗布面の平滑性を向上させ、それにより、従来のように触媒層に形成される凹凸によって電解質膜が損傷を受けるのを防止して、膜電極接合体の性能低下や寿命の短縮化を効果的に回避することのできる膜電極接合体およびそ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 circumstances, and smoothness of the coated surface is eliminated by eliminating fine irregularities that are naturally present on the surface of the catalyst layer formed of the catalyst ink. Thus, it is possible to prevent the electrolyte membrane from being damaged by the unevenness formed in the catalyst layer as in the past, and effectively avoid the performance degradation and shortening of the life of the membrane electrode assembly. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly and a method for producing the same.

上記の課題を解決すべく、本発明者は、触媒インクを塗布して形成される触媒層の表面性状を顕微鏡写真やレーザ顕微鏡によって解析し、その表面性状と膜電極接合体の耐久性能との相関について、実証的な実験を行った。それにより、インクの調整方法や塗布方法をいろいろと工夫することにより、凹凸の大きさを小さくし、また、凹凸の数を少なくすることがある程度までは可能であるが、インクの種類によっては、高さ約5μm、直径30μm程度の突起物が塗面の表面に形成されるのをどうしても回避できないことを知った。また、その単位面積当たりの発生数もインクの種類によって異なっていた。なお、本発明において、そのような大きさの突起物(凹凸)を「触媒ダマ」あるいは「凝集物」と表現する。   In order to solve the above problems, the present inventor analyzed the surface properties of the catalyst layer formed by applying the catalyst ink with a micrograph or a laser microscope, and determined the surface properties and the durability performance of the membrane electrode assembly. An empirical experiment was conducted on the correlation. As a result, it is possible to reduce the size of the unevenness and reduce the number of unevenness to some extent by devising various methods for adjusting and applying the ink, but depending on the type of ink, It has been found that it is unavoidable that protrusions having a height of about 5 μm and a diameter of about 30 μm are formed on the surface of the coated surface. Further, the number of occurrences per unit area was different depending on the type of ink. In the present invention, such a protrusion (unevenness) is expressed as “catalyst dama” or “aggregate”.

図1は、触媒ダマの多い塗面(図1a)と、それと比較して少ない塗面(図1b)を示すレーザ顕微鏡写真による図であり、高さ約5μm、直径30μm程度の触媒ダマが、図1aのものでは70個/1mm程度、図1bのものでは60個/1mm程度で発現している。本発明者は、触媒ダマ(凝集物)が具体的にどのようにして発現するかについて、いくつかの触媒インクを用いて分析的試験を行った。それにより、触媒物質が貴金属であり、担持体がカーボン担体である場合に、カーボン担体に含まれる不純物の量が多くなると、結果的に、インクにおける触媒ダマの量も多くなることを知った。このことは、触媒担持体(カーボン担体)の不純物リッチな部分がカーボンの固い凝集物を生成し、これが回避することのできない触媒ダマとしてインク中に残留しているものと解される。 FIG. 1 is a view from a laser micrograph showing a coated surface with a large amount of catalyst lumps (FIG. 1a) and a coated surface with a relatively small amount (FIG. 1b). The catalyst dams having a height of about 5 μm and a diameter of about 30 μm are shown in FIG. those in the 70/1 mm 2 of about FIG. 1a, is that of FIG. 1b is expressed in 60/1 mm 2 approximately. The present inventor conducted an analytical test using several catalyst inks on how the catalyst lumps (aggregates) are specifically developed. As a result, when the catalyst material is a noble metal and the carrier is a carbon carrier, it has been found that if the amount of impurities contained in the carbon carrier is increased, the amount of catalyst dust in the ink is increased as a result. This is understood that the impurity-rich portion of the catalyst carrier (carbon carrier) produces a hard carbon agglomerate, which remains in the ink as a catalyst dam that cannot be avoided.

そこで、異なった種類のカーボン担体に含まれる不純物の種類をXRF法により調査したところ、不純物として、S,V,Fe,Ni,Naが主なものとして検出でき、その量はカーボン担体によって異なっていた。また、それぞれのカーボン担体の最大粒子径も異なっていた。それを表1に示す。   Therefore, when the types of impurities contained in different types of carbon carriers were investigated by the XRF method, S, V, Fe, Ni, and Na were detected as the main impurities, and the amounts differed depending on the carbon carriers. It was. Moreover, the maximum particle size of each carbon support was also different. It is shown in Table 1.

Figure 2005235444
Figure 2005235444

それぞれにおける触媒ダマの発現量は表2のようであり、全体としての不純物の量(重量%)と触媒ダマの発現率とは明らかに相関関係があることがわかった。また、不純物の種類によって、その量の多寡が触媒ダマの発現率に大きな影響を与えるもの(V,Fe,Ni)と、さほどの影響を与えないもの(S,Na)があることもわかった。さらに、不純物の量が少ないと担体種の粒子径は小さい傾向にあり、不純物の量が多いと担体種の粒子径は大きい傾向にあること、そして担体種の粒子径が小さいと塗面の凹凸は細かくなり、大きいと粗くなること、さらには、平滑性を向上させる目的で重ね塗りをする場合、先に塗布した塗面に形成されている触媒ダマが次の回の塗布における凝集物の付着根拠となりやすく、塗り重ね層数を大きくすると、それに比例して触媒ダマも大きくなることも確認した。   The expression amount of the catalyst dama in each is as shown in Table 2, and it was found that the amount of impurities (% by weight) as a whole and the expression rate of the catalyst dama are clearly correlated. It was also found that depending on the type of impurities, the amount of impurities greatly affects the rate of catalyst dams (V, Fe, Ni), and that which does not significantly affect (S, Na). . Furthermore, when the amount of impurities is small, the particle size of the carrier species tends to be small, when the amount of impurities is large, the particle size of the carrier species tends to be large, and when the particle size of the carrier species is small, the unevenness of the coating surface In the case of overcoating for the purpose of improving smoothness, the catalyst lumps formed on the coating surface applied earlier may cause the adhesion of aggregates in the next application. It was easy to provide a basis, and it was confirmed that increasing the number of coating layers increased the catalyst lumps proportionally.

Figure 2005235444
Figure 2005235444

本発明は、本発明者が得た上記の新たな知見に基づいている。すなわち、第1の発明は、触媒物質と担持体と溶媒とからなる触媒インクを電解質膜にスプレー塗布し乾燥させて膜電極接合体を製造する方法であって、触媒インクのスプレー塗布を、所定粒径以下の触媒インク粒子となるように調整した触媒インクを用いて行うことを特徴とする。   The present invention is based on the above new knowledge obtained by the present inventor. That is, the first invention is a method of manufacturing a membrane electrode assembly by spray-coating a catalyst ink comprising a catalyst substance, a support and a solvent on an electrolyte membrane and drying it. It is characterized by using the catalyst ink adjusted so that it may become a catalyst ink particle of a particle size or less.

また、第2の発明は、触媒物質と担持体と溶媒とからなる触媒インクを転写体上にスプレー塗布し乾燥させた後、電解質膜に転写して膜電極接合体の製造方法であって、触媒インクのスプレー塗布を、所定粒径以下の触媒インク粒子となるように調整した触媒インクを用いて行うことを特徴とする。   The second invention is a method for producing a membrane electrode assembly by spraying a catalyst ink comprising a catalyst substance, a carrier and a solvent on a transfer body, drying the transferred ink, and then transferring it to an electrolyte membrane. The catalyst ink is spray-coated using a catalyst ink adjusted to have catalyst ink particles having a predetermined particle size or less.

第1の発明は、膜電極接合体の製造方法において、電極用の触媒インクを電解質膜に直接塗布する方法に関し、第2の発明は、一旦転写体にインクを塗布し、それを電解質膜にホットプレスする方法に関する。いずれにおいても、本発明者が得た新たな知見、すなわち、従来の触媒インクにおいて回避することができないものとされていた微細な突起物は、担持体(触媒インク粒子)に含まれる不純物の存在が主たる要因であること、微細な突起物の大きさはそのような不純物を担持する担持体の大きさも要因となっていること、に基づいており、スプレー塗布する触媒インクとして、所定粒径以下の触媒インク粒子となるように調整した触媒インクを用いることにより、触媒インク粒子が不要に成長することが抑制され、ダマのない触媒層を積層することが可能となり、耐久性(クロスリーク量が限界値となるまでの放電時間)が改善された膜電極接合体を得ることができる。   The first invention relates to a method for directly applying a catalyst ink for an electrode to an electrolyte membrane in a method for producing a membrane electrode assembly, and the second invention is to apply the ink to a transfer body once and apply it to the electrolyte membrane. The present invention relates to a method of hot pressing. In any case, the new knowledge obtained by the present inventors, that is, the fine protrusions that cannot be avoided in the conventional catalyst ink, is the presence of impurities contained in the support (catalyst ink particles). Is the main factor, and the size of the fine protrusions is also due to the size of the carrier carrying such impurities. By using the catalyst ink adjusted so as to become the catalyst ink particles, it is possible to suppress the catalyst ink particles from growing unnecessarily, and it is possible to stack a catalyst layer having no lumps, and durability (cross leak amount is reduced). A membrane electrode assembly with improved discharge time until reaching a limit value can be obtained.

本発明者らの実験では、本願の各発明において、触媒インク粒子の最大粒子径が1μm以下であることは特に好ましく、後の実施例に示すように、最大粒子径が5μmである触媒インク粒子を分散した触媒インクを用いた場合と比較して、膜電極体接合体の寿命は大きく向上した。   In the experiments of the present inventors, in each invention of the present application, it is particularly preferable that the maximum particle diameter of the catalyst ink particles is 1 μm or less, and as shown in the following examples, the catalyst ink particles having a maximum particle diameter of 5 μm. Compared with the case of using the catalyst ink in which is dispersed, the life of the membrane electrode assembly is greatly improved.

触媒インクを所定粒径以下の触媒インク粒子となるように調整する具体的な方法としては、触媒インク粒子を構成する担持体として凝集物生成の原因となる不純物の含有量が少ない担持体を用いることが挙げられる。この方法は、前記した本発明者が得た新たな知見、すなわち、従来の触媒インクにおいて回避することができないものとされていた微細な突起物は、担持体に含まれる不純物の存在が主たる要因であるという知見に基づいており、当初から不純物の含有量が少ない担持体を用いて触媒インクを調整することにより、スプレー塗工で形成する触媒層の凝集物(触媒ダマ)の発現を少なくすることができる。結果として、触媒インク粒子の粒径は所定以下のものとなり、塗工面の平滑性は向上すると共に、電解質膜の損傷はさらに抑制される。それにより、膜電極接合体の性能はさらに向上する。   As a specific method for adjusting the catalyst ink to be catalyst ink particles having a predetermined particle size or less, a carrier having a low content of impurities that cause aggregate formation is used as the carrier constituting the catalyst ink particles. Can be mentioned. This method is based on the new knowledge obtained by the present inventor, that is, the fine protrusions that cannot be avoided in the conventional catalyst ink are mainly caused by the presence of impurities contained in the support. Based on this knowledge, the catalyst ink is adjusted using a carrier having a low content of impurities from the beginning, thereby reducing the occurrence of aggregates (catalyst lumps) of the catalyst layer formed by spray coating. be able to. As a result, the particle size of the catalyst ink particles becomes a predetermined value or less, the smoothness of the coated surface is improved, and damage to the electrolyte membrane is further suppressed. Thereby, the performance of the membrane electrode assembly is further improved.

担持体がカーボン担体の場合、含まれる不純物の中でも、V,Fe,Niが触媒ダマ(凝集物)の発現に大きく関与していることは前記のように本発明者がはじめて得た知見であり、従って、不純物のうち、特にV,Fe,Niの少なくとも1つの含有量が少ないカーボン担体を触媒担持体として用いることは、特に好ましい。   In the case where the support is a carbon support, among the contained impurities, V, Fe, and Ni are greatly involved in the expression of catalyst lumps (aggregates), as described above, the knowledge obtained by the present inventors for the first time. Therefore, it is particularly preferable to use a carbon support having a low content of at least one of V, Fe, and Ni among the impurities as the catalyst support.

そして、表1、表2に示すように、不純物であるV,Fe,Niの重量%がそれぞれある値を境として、触媒ダマの発現量に顕著な違いが現れる(担体種A,B,Cと担体種D,E,Fの比較)ことも、本発明者が得た新たな知見であり、従って、特に不純物がVである場合には0.01重量%程度以下、Feである場合には0.05重量%程度以下、Niである場合には0.05重量程度%以下を、少ない量の不純物を含んでいるカーボン担体を用いることも、本発明の好ましい態様である。   Then, as shown in Tables 1 and 2, there is a marked difference in the amount of catalyst dams appearing on the basis of the respective values of the weight percentages of impurities V, Fe, and Ni (support types A, B, C). Is a new finding obtained by the present inventor. Therefore, particularly when the impurity is V, it is about 0.01% by weight or less, and when it is Fe. It is also a preferred embodiment of the present invention to use a carbon support containing a small amount of impurities, such as about 0.05% by weight or less, and in the case of Ni, about 0.05% by weight or less.

また、スプレー塗工は非接触型の塗工であり、インク液滴がノズルから被塗布膜に到達する間に溶媒を蒸発させることができるので、電解質膜が溶媒により損傷を受けることが回避できる。しかし、インク液滴がノズルから被塗布膜に到達するまでの距離(塗工距離)が長すぎると塗布後のインク液滴の流動性に乏しくなり、塗布面にうねり(凹凸)が生じた場合に、それがそのまま残ることが生じかねない。従って、触媒インクをスプレー塗布するときの塗工距離を、塗布後のインクが流動しうる距離とすることは好ましく、それにより、塗布後のインク液滴は流動可能となり、触媒インク粒子が細かいことと相俟って、塗布面の平滑化はさらに進行する。用いる電極用インクにもよるが、本発明者らの実験では、触媒インクの塗工距離を15mmから50mmの間とするのが特に好ましかった。   Also, spray coating is a non-contact type coating, and the solvent can be evaporated while the ink droplet reaches the coating film from the nozzle, so that the electrolyte membrane can be prevented from being damaged by the solvent. . However, if the distance (coating distance) until the ink droplet reaches the coating film from the nozzle is too long, the fluidity of the ink droplet after coating becomes poor, and undulation (unevenness) occurs on the coated surface It may happen that it remains as it is. Therefore, it is preferable that the coating distance when the catalyst ink is applied by spraying is a distance at which the ink after application can flow, so that the ink droplets after application can flow and the catalyst ink particles are fine. In combination with this, the smoothing of the coated surface further proceeds. Although depending on the electrode ink to be used, in the experiments by the present inventors, it was particularly preferable that the coating distance of the catalyst ink be between 15 mm and 50 mm.

さらに、スプレー塗工を重ね塗り塗工として行うことは平滑性の高い塗面を得るのに好ましいが、本発明者らの実験では、前記したように、同じ厚みの触媒層を得る場合に、重ね塗りの回数が多すぎると凝集物(触媒ダマ)の発現が多くなりかつ大きくなることを経験した。従って、平滑性を満足することを条件に、塗り重ね回数は少ない方が好ましく、具体的には、10回以下の重ね塗り塗工が好適であった。   Furthermore, it is preferable to perform spray coating as overcoating to obtain a highly smooth coating surface, but in the experiments of the present inventors, as described above, when obtaining a catalyst layer having the same thickness, It was experienced that when the number of times of overcoating was too many, the expression of aggregates (catalyst lumps) increased and increased. Therefore, it is preferable that the number of times of coating is small on condition that the smoothness is satisfied. Specifically, the overcoating of 10 times or less is suitable.

本発明は、また、上記の製造方法により得られる膜電極接合体として、触媒物質と担持体と溶媒とからなる触媒インクが電解質膜の両面にスプレー塗布されてなる膜電極接合体であって、触媒インクは触媒インク粒子の最大粒子径が1μm以下であるように調整された触媒インクであり、触媒インク粒子を構成する担持体がカーボン担体であり、該カーボン担体には、少なくとも、0.01重量%程度以下のV、0.05重量%程度以下のFe、およびまたは0.05重量%程度以下のNiを不純物として含んでいることを特徴とする膜電極接合体、をも開示する。   The present invention is also a membrane electrode assembly obtained by spray-coating a catalyst ink composed of a catalyst substance, a carrier and a solvent on both surfaces of an electrolyte membrane, as a membrane electrode assembly obtained by the above production method, The catalyst ink is a catalyst ink adjusted so that the maximum particle diameter of the catalyst ink particles is 1 μm or less, and the carrier constituting the catalyst ink particles is a carbon carrier, and the carbon carrier includes at least 0.01. There is also disclosed a membrane electrode assembly characterized in that it contains V of about wt% or less, Fe of about 0.05 wt% or less, and / or Ni of about 0.05 wt% or less as impurities.

本発明により、触媒インクをスプレー塗工して形成される触媒層の表面に存在することが当然とされていた微細な凹凸をなくすことができる。それにより、膜電極接合体において、従来のように触媒層に形成される凹凸によって電解質膜が損傷を受けるのを防止することができ、膜電極接合体の性能低下や寿命の短縮化を効果的に回避することができる。   According to the present invention, it is possible to eliminate fine irregularities that are supposed to be present on the surface of the catalyst layer formed by spray coating of the catalyst ink. Thereby, in the membrane electrode assembly, it is possible to prevent the electrolyte membrane from being damaged by the unevenness formed in the catalyst layer as in the past, and it is effective to reduce the performance and shorten the life of the membrane electrode assembly. Can be avoided.

以下、本発明を実施例と比較例により説明する。本発明がこれに限定されないことは当然である。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples and comparative examples. Of course, the present invention is not limited to this.

[実施例1]
カソード触媒のカーボン担体として、最大粒子径が1μm以下であり、不純物Sが0.034重量%、Vが0.0重量%、Feが0.004重量%、Niが0.002重量%、Naが0.0重量%を含むものを用いた(前記した表1でのカーボン担体種E)。カーボン担体に対して触媒の白金を60%担持させて、カソード用白金触媒を作製した(触媒量:0.45mg/cm)。そのカソード用白金触媒を使用し、水、エタノール、プロピレングリコール、10%電解質溶液を調合して(電解質比率0.6)、カソード用触媒インクを作製した。
[Example 1]
As a carbon support of the cathode catalyst, the maximum particle size is 1 μm or less, the impurity S is 0.034 wt%, V is 0.0 wt%, Fe is 0.004 wt%, Ni is 0.002 wt%, Na Containing 0.0% by weight (carbon carrier type E in Table 1 described above). A platinum catalyst for a cathode was prepared by supporting 60% of platinum as a catalyst on a carbon support (amount of catalyst: 0.45 mg / cm 2 ). Using the platinum catalyst for cathode, water, ethanol, propylene glycol, and 10% electrolyte solution were prepared (electrolyte ratio 0.6) to prepare a cathode catalyst ink.

アノード触媒のカーボン担体として、カソード触媒でのカーボン担体と同じものを用い、カーボン担体に対して触媒の白金を30%担持させて、アノード用白金触媒を作製した(触媒量:0.15mg/cm)。そのアノード白金触媒を使用し、水、エタノール、プロピレングリコール、10%電解質溶液を調合して(電解質比率1.0)、アノード用触媒インクを作製した。 The same carbon support as that of the cathode catalyst was used as the carbon support of the anode catalyst, and 30% of platinum of the catalyst was supported on the carbon support to produce a platinum catalyst for the anode (catalyst amount: 0.15 mg / cm 2). 2 ). Using the anode platinum catalyst, water, ethanol, propylene glycol, and a 10% electrolyte solution were prepared (electrolyte ratio 1.0) to prepare an anode catalyst ink.

電解質膜を加熱吸引定盤(温度40℃)にセットし、その膜に、表3の塗布条件で、カソード用触媒インクをスプレー塗布し、膜の反対側にはアノード用触媒インクをスプレー塗布した。それを乾燥(乾燥温度:100℃)させて、膜電極接合体とした。   The electrolyte membrane was set on a heating and suction platen (temperature: 40 ° C.). Cathode catalyst ink was spray coated on the membrane under the coating conditions shown in Table 3, and anode catalyst ink was spray coated on the opposite side of the membrane. . It was dried (drying temperature: 100 ° C.) to obtain a membrane electrode assembly.

Figure 2005235444
Figure 2005235444

得られた膜電極接合体のカソード触媒層とアノード触媒層の両側にカーボンクロスである拡散層を転写(100℃、3MPaで4分間)させて電極とし、その後、焼成セパレータを組み付けて、モジュールとした。そのモジュールの放電耐久性評価試験を実施した。その結果を図2、図3に示す。なお、図2は時間とクロスリーク量の関係であり、図3は時間と各セル電圧降下の関係である。   A diffusion layer, which is a carbon cloth, is transferred to both sides of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer of the obtained membrane electrode assembly (100 ° C., 4 minutes at 3 MPa) to form an electrode, and then a firing separator is assembled to did. The module was subjected to a discharge durability evaluation test. The results are shown in FIGS. 2 shows the relationship between time and the amount of cross leak, and FIG. 3 shows the relationship between time and voltage drop of each cell.

[比較例1]
カソード触媒のカーボン担体およびアノード触媒のカーボン担体として、ともに、最大粒子径が5μmであり、不純物Sが0.29重量%、Vが0.53重量%、Feが0.18重量%、Niが0.30重量%、Naが0.025量%を含むもの(前記した表1でのカーボン担体種A)を用いた以外は、実施例1と同様にして、カソード触媒インクおよびアノード触媒インクを作成した。それを用いて、実施例1と同様にして膜電極接合体を作成し、さらにモジュールとして、その放電耐久性評価試験を実施した。その結果を図2、図3に示す。なお、図2は時間とクロスリーク量の関係であり、図3は時間と各セル電圧降下の関係である。
[Comparative Example 1]
As the carbon support for the cathode catalyst and the carbon support for the anode catalyst, both have a maximum particle size of 5 μm, impurities S is 0.29 wt%, V is 0.53 wt%, Fe is 0.18 wt%, Ni is Cathode catalyst ink and anode catalyst ink were prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.30% by weight and Na containing 0.025% by weight (carbon carrier type A in Table 1 described above) were used. Created. Using this, a membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, and a discharge durability evaluation test was conducted as a module. The results are shown in FIGS. 2 shows the relationship between time and the amount of cross leak, and FIG. 3 shows the relationship between time and voltage drop of each cell.

[評価]
図2、図3に示すように、実施例1のものは、比較例のものと比較して、モジュールの耐久性は高くなっており、本発明の有効性が示される。これは、カーボン担体種として、不純物が少なく最大粒子径の小さいもの(5μmに対して1μm以下)を用いたことにより、ダマの発生が抑えられかつ表面平滑性が向上したことが大きな要因となっていると考えられる。また、スプレー塗工時に、スプレーノズルと電解質膜との距離を狭く(90mmに対して20mm)したことにより、塗布後の液滴の流動が生じてさらに平滑化が向上したことも、要因となっていると考えられる。さらに、塗り重ね層数を少なくした(25層に対して5層)ことにより、先に塗布した塗面に形成されている触媒ダマが次の回の塗布における凝集物の付着根拠となり、触媒ダマが大きく成長することを抑制することができたことも、平滑性向上の要因となっていると考えられる。
[Evaluation]
As shown in FIGS. 2 and 3, the module of Example 1 has higher module durability than that of the comparative example, indicating the effectiveness of the present invention. This is mainly due to the fact that the use of carbon carrier species with few impurities and a small maximum particle size (1 μm or less compared to 5 μm) suppresses the occurrence of lumps and improves the surface smoothness. It is thought that. Another factor is that the distance between the spray nozzle and the electrolyte membrane during spray coating is reduced (20 mm compared to 90 mm), resulting in the flow of droplets after coating and further smoothing. It is thought that. Further, by reducing the number of coating layers (5 layers compared to 25 layers), the catalyst dust formed on the previously coated surface becomes the basis for the adhesion of aggregates in the next coating. It was thought that the fact that it was possible to suppress the large growth of the film also contributed to the improvement of smoothness.

[実施例2]
カソード触媒のカーボン担体として、最大粒子径が1μm以下であり、不純物Sが0.034重量%、Vが0.0重量%、Feが0.004重量%、Niが0.002重量%、Naが0.0重量%を含むものを用いた(前記した表1でのカーボン担体種E)。カーボン担体に対して触媒の白金を45%担持させて、カソード用白金触媒を作製した(触媒量:0.45mg/cm、電解質比率0.6)。
[Example 2]
As a carbon support of the cathode catalyst, the maximum particle size is 1 μm or less, the impurity S is 0.034 wt%, V is 0.0 wt%, Fe is 0.004 wt%, Ni is 0.002 wt%, Na Containing 0.0% by weight (carbon carrier type E in Table 1 described above). A platinum catalyst for a cathode was prepared by supporting 45% of platinum as a catalyst on a carbon support (amount of catalyst: 0.45 mg / cm 2 , electrolyte ratio 0.6).

アノード触媒のカーボン担体として、最大粒子径が1μm以下であり、不純物Sが0.870重量%、Vが0.0重量%、Feが0.001重量%、Niが0.002重量%、Naが0.010重量%を含むもの(前記した表1でのカーボン担体種F)を用い、カーボン担体に対して触媒の白金を30%担持させて、アノード用白金触媒を作製した(触媒量:0.15mg/cm、電解質比率0.6)。 As the carbon support of the anode catalyst, the maximum particle size is 1 μm or less, the impurity S is 0.870 wt%, V is 0.0 wt%, Fe is 0.001 wt%, Ni is 0.002 wt%, Na Was used (carbon support type F in Table 1 described above), and 30% of platinum as a catalyst was supported on the carbon support to prepare a platinum catalyst for an anode (amount of catalyst: 0.15 mg / cm 2 , electrolyte ratio 0.6).

カソード用白金触媒およびアノード用白金触媒を使用し、表4に示す組成のカソード用触媒インクおよびアノード用触媒インクを調製した。なお、プロピレングリコールの沸点は188.2℃、エタノールの沸点は78.3℃である。   Cathode catalyst ink and anode catalyst ink having the compositions shown in Table 4 were prepared using a cathode platinum catalyst and an anode platinum catalyst. The boiling point of propylene glycol is 188.2 ° C., and the boiling point of ethanol is 78.3 ° C.

Figure 2005235444
Figure 2005235444

電解質膜を加熱吸引定盤(温度40℃)にセットし、その膜に、表5の塗布条件で、カソード用触媒インクをスプレー塗布し、膜の反対側にはアノード用触媒インクをスプレー塗布した。塗面状態を精査したところ、カソード側、アノード側ともに、表面凹凸は5μm以下であり、細かい塗面が得られた。それを乾燥(乾燥温度:100℃)させて、膜電極接合体とした。   The electrolyte membrane was set on a heating and suction platen (temperature: 40 ° C.). Cathode catalyst ink was spray coated on the membrane under the coating conditions shown in Table 5, and anode catalyst ink was spray coated on the opposite side of the membrane. . When the coated surface state was examined closely, the surface unevenness was 5 μm or less on both the cathode side and the anode side, and a fine coated surface was obtained. It was dried (drying temperature: 100 ° C.) to obtain a membrane electrode assembly.

Figure 2005235444
Figure 2005235444

得られた膜電極接合体のカソード触媒層とアノード触媒層の両側にカーボンクロスである拡散層を転写(100℃、3MPaで4分間)させて電極とし、その後、焼成セパレータを組み付けて、モジュールとした。そのモジュールの放電耐久性評価試験を実施例1と同様にして実施した。   A diffusion layer, which is a carbon cloth, is transferred to both sides of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer of the obtained membrane electrode assembly (100 ° C., 4 minutes at 3 MPa) to form an electrode, and then a firing separator is assembled to did. The module was subjected to a discharge durability evaluation test in the same manner as in Example 1.

[比較例2]
カソード触媒のカーボン担体およびアノード触媒のカーボン担体として実施例2と同じものを用い、表6に示す組成のカソード用触媒インクおよびアノード用触媒インクを調製した。それを実施例2と同様にして電解質に塗布した。塗布後に、実施例1と同様にして塗面状態を精査したところ、カソード側、アノード側ともに、表面凹凸は20μm以上であり、実施例2と比較して粗い塗面となっていた。それを乾燥(乾燥温度:100℃)させて膜電極接合体とし、さらにモジュールとした。そのモジュールの放電耐久性評価試験を実施例1と同様にして実施した。
[Comparative Example 2]
Cathode catalyst inks and anode catalyst inks having the compositions shown in Table 6 were prepared using the same carbon carrier as the cathode catalyst and anode catalyst as in Example 2. It was applied to the electrolyte in the same manner as in Example 2. After coating, the coated surface state was examined in the same manner as in Example 1. As a result, the surface unevenness was 20 μm or more on both the cathode side and the anode side, and the coated surface was rough compared to Example 2. It was dried (drying temperature: 100 ° C.) to form a membrane electrode assembly, and a module was further obtained. The module was subjected to a discharge durability evaluation test in the same manner as in Example 1.

Figure 2005235444
Figure 2005235444

[考察]
放電耐久性評価試験の結果は、時間とクロスリーク量の関係、時間と各セル電圧降下の関係ともに、図2と図3に示したとほぼ同様な結果であった。このことは、実施例2のように、触媒インクにグリコール類の高沸点アルコールを用いることにより、インクの揮発性を抑制して流動化しやすくなって塗面の平滑化がさらに向上し、それにより、実施例2の場合には高い放電耐久性が得られたものと推測できる。一方、比較例2の場合には、プロピレングリコールは添加せず、沸点が78.3℃と低いエタノールのみを溶媒として用いたことから、表面凹凸は20μm以上と粗く、そのことが放電耐久性を悪くしている原因と思われる。
[Discussion]
The results of the discharge durability evaluation test were almost the same as those shown in FIGS. 2 and 3 in both the relationship between time and the amount of cross leak and the relationship between time and voltage drop of each cell. This is because, as in Example 2, by using a high boiling alcohol such as glycols in the catalyst ink, the volatility of the ink is suppressed and fluidization is facilitated, and the smoothness of the coating surface is further improved. In the case of Example 2, it can be estimated that high discharge durability was obtained. On the other hand, in the case of Comparative Example 2, since propylene glycol was not added and only ethanol having a low boiling point of 78.3 ° C. was used as a solvent, the surface asperity was as coarse as 20 μm or more, which showed discharge durability. It seems to be the cause of the problem.

さらに、実施例2では固形分濃度が3.5%であり、一方比較例2では7.0%であることから、このことも表面平滑性の良否に影響を与えているものと推測できる。   Further, in Example 2, the solid content concentration is 3.5%, while in Comparative Example 2, it is 7.0%. Therefore, it can be assumed that this also affects the quality of the surface smoothness.

触媒インクの塗膜表面のレーザ顕微鏡写真による図。The figure by the laser micrograph of the coating-film surface of catalyst ink. 実施例1と比較例1のモジュールにおける時間とクロスリーク量の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the time in the module of Example 1 and the comparative example 1, and the amount of cross leaks. 実施例1と比較例1のモジュールにおける時間とセル電圧降下の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the time in the module of Example 1 and the comparative example 1, and a cell voltage drop.

Claims (10)

触媒物質と担持体と溶媒とからなる触媒インクを電解質膜にスプレー塗布し乾燥させて膜電極接合体を製造する方法であって、触媒インクのスプレー塗布を、所定粒径以下の触媒インク粒子となるように調整した触媒インクを用いて行うことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。   A method for producing a membrane electrode assembly by spray-coating a catalyst ink comprising a catalyst substance, a carrier and a solvent on an electrolyte membrane and drying the catalyst ink, wherein the catalyst ink spray-coating comprises catalyst ink particles having a predetermined particle size or less and A method for producing a membrane electrode assembly, which is carried out using a catalyst ink adjusted as described above. 触媒物質と担持体と溶媒とからなる触媒インクを転写体上にスプレー塗布し乾燥させた後、電解質膜に転写して膜電極接合体を製造する方法であって、触媒インクのスプレー塗布を、所定粒径以下の触媒インク粒子となるように調整した触媒インクを用いて行うことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。   A catalyst ink comprising a catalyst material, a support and a solvent is spray-coated on a transfer body and dried, and then transferred to an electrolyte membrane to produce a membrane electrode assembly. A method for producing a membrane electrode assembly, which is performed using a catalyst ink adjusted to have catalyst ink particles having a predetermined particle size or less. 触媒インク粒子の最大粒子径が1μm以下であるように調整した触媒インクを用いることを特徴とする請求項1または2に記載の膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the catalyst ink is used so that the maximum particle diameter of the catalyst ink particles is 1 µm or less. 触媒インク粒子を構成する担持体として凝集物生成の原因となる不純物の含有量が少ない担持体を用いた触媒インクを用いることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   4. The membrane electrode bonding according to claim 1, wherein a catalyst ink using a carrier having a low content of impurities causing the generation of aggregates is used as the carrier constituting the catalyst ink particles. 5. Body manufacturing method. 担持体がカーボン担体であり、不純物がV,FeまたはNiの少なくとも1つであることを特徴とする請求項4に記載の膜電極接合体の製造方法。   5. The method for producing a membrane electrode assembly according to claim 4, wherein the carrier is a carbon carrier and the impurity is at least one of V, Fe or Ni. 不純物がVである場合に0.01重量%以下、Feである場合に0.05重量%以下、Niである場合に0.05重量%以下を含んでいるカーボン担体を用いることを特徴とする請求項5に記載の膜電極接合体の製造方法。   A carbon support containing 0.01 wt% or less when the impurity is V, 0.05 wt% or less when the impurity is Fe, and 0.05 wt% or less when the impurity is Ni is used. The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 5. 触媒インクをスプレー塗布するときの塗工距離を、塗布後のインクが流動しうる距離とすることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the coating distance when the catalyst ink is applied by spraying is a distance at which the applied ink can flow. 触媒インクの塗工距離を15mmから50mmの間とすることを特徴とする請求項7に記載の膜電極接合体の製造方法。   8. The method for producing a membrane electrode assembly according to claim 7, wherein the coating distance of the catalyst ink is between 15 mm and 50 mm. スプレー塗工を、10回以下の重ね塗り塗工として行うことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to any one of claims 1 to 8, wherein the spray coating is performed as a repeated coating of 10 times or less. 触媒物質と担持体と溶媒とからなる触媒インクが電解質膜の両面にスプレー塗布されてなる膜電極接合体であって、触媒インクは触媒インク粒子の最大粒子径が1μm以下であるように調整された触媒インクであり、触媒インク粒子を構成する担持体がカーボン担体であり、該カーボン担体には、少なくとも、0.01重量%以下のV、0.05重量%以下のFe、およびまたは0.05重量%以下のNiを不純物として含んでいることを特徴とする膜電極接合体。   A membrane electrode assembly in which a catalyst ink comprising a catalyst substance, a support and a solvent is spray-coated on both surfaces of an electrolyte membrane, and the catalyst ink is adjusted so that the maximum particle diameter of the catalyst ink particles is 1 μm or less. Catalyst ink, and the carrier constituting the catalyst ink particles is a carbon carrier, and the carbon carrier has at least 0.01 wt% or less of V, 0.05 wt% or less of Fe, and / or 0. A membrane / electrode assembly comprising 05% by weight or less of Ni as an impurity.
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